無(wú)線遙控智能爬行機(jī)器人畢業(yè)論文

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論 文） 中圖分類號(hào)： 無(wú)線遙控智能爬行機(jī)器人 專業(yè)名稱： 光機(jī)電一體化 學(xué)生姓名： 導(dǎo)師姓名： 職 稱： 武漢科技大學(xué)機(jī)電工程系 2007 年 3月 中圖分類號(hào)： 密級(jí)： UDC： 單位代碼： 10488 無(wú)線遙控智能爬行機(jī)器人 WIRELESS REMOTE INTELLIGENT CRAWILING ROBOT 姓 名： 學(xué) 制： 專 業(yè)：光機(jī)電一體化 研究方向： 導(dǎo) 師： 職 稱： 講師 論文提交日期： 3月 1號(hào) 論文答辯日期： 3月 15 日 武漢科技大學(xué)機(jī)電工程系 摘 要 機(jī)器人是機(jī)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、控制理論等學(xué)科發(fā)展水平的綜合體現(xiàn)，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。 “ 無(wú)線遙控爬行機(jī)器人 ” 是我們?cè)O(shè)計(jì)的第一個(gè)機(jī)器人，從仿生學(xué)的角度，昆蟲(chóng)的生理構(gòu)造及行為是比較容易模仿的，我們的機(jī)器人正是在模仿四足行走的動(dòng)物，該機(jī)器人是一個(gè)仿生 4 足行走的機(jī)器人，通過(guò)對(duì)伺服馬達(dá)的精確控制模擬四足動(dòng)物的行走步態(tài)，實(shí)現(xiàn)行走、急跑、轉(zhuǎn)彎等各種步態(tài)行為，并能在各種地面環(huán)境下進(jìn)行步態(tài)的智能調(diào)整，自適應(yīng)光滑地面、粗 糙地面、沙石地面、濕泥地面等惡劣的路面環(huán)境。 該系統(tǒng)通過(guò) AT89S51、 USB100 模塊、 NT-TR01 無(wú)線傳輸模塊及相應(yīng)的輔助電路實(shí)現(xiàn)智能控制及無(wú)線遙控。 PC 端通過(guò) USB 接口與 NT-TR01 模塊連接，遠(yuǎn)程控制端單片機(jī)與 NT-TR01 模塊連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。 最后進(jìn)行了系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試，結(jié)果表明：系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)合理可行，為后續(xù)的研究工作奠定了基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞： 機(jī)器人，仿生學(xué)， 遙控 Abstract Robot is learning institutions, kinematics and control disciplines, such as the level of development of a comprehensive reflection of the current domestic and international hot topic of research. Wireless Remote crawling robot is the design of a robot, from the perspective of bionics, the physical structure and insect behavior is relatively easy to imitate, and we imitate it is a robot quadruped walking animals, the machine Bionic 4 is a walking robot, By precise control of the servo motor simulation quadruped walking gait of animals to achieve walking, running urgency, such as turning gait, and to the environment in a variety of ground under the gait of intelligent adjustment, adaptive smoothing the ground, rough ground, sand ground, Tani of the road surface and adverse environment. AT89S51 through the system, USB100 module, NT-TR01 wireless module and the corresponding auxiliary circuit of the intelligent control and wireless remote control. PC through the USB interface and end-NT-TR01 modules, remote control-MCU and NT-TR01 modules, the two-way transmission of data. Finally, the joint commissioning of the system, the results showed that: System hardware and software design reasonable and feasible for the follow-up research work laid the foundation. Key words: Robot, bionics, remote control 目錄 1 引言 （ 1） 1.1 機(jī)器人 的 發(fā)展 歷程 （ 6） 1.2 機(jī)器人的未來(lái)走向 （ 8） 1.3 研究機(jī)器人的意義 （ 9） 2 機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) （ 10） 2.1 項(xiàng)目研究 （ 10） 2.2肢體的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) （ 11） 2.2.1 微型伺服馬達(dá)的機(jī)構(gòu) （ 11） 2.2.2 爬行機(jī)器人的肢體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)流程 （ 13） 2.3軀體的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) （ 17） 3 步態(tài)分析及其實(shí)現(xiàn)原理 （ 20） 3.1 步態(tài)分析 （ 20） 3.2 步行原理 （ 21） 3.2.1 單足行為 （ 21） 3.2.2 四足協(xié)作 （ 22） 4 通信電路設(shè)計(jì) （ 24） 4.1 電源 選擇 （ 24） 4.2USB 模塊通信電路設(shè)計(jì) 以及其原理 （ 25） 4.2.1USB100 模塊 （ 26） 4.2.2AT85S51 單片機(jī) （ 27） 4.3 普通 COM 通信電路設(shè)計(jì) 以及其原理 （ 28） 4.3.1MAX232 電路轉(zhuǎn)換原理 （ 29） 5 技術(shù)及軟件 （ 30） 參考文獻(xiàn) （ 31） 附錄 （ 32） 致謝 （ 36） 武漢科技大學(xué)光機(jī)電專業(yè)畢業(yè)論文 第一章 引言 1 1 引言 1.1 機(jī)器人的發(fā)展歷程 20 世紀(jì) 20 年代，“機(jī)器人（ Robot） ” 作為專有名詞第一次出現(xiàn) 。 1920 年 ,捷克作家卡雷爾查陪克編寫(xiě)了一部幻想劇 :羅沙姆的萬(wàn)能機(jī)器人 。 劇中描寫(xiě) 了一家公司發(fā)明并制造了一大批能聽(tīng)命于人 ,能勞動(dòng)且形狀像人的機(jī)器 ,公司用這些機(jī)器從事各種日常勞動(dòng) ,甚至取代了各國(guó)工人的工作 ,后來(lái)的研究使這些機(jī)器有了感情 ,進(jìn)而導(dǎo)致它們發(fā)動(dòng)了反對(duì)主人的暴亂 。 這個(gè)小說(shuō)在 1924 年和 1927 年的時(shí)候被紛紛傳到了日本、法國(guó)和歐洲國(guó)家，還變成了一種當(dāng)時(shí)的木偶劇和一些話劇，所以這樣的一個(gè)機(jī)器人的名詞就向全世界鋪展開(kāi)來(lái)，當(dāng)時(shí)人們還認(rèn)為是一個(gè)科幻小說(shuō)，還沒(méi)有把它跟我們?nèi)粘５膶W(xué)習(xí)工作和生產(chǎn)結(jié)合起 來(lái) 。 但通過(guò)這樣一個(gè)小說(shuō)，一個(gè)羅伯特這樣一個(gè)名詞，它體現(xiàn)了人類長(zhǎng)期的一種愿望，這種愿望就是創(chuàng)造出一種機(jī)器，能夠代替人進(jìn)行各種工作。這種想法是機(jī)器人產(chǎn)生的一種客觀的要求，那么真正機(jī)器人的發(fā)展是在 1947 年，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在研究核燃料的時(shí)候，大家知道核燃料，它有 X射線對(duì)人體是有傷害 的，必須有一臺(tái)機(jī)器來(lái)完成像搬運(yùn)和核燃料的處理這樣的工作。在 1947 年產(chǎn)生了世界上第一臺(tái)主從遙控的機(jī)器人，那么 1947 年以后大家知道，是計(jì)算機(jī)電子技術(shù)發(fā)展比較迅速的時(shí)期，因此各國(guó)已經(jīng)開(kāi)始利用當(dāng)時(shí)的一些現(xiàn)代的技術(shù)，進(jìn)行了機(jī)器人研究。那么在 1962 年美國(guó)研制成功 PUMA 通用示教再現(xiàn)型機(jī)器人，那么這就標(biāo)志著機(jī)器人走向成熟，應(yīng)該說(shuō)第一臺(tái)可用的機(jī)器人在 1947 年產(chǎn)生，真正意義的機(jī)器人在 1962 年產(chǎn)生。那么相繼不久，在英國(guó)等國(guó)家，也相繼研究出一些機(jī)器人，那么到了 20 世紀(jì) 60 年代末，日本人將它的國(guó)民經(jīng)濟(jì)的汽車工業(yè)與機(jī)器人進(jìn) 行結(jié)合，它購(gòu)買了美國(guó)的專利，在日本進(jìn)行了再次開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)機(jī)器人。到 20 世紀(jì) 70 年代的時(shí)候，日本已經(jīng)將這種示教再現(xiàn)型的機(jī)器人進(jìn)行了工業(yè)化，出現(xiàn)了很多公司，現(xiàn)在的像 ABB， MOTOMAN，還有安川公司，還有很多機(jī)器人公司像 OTC 等等公司。它們都是已經(jīng)將機(jī)器人進(jìn)行了工業(yè)化，進(jìn)行了批量生產(chǎn)，而且成功的用于了汽車工業(yè)，使機(jī)器人正式的走向應(yīng)用。 武漢科技大學(xué)光機(jī)電專業(yè)畢業(yè)論文 第一章 引言 2 在 20 世紀(jì) 70 年代到 20 世紀(jì) 80 年代初期，工業(yè)機(jī)器人變成產(chǎn)品以后，得到全世界的普遍應(yīng)用以后，那么很多研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始研究第二代具有感知功能的機(jī)器人，出現(xiàn)了瑞典的 ABB公司，德國(guó)的 KUKA機(jī)器人公司，日本幾家公司和日本的 FUNAC公司，都在工業(yè)機(jī)器人方面都有很大的作為，同時(shí)我們也看到機(jī)器人的應(yīng)用在不斷拓寬，它已經(jīng)從工業(yè)上的一些應(yīng)用，擴(kuò)展到了服務(wù)行業(yè)，擴(kuò)展了它的作業(yè)空間，向海洋空間和服務(wù)醫(yī)療等等行業(yè)的使用。所以從這張圖可以看出機(jī)器人發(fā)展的幾個(gè)過(guò)程。 那么總結(jié)一下，我們認(rèn)為，機(jī)器人有三個(gè)發(fā)展階段，那么也就是說(shuō)，我們習(xí)慣于把機(jī)器人分成三類，一種是第一代機(jī)器人，那么也叫示教再現(xiàn)型機(jī)器人，它是通過(guò)一個(gè)計(jì)算機(jī)，來(lái)控制一個(gè)多自由度的一個(gè)機(jī)械，通過(guò)示教存儲(chǔ)程序和信息，工作時(shí)把信息讀取出來(lái)，然后發(fā) 出指令，這樣的話機(jī)器人可以重復(fù)的根據(jù)人當(dāng)時(shí)示教的結(jié)果，再現(xiàn)出這種動(dòng)作，比方說(shuō)汽車的點(diǎn)焊機(jī)器人，它只要把這個(gè)點(diǎn)焊的過(guò)程示教完以后，它總是重復(fù)這樣一種工作，它對(duì)于外界的環(huán)境沒(méi)有感知，這個(gè)力操作力的大小，這個(gè)工件存在不存在，焊的好與壞，它并不知道，那么實(shí)際上這種從第一代機(jī)器人，也就存在它這種缺陷，因此，在 20 世紀(jì) 70 年代后期，人們開(kāi)始研究第二代機(jī)器人，叫帶感覺(jué)的機(jī)器人，這種帶感覺(jué)的機(jī)器人是類似人在某種功能的感覺(jué)，比如說(shuō)力覺(jué)、觸覺(jué)、滑覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和人進(jìn)行相類比，有了各種各樣的感覺(jué)，比方說(shuō)在機(jī)器人抓一個(gè)物體的時(shí)候， 它實(shí)際上力的大小能感覺(jué)出來(lái)，它能夠通過(guò)視覺(jué)，能夠去感受和識(shí)別它的形狀、大小、顏色。抓一個(gè)雞蛋，它能通過(guò)一個(gè)觸覺(jué)，知道它的力的大小和滑動(dòng)的情況。 那么第三代機(jī)器人，也是我們機(jī)器人學(xué)中一個(gè)理想的所追求的最高級(jí)的階段，叫智能機(jī)器人，那么只要告訴它做什么，不用告訴它怎么去做，它就能完成運(yùn)動(dòng)，感知思維和人機(jī)通訊的這種功能和機(jī)能，那么這個(gè)目前的發(fā)展還是相對(duì)的只是在局部有這種智能的概念和含義，但真正完整意義的這種智能機(jī)器人實(shí)際上并沒(méi)有存在，而只是隨著我們不斷的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能的概念越來(lái)越豐富，它內(nèi)涵越來(lái)越寬。 在我國(guó) , 社會(huì)主義 制度 的優(yōu)越性決定了機(jī)器人能夠充分發(fā)揮其長(zhǎng)處。它不僅能為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來(lái)高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且將為我國(guó)的宇宙開(kāi)發(fā)、海洋開(kāi)發(fā)、核能利用等新興領(lǐng)域的發(fā)展做出卓越的貢獻(xiàn)。 武漢科技大學(xué)光機(jī)電專業(yè)畢業(yè)論文 第一章 引言 3 我國(guó)已在 “ 七五 ” 計(jì)劃中把機(jī)器人列人國(guó)家重點(diǎn)科研規(guī)劃內(nèi)容，撥巨款在沈陽(yáng)建立了全國(guó)第一個(gè)機(jī)器人研究示范工程，全面展開(kāi)了機(jī) 器人基礎(chǔ)理論與基礎(chǔ)元器件研究。十幾年來(lái)，相繼研制出示教再現(xiàn)型的搬運(yùn)、點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、裝配等門(mén)類齊全的工業(yè)機(jī)器人及水下作業(yè)、軍用和特種機(jī)器人。目前，示教再現(xiàn)型機(jī)器人技術(shù)已基本成熟，并在工廠中推廣應(yīng)用。我國(guó)自行生產(chǎn)的機(jī)器人噴漆流水線在長(zhǎng)春第一汽車廠及東風(fēng)汽車廠投入運(yùn)行。 1986 年 3 月開(kāi)始的國(guó)家 863 高科技發(fā)展規(guī)劃已列入研究、開(kāi)發(fā)智能機(jī)器人的內(nèi)容。就目前來(lái)看，我們應(yīng)從生產(chǎn)和應(yīng)用的角度出發(fā)，結(jié)合我國(guó)國(guó)情，加快生產(chǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的實(shí)用型機(jī)器人和某些特種機(jī)器人。 1 1.2 機(jī)器人 的 未來(lái)走向 據(jù)世界未來(lái)學(xué)預(yù)測(cè)： 年代更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，世界上將出現(xiàn)十大變化，其中一大變化是：智能機(jī)器人將大量出現(xiàn)，今后年內(nèi)，這種機(jī)器人將十分普及，雖然年代還不能普及，但技術(shù)上將有突破性進(jìn)展。因此，智能機(jī)器人已成為各國(guó)高技術(shù)發(fā)展的規(guī)劃的熱點(diǎn)。目前基于感覺(jué)控制的第二代機(jī)器人已進(jìn)入實(shí)用階段，預(yù)計(jì)本世紀(jì)未以前可望得到普及應(yīng)用。 目前工廠中使用的機(jī)器人，還是一種 “ 體力勞動(dòng) ” 的機(jī)器人，人們利用它可以建立柔性自動(dòng)化車間，生產(chǎn)了質(zhì)量上乘的工業(yè)品。在而未來(lái)十年內(nèi)，將出現(xiàn)一種 “ 腦力勞動(dòng) ” 的機(jī)器人，或稱 “ 專家系統(tǒng) ” ，這種機(jī)器人通過(guò)電腦工作，可以取代 一個(gè)或幾個(gè)專家在高科技領(lǐng)域中從事科研工作。伴隨著智能自動(dòng)化、微電子技術(shù)、可視圖像處理、信息技術(shù)及智能機(jī)器人發(fā)展的同時(shí)，以工廠自動(dòng)化（）、辦公室自動(dòng)化（）和家務(wù)自動(dòng)化（）為主線的革命及智能系統(tǒng)，正以新的姿態(tài)進(jìn)入高技術(shù)領(lǐng)域。人工智能與機(jī)器人的結(jié)合，將會(huì)給機(jī)器人 技術(shù)帶來(lái)革命性的變化。 被稱為 “ 機(jī)器人之父 ” 的公司的創(chuàng)始人喬 恩格伯杰認(rèn)為，未來(lái)使機(jī)器人振興的是服務(wù)行業(yè)，特別是與醫(yī)療有關(guān)的行業(yè)具有極大的發(fā)展?jié)摿?，日本也打算將機(jī)器人用于醫(yī)院、餐廳和家庭等各個(gè)領(lǐng)域。喬 恩格伯杰領(lǐng)導(dǎo)的公司正率先開(kāi)發(fā)藥劑師和醫(yī)院用的機(jī)器人。 武漢科技大學(xué)光機(jī)電專業(yè)畢業(yè)論文 第一章 引言 4 繼工業(yè)機(jī)器人發(fā)展高潮之后，國(guó)外也競(jìng)相研制軍用機(jī)器人。美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)和英國(guó)等先后裝備和研制成幾十種不同型號(hào)的軍用機(jī)器人，其中以美國(guó)為最多。年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，美國(guó)的安全爆炸物機(jī)器人就參加了 “ 沙漠風(fēng)暴 ” 作戰(zhàn)行動(dòng)；英國(guó)也分別向沙特阿拉伯和科威特政府出售了臺(tái)和臺(tái) “ 手推車 ” 地雷處理機(jī)器人，為海灣戰(zhàn)爭(zhēng)立下了汗馬功勞。美國(guó)陸軍部計(jì)劃年研制出用于前線修理車輪、排雷、運(yùn)送彈藥和糧食以及作為步兵向?qū)У能娪脵C(jī)器人。美國(guó)還計(jì)劃建立一支機(jī)器人艦隊(duì)，準(zhǔn)備 分三個(gè)階段逐步完善，最后實(shí)現(xiàn)無(wú)人指揮的全自動(dòng)艦艇、艦上的機(jī)器人可根據(jù)情況制訂作戰(zhàn)計(jì)劃，軍人機(jī)器人已展示了它在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中廣闊的應(yīng)用前景。 1.3 研究機(jī)器人的意義 為什么要 研究 機(jī)器人 呢 ?那么簡(jiǎn)單說(shuō)，有三個(gè)方面是我們必要去發(fā)展 機(jī)器人 的理由 :一個(gè)是機(jī)器人 可以干人類 不愿意干的事，把人從有毒的、有害的、高溫的或危險(xiǎn)的，這樣的環(huán)境中解放出來(lái)，同時(shí)機(jī)器人可以干不好干的活，比方說(shuō)在汽車生產(chǎn)線上我們看到工人天天拿著一百多公斤的焊鉗 ,一天焊幾千個(gè)點(diǎn)，就重復(fù)性的勞動(dòng)，一方面他很累，但是產(chǎn)品的質(zhì)量仍然很低；另一方面機(jī)器人干人干不了的活，這也是非常重要的機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)理由，比方說(shuō)人們對(duì)太空的認(rèn)識(shí)， 當(dāng) 人上不去的時(shí)候，叫機(jī)器人上天，上月球，以及到海洋，進(jìn)入到人體的小機(jī)器人，以及在微觀環(huán)境下，對(duì)原子分子進(jìn)行搬遷的機(jī)器人，都是人們不可達(dá)的工作。 所以說(shuō)研究機(jī)器人對(duì)人類的發(fā)展有重要作用。 武漢科技大學(xué)光機(jī)電專業(yè)畢業(yè)論文 第二章 機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 2 機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 項(xiàng)目研究 仿生機(jī)器人（ Humanoid Robot）是先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)的高級(jí)發(fā)展階段，它綜合體現(xiàn)了高級(jí)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)、現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論、信息檢測(cè)和感知、微電子學(xué)、控制理論等諸多方面的研究和發(fā)展水平，是一個(gè)復(fù)雜的綜合系統(tǒng)。 2圖 2-1 是我 本次論文研究 的機(jī)器人三維模擬圖。 圖 2-1 “ 無(wú)線遙控爬行機(jī)器人 ” 三維模擬圖 大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃（ Student Research Training Program-SRTP）是我校大力開(kāi)展本科教育改革，實(shí)施理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)、科學(xué)研究三位一體教學(xué)模式的重要組成部分，其目的是組織學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，通過(guò)自主進(jìn)行課題研究和探索。了解和掌握基本的科學(xué)研究方法和手段，培養(yǎng)大學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)和團(tuán)隊(duì)合作精神，提高大學(xué)生的研究創(chuàng)新能力和綜合實(shí)踐能力。 武漢科技大學(xué)光機(jī)電專業(yè)畢業(yè)論文 第二章 機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 6 “ 無(wú)線遙控 智能 爬行機(jī)器人 ” 正 是 武漢科技 大學(xué) 機(jī)械 項(xiàng)目之一，機(jī)器人的開(kāi)發(fā)是來(lái)源于學(xué)生的興趣 和 愛(ài)好，在指導(dǎo)老師的制導(dǎo)下完成機(jī)器人的開(kāi)發(fā)。 2.2 肢體的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.2.1微型伺服馬達(dá)的機(jī)構(gòu) 我們的機(jī)器人是由 8 個(gè)微型伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，整個(gè)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)也是以微型伺服馬達(dá)為基礎(chǔ)的，所以在介紹機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)前我想把微型伺服馬達(dá)的機(jī)構(gòu)及工作特性作一下介紹。 微型的伺服馬達(dá)在無(wú)線電業(yè)余愛(ài)好者的航?；顒?dòng)中使用已有很長(zhǎng)一段歷史，而且應(yīng)用最為廣泛，國(guó)內(nèi)亦稱之為 “ 舵機(jī) ” ，含義為： “ 掌舵人操縱的機(jī)器 ” 。可見(jiàn)，微型伺服馬達(dá)主要用作運(yùn)動(dòng)方向的控制部件。伺服馬達(dá)本質(zhì) 上是可定位的馬達(dá)。當(dāng)伺服馬達(dá)接受到一個(gè)位置指令，它就會(huì)運(yùn)動(dòng)到指定的位置。因此，個(gè)人機(jī)器人模型中也常用到它作為可控的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，這些活動(dòng)關(guān)節(jié)我們也常稱它為自由度 。 一個(gè)微型伺服馬達(dá)內(nèi)部包括 ： 一個(gè)小型直流馬達(dá)；一組變速齒輪組；一個(gè)反饋可調(diào)電位器；及一塊電子控制板。 1 如 圖 2-2 是我們所用微型伺服馬達(dá)的三維模擬圖 。 武漢科技大學(xué)光機(jī)電專業(yè)畢業(yè)論文 第二章 機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 圖 2-2 微型伺服馬達(dá)的三維模擬圖 其中 工作原理是：一個(gè)直流電機(jī)加上一個(gè)減速比為 180： 1 的減速器，同時(shí)使輸出轉(zhuǎn)矩增加 180 倍。即 高速轉(zhuǎn)動(dòng)的直流馬達(dá)提供了原始動(dòng)力，帶動(dòng)變速（減速）齒輪組，使之產(chǎn)生 高扭力的輸出，齒輪組的變速比愈大，伺服馬達(dá)的輸出扭力也愈大，也就是說(shuō)越能承受更大的重量，但轉(zhuǎn)動(dòng)的速度也愈低。我們正是依靠伺服馬達(dá)的兩個(gè)輸出轉(zhuǎn)矩作為驅(qū)動(dòng)的來(lái)源。 同時(shí)我們?cè)O(shè)置一個(gè)可調(diào)電位器可隨時(shí)檢測(cè)輸出軸的位置，所以控制板可以將輸出軸精確地轉(zhuǎn)至設(shè)置的位置并維持在該處。 2.2.2爬行機(jī)器人的肢體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)流程 我們的設(shè)計(jì)是從 4 足機(jī)器人的一個(gè)肢體開(kāi)始的，因?yàn)?4 個(gè)肢體的設(shè)計(jì)是非常相似的。為了能夠充分利用伺服馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩，我把馬達(dá)輸出的轉(zhuǎn)臂就作為機(jī)器人的肢體的組成部分，這樣就大大提高了輸出功率的利用率。想到四足動(dòng)物的步行狀態(tài)，即做上下擺動(dòng)和前后搖動(dòng)，我開(kāi)始把一個(gè)肢體的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如下： 武漢科技大學(xué)光機(jī)電專業(yè)畢業(yè)論文 第二章 機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 8 圖 2-3肢體的單電機(jī)機(jī)構(gòu) 我們通過(guò)下面電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)上面齒輪臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)圓住凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)并把它的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為上連桿的擺動(dòng)，再帶動(dòng)其它關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)。其結(jié)構(gòu)間圖下： 武漢科技大學(xué)光機(jī)電專業(yè)畢業(yè)論文 第二章 機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 圖 2-4 肢體的單電機(jī)運(yùn)動(dòng)間 圖 由于此機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)比較單一，而且在運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性上不易控制我們最后選取了雙電機(jī)機(jī)構(gòu)。通過(guò)上下兩個(gè)電機(jī)的獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)肢體關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣在機(jī)器人行走的過(guò)程中就可以比較協(xié)調(diào)，而且我們的機(jī)器人的自由度也將增加，具體的協(xié)調(diào)性分析及其行走的步態(tài)分析將在下面作詳細(xì)介紹。 圖 2-5 肢體的雙電機(jī)機(jī)構(gòu)及其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)間圖 這樣通過(guò)兩個(gè) 寬帶調(diào)頻 (PWM)信號(hào)分別控制上下兩個(gè)電機(jī)就可以比較輕松的實(shí)現(xiàn)一個(gè)肢體的 “ 抬高 ” 和 “ 邁進(jìn) ” 。 那么如何獲得最佳 PWM 呢 ?高頻的 PWM 信號(hào) 更不易使電機(jī)發(fā)生機(jī)械共振。低頻信號(hào)較容易產(chǎn)生共振 ,使電機(jī)振動(dòng)乃至“唱”（ 一種音頻域內(nèi)的低聲）。電機(jī)的特性將決定應(yīng)該使用多高的 PWM 頻率。如果電機(jī)繞組的電阻相對(duì)于其電感來(lái)說(shuō)較高，則在導(dǎo)通期間電機(jī)不會(huì)達(dá)到最大電流，從而電機(jī)的轉(zhuǎn)速也不會(huì)達(dá)到最快。大多數(shù)的電機(jī)對(duì)電感都沒(méi)有具體的說(shuō)明 ,所以 用戶不得不人為地假設(shè)。 武漢科技大學(xué)光機(jī)電專業(yè)畢業(yè)論文 第二章 機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 10 另一個(gè)限制 PWM 信號(hào)頻率的因素是所使用的硬件或軟件。事實(shí)上軟件通常是一個(gè)瓶頸。但作者建議 PWM 的頻率無(wú)論如何不應(yīng)該低于 1kHz，否則電機(jī)將發(fā)出很大的噪聲。在低頻段 ,當(dāng)占空比為 50%時(shí) ,電機(jī)極容易產(chǎn)生噪聲。而 較高的頻率段（ 8kHz 或更高）將避免這種情況。實(shí)際上 ,作者所測(cè)試的絕大多數(shù)小型直流電機(jī)在10 20kHz 的頻率段運(yùn)行時(shí) ,在聽(tīng)覺(jué)范圍內(nèi)感覺(jué)不到任何噪聲。 如果 能夠得到電機(jī)的詳細(xì)參數(shù) ,就可以通過(guò)計(jì)算求出被采用的電機(jī)所允許的最高 PWM 信號(hào)頻率 ,下面給出相應(yīng)的計(jì)算公式。在該計(jì)算公式中必須讓不等式的左邊項(xiàng)遠(yuǎn)大于右邊項(xiàng) ,比如說(shuō) 10 倍或以上。否則 ,電機(jī)電流將不足以達(dá)到峰值 ,輸出轉(zhuǎn)矩也不會(huì)達(dá)到最大。 2 fLR 式中 ,f 為頻率 ,L 為 電鈕 電感 ,R 為 電鈕 電阻。 式中 電鈕 電阻可由萬(wàn)用表測(cè)得。但是電感 L 如果沒(méi)有專門(mén)的電感測(cè)量?jī)x 器 ,就無(wú)法得知它的具體數(shù)值 ,除非這一參數(shù)被事先給定。 1 武漢科技大學(xué)光機(jī)電專業(yè)畢業(yè)論文 第二章 機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 圖 2-6 雙電機(jī) 含鏡向 機(jī)構(gòu) 通過(guò) 4個(gè)肢體的協(xié)調(diào)工作我們就可以控制機(jī)器人的行走（前進(jìn)，后退，轉(zhuǎn)身等）。另外，在我們的考慮到我們的機(jī)器人實(shí)際工作環(huán)境時(shí)，想到了如果它在行走的過(guò)程中翻身了怎么辦？所以在原有雙電機(jī)的機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上我們加以了改進(jìn)，那就是在原 來(lái)肢體上再加鏡向關(guān)節(jié)。 （如圖 2-6）這樣在機(jī)器人翻轉(zhuǎn) 180 度后依然可以利用上面的鏡向圖 2-6 肢體的雙電機(jī)含鏡向關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)行走。最后通過(guò)我們小組的 討論，圖 2-6的機(jī)構(gòu)在可行性上有一定限制（機(jī)器人在翻身后未必翻到 180度，這樣上關(guān)節(jié)就起不到），即無(wú)法充分可靠的利用鏡向關(guān)節(jié)最后我們放棄了這個(gè)方案。希望在以后的設(shè)計(jì)中能夠想到更好的方案。所以最后我們采用的還是圖 2-5的雙電機(jī)無(wú)鏡向關(guān)節(jié)的機(jī)構(gòu)。 2.3 肢體的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 軀體是連接四個(gè)肢體的關(guān)鍵部分，軀體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也顯得十分重要，我們從電機(jī)的結(jié)構(gòu)出發(fā)，結(jié)合實(shí)際四足動(dòng)物的形體特征，我們的軀體設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)階段： 武漢科技大學(xué)光機(jī)電專業(yè)畢業(yè)論文 第二章 機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 12 圖 2-7 軀體機(jī)構(gòu)的實(shí)際流程圖 圖 2-7 軀體機(jī)構(gòu)的三維圖 通過(guò)最后的軀體機(jī)構(gòu)我們就可以把四個(gè)雙電機(jī)肢體很好的連接在一起了，并且通過(guò)最后改進(jìn)的軀體梁結(jié)構(gòu)，我們可以讓機(jī)器人有充分的靈活性，這主要是 “ 中間軸 ” 和兩個(gè) “ 鉸鏈 ” 的作用。 武漢科技大學(xué)光機(jī)電專業(yè)畢業(yè)論文 第二章 機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 圖 2-7 整體機(jī)構(gòu)圖（主視） 最后把軀體和四個(gè)肢體通過(guò)螺釘緊固在一起，這樣機(jī)器人的整體機(jī)構(gòu)就組合好了， 然后通 過(guò)控制 8個(gè)伺 服 電機(jī)就可以讓它 “ 行動(dòng)自如 ” 了。 對(duì)于連接方式有五種：接線螺母、接線端子、錫焊、接頭、印制電路板接線端子。我們可以根據(jù)具體連接的情況選取不同的方式。 2.4 本章小結(jié) 本章主要闡述了機(jī)器人的組成單元以及各組成成分在機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中的作用，然后介紹了軀體的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)流程，并對(duì)控制系統(tǒng)信號(hào)的來(lái)源以及控制做了必要的 分析！ 設(shè)計(jì)的機(jī)器人是從仿生學(xué)的觀念出發(fā)，綜合機(jī)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)、現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念、信息檢測(cè)和感知、微電子學(xué)、控制理念等方面著手的！ 武漢科技大學(xué)光機(jī)電專業(yè)畢業(yè)論文 第三章 步態(tài)分析及其實(shí)現(xiàn)原理 14 3 步態(tài)分析及其實(shí)現(xiàn)原理 3.1 步態(tài)分析 觀察一下狗和貓的運(yùn)動(dòng)，也可以注意一下人類手腳爬行的樣子。注意四肢是如何連貫起來(lái)運(yùn)動(dòng)的。膝關(guān)節(jié)向前，而肘關(guān)節(jié)向后。這意味著機(jī)器人向前運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿?lái)自于后腿，前腿只是向前伸展著地。觀察四足動(dòng)物步態(tài)時(shí)要牢記這一點(diǎn)。四足動(dòng)物的行動(dòng)方式包括：爬、走、慢走、快步、慢跑、飛奔等。因此 根據(jù)我們對(duì) 節(jié)肢昆 蟲(chóng)的步行原理，建立起步行運(yùn)動(dòng)的模型，將昆蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，抽象 其 四足運(yùn)動(dòng)的基本原理，并制作出了一個(gè)理論驗(yàn)證模型，可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、避障等動(dòng)作。 下面 介紹一下如何能像四足動(dòng)物一樣快步行走。快步行走時(shí)，兩條腿支撐 地面，兩條腿騰空。成對(duì)角的兩條腿是一組，即左前腿和右后腿這一組離開(kāi)地面的同時(shí)，右前腿和左后腿這一組留在地面上。那么大腿和小腿之間是如何協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的呢？ DanMichaels 對(duì)哺乳動(dòng)物的行動(dòng)做了研究，認(rèn)為以下是快步行走的最佳方式。由于機(jī)器人沒(méi)有動(dòng)態(tài)平衡機(jī)能，因此抬腿不能太快，在斜線上不能允許出現(xiàn)太大的晃動(dòng)，否則就必須在機(jī)器人中使用大腳掌結(jié)構(gòu)的靜態(tài)平衡方法。 3 武漢科技大學(xué)光機(jī)電專業(yè)畢業(yè)論文 第三章 步態(tài)分析及其實(shí)現(xiàn)原理 15 3.2 步態(tài) 原理 3.2.1單足行動(dòng) 每一條腿有兩種狀態(tài)：向前走和向后走，對(duì)于每一個(gè)動(dòng)作狀態(tài)來(lái)講，分為兩步：邁腿和收腿。這兩步連續(xù)不斷的循環(huán)， 設(shè)其周期 為 T，邁腿的時(shí)間為收腿時(shí)間的 1/3，為整個(gè)周期的 1/4，這個(gè)動(dòng)作對(duì)于每條腿都是一樣的：每相鄰的兩個(gè)抬腿動(dòng)作之間的相位差為 1/4 周期，由此可得出機(jī)器人在行走式的四條腿之間的時(shí)序關(guān)系，如圖 3-1 所示 ： 圖 3-1 四條腿之間的時(shí)序關(guān)系 武漢科技大學(xué)光機(jī)電專業(yè)畢業(yè)論文 第三章 步態(tài)分析及其實(shí)現(xiàn)原理 16 3.2.2四足協(xié)作 機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的行走，必須保證每時(shí)刻都有三條腿著地，而另外一條腿用來(lái)行走。全部行走的奧秘在于當(dāng)一條腿抬起來(lái)時(shí)，其它三條腿是同時(shí)著地并且向后退的，這樣，機(jī)器人把抬起的腿向前邁一步再放 下，就走完了一步，之后輪流邁其它的腿，機(jī)器人就可以 圖 3-2 四條腿的空間三維模擬圖 連續(xù)向前走了。各種動(dòng)作順序如下（四條腿分別記為右后、右前、左后、左前，每條腿向前邁記為 “” ，向后邁腿記為 “” ）： 前進(jìn)：右后 右前 左后 左前 ； 后退：右后 右前 左后 左前 ； 左轉(zhuǎn)：右后 右前 左前 左后 ； 右轉(zhuǎn)：右前 右后 左后 左前 。 武漢科技大學(xué)光機(jī)電專業(yè)畢業(yè)論文 第三章 步態(tài)分析及其實(shí)現(xiàn)原理 17 各條腿動(dòng)作的時(shí)序關(guān)系如圖 3-1 所示。選擇不 同的動(dòng)作順序則可以實(shí)現(xiàn)不同的行走方式。 那么如何協(xié)調(diào)腿之間的運(yùn)動(dòng)呢？如果機(jī)器人（或者以這種方式運(yùn)動(dòng)的動(dòng)物）的身體很短，在后腿尚未完成它的發(fā)力過(guò)程，兩條腿就會(huì)相撞。如果想讓機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)看起來(lái)更優(yōu)美，也需要考慮這個(gè)問(wèn)題。以下是四足步行機(jī)器人的步行過(guò)程 ，前提是機(jī)器人的一組腿已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)了： （ 1） 按要求的前行速度移動(dòng)機(jī)器人處于對(duì)角的一組腿，控制大腿和小腿張開(kāi)的角度。一組中的兩條腿運(yùn)動(dòng)時(shí)必須保持同步。 （ 2） 同時(shí)，調(diào)節(jié)處于對(duì)角的另一組腿的小腿的角度，使之?dāng)[脫地面的約束，并擺動(dòng)到下一次前行的發(fā)力點(diǎn)，為邁出下一步做好準(zhǔn)備。 （ 3） 一旦第 1 步中的一組腿到達(dá)推進(jìn)過(guò)程的結(jié)束點(diǎn)，將 第 2 步的一組腿的小腿伸開(kāi)。 （ 4） 調(diào)節(jié)兩組腿的角色，回到第 1步，開(kāi)始下一次循環(huán)。 顯然，為了順利地移動(dòng)，對(duì)機(jī)器人小腿彎曲的 瞬間時(shí)刻和腿的移動(dòng)速度進(jìn)行調(diào)整是必要的。大腿和小腿間的夾角不同，機(jī)器人表現(xiàn)出來(lái)的心情可能也不一樣。角度很大，機(jī)器人看起來(lái)隱秘而小心；角度垂直時(shí)顯得很開(kāi)心。當(dāng)然，這是身體語(yǔ)言的范圍，但使機(jī)器人看起來(lái)更有生命力，這不正是我們的目的嗎？ 如果步行機(jī)器人有長(zhǎng)長(zhǎng)的腿，它在不平整的地面、斜坡或者其他 障礙路面（當(dāng)然應(yīng)該是機(jī)器人能夠跨得過(guò)去的）前進(jìn)時(shí)的控制性能相對(duì)比較良好。 1 武漢科技大學(xué)光機(jī)電專業(yè)畢業(yè)論文 第三章 步態(tài)分析及其實(shí)現(xiàn)原理 18 3.3 本章小結(jié) 通過(guò)上章對(duì) 機(jī)器人的系統(tǒng)分析，本章主要著手分析機(jī)器人的運(yùn)行原理！ 通過(guò)深入分析我們發(fā)現(xiàn) 機(jī)器人向前運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿?lái)自于后腿，前腿只是向前伸展著地。 并且為了實(shí)現(xiàn) 機(jī)器人的 正常 行走，必須保證每時(shí)刻都有三條腿著地，而另外一條腿用來(lái)行走 。因此我 先從單足行動(dòng)著手，分析它的運(yùn)行規(guī)律，然后在分析了四足協(xié)作下的運(yùn)行狀態(tài)！武漢科技大學(xué)光機(jī)電專業(yè)畢業(yè)論文 第四章 通信電路設(shè)計(jì) 19 4 通信電路設(shè)計(jì) 4.1 電源 選擇 因?yàn)楸?次設(shè)計(jì)的機(jī)器人是一個(gè)小型機(jī)器人，因此我們采用單塊電池為電機(jī)和控制器同時(shí)供電。小機(jī)器人不需要大電流的電機(jī)，從而無(wú)須使用高電壓值的電池組。比如說(shuō)，迷你相撲機(jī)器人的空間有限，甚至重量也受到相 應(yīng)的限制，在這樣的情況下，機(jī)器人只能隨車攜帶必要的部件包括電池。單電池供電方式考慮的因素如下： （ 1）小型機(jī)器人在使用的電機(jī)，其額定電壓通常小于 12V（一般為 6 10V）。這一電壓范圍一般都在較便宜的電壓轉(zhuǎn)換器件的 有效輸入電壓范圍之內(nèi)。 （ 2）電機(jī)的額定電流一般低于 2 3A，一般可采用 L298 或有類似電流限制的器件。使用這種器件不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的電壓驟降。 （ 3）允許機(jī)器人隨機(jī)攜帶部件的空間或重量都受到限制。 任何額定電流在 100mA 或者超過(guò)該電流數(shù)值的電機(jī)，都要求使用鎳鎘或鎳氫電池供電。堿性電池不適合，因?yàn)樗?的內(nèi)阻很大，帶載后端電壓會(huì)大大下降。 電源總線的噪聲處理：直流電機(jī)，甚至集成驅(qū)動(dòng)芯片或其他數(shù)字邏輯器件，都會(huì)在電源總線上產(chǎn)生噪聲。對(duì)此通常采用旁路電容來(lái)吸收瞬時(shí)脈動(dòng)。通常的做法是把 0.1 微法的陶瓷電容零散地放置在電路板上，而且往往布置在像電機(jī)驅(qū)動(dòng)器這類容易產(chǎn)生噪聲的芯片附近。同時(shí)地，因?yàn)殡姍C(jī)驅(qū)動(dòng)電路中的過(guò)沖電流會(huì)頻繁地流經(jīng)電源總線，所以應(yīng)當(dāng)在其附近放置較大的電容去吸收其多余的電能。通常芯片制造商 會(huì)推薦這種電解電容的取值，一般它們?cè)?47 470 微法之間。旁路或者防浪涌電容在電路設(shè)計(jì)中也是非常必要的。我們會(huì)發(fā)現(xiàn) ，所有的電路設(shè)計(jì)對(duì)這方面的問(wèn)題都有所考慮。 3 武漢科技大學(xué)光機(jī)電專業(yè)畢業(yè)論文 第四章 通信電路設(shè)計(jì) 20 4.2USB 模塊通信電路設(shè)計(jì)以及其原理 計(jì)算機(jī)的輸入 /輸出接口有三種標(biāo)準(zhǔn)方式可以采用：緩沖接口、隔離接口、串行接口。但我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)采集的是 PWM 信號(hào)， 因此我們采用串行接口。且采用串行接口中的異步串行接口。它是一個(gè)雙線接口：一根發(fā)送數(shù)據(jù)，而另一根接受數(shù)據(jù)。如果微控制器只發(fā)送數(shù)據(jù)，那么則僅需要一根 I/O 線。“握手”的兩端需要一致的傳輸速度，否則它們將無(wú)法通信。這是 PC 機(jī)和機(jī)器人之間經(jīng)常采用的一種傳輸接口。一根單一的 I/O 線被多次用于傳輸和接收數(shù)據(jù)，可以節(jié)省一根 數(shù)據(jù)傳輸線，代價(jià)是無(wú)法同時(shí)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。 4 故可以把 該部分系統(tǒng)主要由 USB 接口插頭、 USB100 模塊、高性能單片機(jī)、NT-TR01 高速率雙向數(shù)據(jù)傳輸模塊組成， 下 圖是系統(tǒng)電路圖。 5 圖 4-1 系統(tǒng)電路圖 武漢科技大學(xué)光機(jī)電專業(yè)畢業(yè)論文 第四章 通信電路設(shè)計(jì) 21 4.2.1USB100模塊 USB100 模塊是基 于 ASIC 設(shè)計(jì)的，完全兼容 USB1.1 標(biāo)準(zhǔn)，最高速率 8Mbps，八位單片機(jī)并行接口。 主要引腳及功能 VCC +5V 輸出，提供給外部 MCU 使用，最大 400mA USBVCC USB 接口的電源腳 D+ USB 數(shù)據(jù)線 D- USB 數(shù)據(jù)線 RXF 高表示模塊沒(méi)有數(shù)據(jù)輸出；低表示模塊有數(shù)據(jù)輸出，可以讀數(shù)據(jù) TXE 高表示模塊發(fā)送緩沖區(qū)已滿；低表示發(fā)送緩沖區(qū)為空，可以發(fā)送數(shù)據(jù) WR 將八位并行總線上的數(shù)據(jù)鎖存入內(nèi)部緩沖區(qū) RD 允許內(nèi)部接受緩沖區(qū)數(shù)據(jù)通過(guò)八位并行總線讀出 D0-D7 雙向數(shù)據(jù)總線 4 4.2.2AT89S51單片機(jī) AT89S51 是一個(gè)低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫(xiě) 1000 次的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS-51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲(chǔ)單元，武漢科技大學(xué)光機(jī)電專業(yè)畢業(yè)論文 第四章 通信電路設(shè)計(jì) 22 功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的 AT89S51 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。 AT89S51 具有如下特點(diǎn)： 40 個(gè)引腳， 4k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器， 128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）， 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口， 5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí) 2 層中斷嵌套中斷， 2個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器 ,2 個(gè)全雙工串行通信口，看門(mén)狗（ WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。 此外， AT89S51 設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為 0Hz 并可通過(guò)軟件設(shè)置省電模式。空閑模式下， CPU 暫停工作，而 RAM 定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存 RAM 的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時(shí)該芯片還具有 PDIP、 TQFP 和 PLCC 等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。 6 4.3 普通 COM 通信電路設(shè)計(jì)以及其原理 圖 4-2RS232 武漢科技大學(xué)光機(jī)電專業(yè)畢業(yè)論文 第四章 通信電路設(shè)計(jì) 23 RS-232 是 PC 機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。 RS-232 被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。 RS-232 采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。 Max232 產(chǎn)品是由德州儀器公司（ TI）推出的一款兼容 RS232 標(biāo)準(zhǔn)的芯片。該器件包含 2驅(qū)動(dòng)器、 2接收器和一個(gè)電壓發(fā)生器電路提供 TIA/EIA-232-F電平。 該器件符合 TIA/EIA-232-F標(biāo)準(zhǔn)，每一個(gè)接收器將 TIA/EIA-232-F電平轉(zhuǎn)換成 5-V TTL/CMOS 電平。每一個(gè)發(fā)送器將 TTL/CMOS 電平轉(zhuǎn)換成 TIA/EIA-232-F 電平。 7 1-C1+ 2-VS+ 3-CI- 4-C2+ 5-C2- 6-VS- 7-T2OUT 8-R2IN 9-R2OUT 10-T2IN 11-T1IN 12-R1OUT 13-R1IN 14-T1OUT 4.3.1MAX232電路轉(zhuǎn)換原理 RS232 傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的電平是：正邏輯是 +7v+15v,負(fù)邏輯是 -7v-15v。 通過(guò) MAX232 芯片外接的四個(gè)電容，把輸入的 0 5V信號(hào)改變到 -15V +15V，通過(guò)串口線發(fā)送出去。 2 武漢科技大學(xué)光機(jī)電專業(yè)畢業(yè)論文 第四章 通信電路設(shè)計(jì) 24 4.4 本章小結(jié) 通過(guò)上章對(duì)機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)的分析，本章主要著手分析機(jī)器人的控制系統(tǒng)電路！先是考慮到電源的選擇，然后通過(guò)分析了內(nèi)部控制體系做出了系統(tǒng)的電路圖！最后對(duì)個(gè)元件進(jìn)行系統(tǒng)的分析！ 武漢科 技大學(xué)光機(jī)電專業(yè)畢業(yè)論文 第五章 技術(shù)及軟件 25 5 技術(shù)及軟件 SUPERICES （ G3000 愛(ài)思仿真開(kāi)發(fā)系統(tǒng)）：初期程序調(diào)試。 AutoCAD、 SOLIDWORKS： 零件圖，裝配圖，三維圖的繪制。 C 語(yǔ)言 、 KEIL C51：程序的編寫(xiě)。 PROTEL：電路圖的設(shè)計(jì)繪制。 SUPERPRO/280、 EASY 51PRO：程序的燒制。 武漢科技大學(xué)光機(jī)電專業(yè)畢業(yè)論文 參考文獻(xiàn) 26 參考文獻(xiàn) 1 宗光華，張慧慧 .機(jī)器人設(shè)計(jì)與控制 .科學(xué)出版社 2 王耀南 .機(jī)器人職能控制工程 .科學(xué)出版社 3Jorge Angeles,宋偉剛 .機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)原理理論 .機(jī)械工業(yè)出版社 4 張弘 . USB 接口設(shè)計(jì) .西安電子科技大學(xué)出版社 5 苗明川 . 數(shù)字電子 技術(shù) 基礎(chǔ) .高等教育出版社 6 程光東，趙性初 .單片機(jī)原理及應(yīng)用 .華中科技大學(xué)出版社 7 劉振海 .單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編 .高等教育出版社 武漢科技大學(xué)光機(jī)電專業(yè)畢業(yè)論文 附錄 27 附錄 7.1 肢體的雙電機(jī)機(jī)構(gòu)及其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)間圖 圖 1 武漢科技大學(xué)光機(jī)電專業(yè)畢業(yè)論文 附錄 28 7.2 雙電機(jī) 含鏡向 機(jī)構(gòu) 圖 圖 2 武漢科技大學(xué)光機(jī)電專業(yè)畢業(yè)論文 附錄 29 附錄 8.1 USB 模塊電氣特性 名稱 功能 最小 最大 單位 測(cè)試條件 VCC Operating Supply Voltage 4.4 5.25 V Icc1 Operating Supply Current 50 mA Normal Operation Icc2 Operating Supply Current 250 uA USB Suspend Ioh1 Digital Io Pins Source Current 4 mA Voh=VCC-0.5v Ioh2 Digital Io Pins Sink Current 4 mA Vol=+0.5v Voh1 Input Voltage Threshold(Low) 0.6 v Vol1 Input Voltage Threshold(High) 2.7 v Vdif USB Differential Input Sensitivity 0.2 v Vcom USB Differential Common Mode 0.8 2.5 v Urxt USB Single Ended Rx Threshold 0.3 v Rl=1.5k to 3.6v Uvh USB IO Pins Static 2.8 v Rl=15k to 36v 武漢科技大學(xué)光機(jī)電專業(yè)畢業(yè)論文 附錄 30 Output(Low) 圖 1 8.2 NT-TR01 電氣特性 信道頻率 433.92/434.33MHz 調(diào)制方式 FSK 頻偏 15KHz 數(shù)據(jù)傳輸速率 20Kbit/s 最大傳輸功率 +10dBm 接受靈敏度 -105dBm(50 ) 工作電壓 2.7 5.25V 接受電流 250uA 發(fā)射電流 8 30mA 待機(jī)電流 8uA 體積（ mm） 31*27*5(L) 圖 2 NT-TR01F 是采用歐洲先進(jìn)的 RF 集成電路設(shè)計(jì)而成的雙向高頻收發(fā)模塊，工作在 433.92/434.33MHz ISM（ Industrial, Scientific and Medical）頻段，它采用 FSK 調(diào)制解調(diào)技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)，發(fā)射功率最大可達(dá) 10