蛇形機(jī)器人說明書

1、.葉片輪式蛇形機(jī)器人第一章 前言蛇，屬爬行綱，蛇亞目，脊椎動(dòng)物，大部分是陸生，也有半樹棲、半水棲和水棲的。蛇的行走千姿百態(tài)，或直線行走或彎蜒曲折而前進(jìn)，這是由蛇的結(jié)構(gòu)所決定的：蛇全身分頭、軀干及尾三部分，蛇沒有四肢，全身被鱗片遮蓋。 蛇的運(yùn)動(dòng)方式：一、彎蜒運(yùn)動(dòng)：爬行時(shí)，蛇體在地面上作水平波狀彎曲，使彎曲處的后邊施力于粗糙的地面，由地面的反作用力推動(dòng)蛇體前進(jìn)；二、履帶式運(yùn)動(dòng)：蛇沒有胸骨，它的肋骨可以前后自由移動(dòng)，肋骨與腹鱗之間有肋皮肌相連。當(dāng)肋皮肌收縮時(shí)，肋骨便向前移動(dòng)，帶動(dòng)寬大的腹鱗依次豎立而稍稍翹起，翹起的腹鱗就像踩著地面，但這時(shí)只是腹鱗動(dòng)而蛇身沒有動(dòng)，接著肋皮肌放松，腹鱗的后緣施力于粗糙的

2、地面，靠反作用把蛇體推向前方，這種運(yùn)動(dòng)方式產(chǎn)生的效果是使蛇身直線向前爬行，就像坦克；三、伸縮運(yùn)動(dòng)：蛇身前部抬起盡力前伸，接觸到支持的物體時(shí)，蛇身后部即跟著縮向前去，然后再抬起身體前部向前伸得到支持物，后部再縮向前去，這樣交替伸縮，蛇就能不斷地向前爬行，在受到驚動(dòng)時(shí)，蛇身會(huì)很快地連續(xù)伸縮，加快爬行的速度，給人以跳躍的感覺。蛇由于自身形狀和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)使其適于在狹小空間和狹長(zhǎng)管道以及各種地面(如硬地、沙地、軟土等)上運(yùn)動(dòng)，蛇的多種運(yùn)動(dòng)形式及生理特點(diǎn)使它適應(yīng)廣泛的地理和自然環(huán)境。1.1 研究蛇形機(jī)器人的背景和意義2000年以來，仿生機(jī)器人學(xué)正在機(jī)器人領(lǐng)域占有越來越重要的位置。蛇形機(jī)器人是一種模仿蛇的運(yùn)動(dòng)

3、機(jī)理和行為方式研制出的機(jī)器人，是近年來興起的仿生機(jī)器人的一個(gè)新的分支。蛇形機(jī)器人區(qū)別于傳統(tǒng)的利用輪、腿或履帶移動(dòng)的機(jī)器人。它模仿蛇的動(dòng)作,穩(wěn)定性好、橫截面小、高柔性，這些特點(diǎn)使得蛇形機(jī)器人能夠進(jìn)入因地震或火災(zāi)等災(zāi)害而倒塌的建筑物內(nèi)部、原子反應(yīng)堆和石油化工等領(lǐng)域的裝置內(nèi)部以及其他人們不能涉足的危險(xiǎn)場(chǎng)所執(zhí)行搜尋和檢測(cè)維護(hù)任務(wù)，不僅使人更安全,也使探測(cè)、救援或維護(hù)更有效。其模塊化結(jié)構(gòu)和高冗余度非常適應(yīng)于條件非常惡劣而又要求高可靠性的戰(zhàn)場(chǎng)、外層空間等環(huán)境，可用于戰(zhàn)場(chǎng)上的掃雷、爆破，空間站的柔性機(jī)械手臂，通過能力很強(qiáng)的行星地表探測(cè)器等。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著人們對(duì)蛇形機(jī)器人的認(rèn)識(shí)，世界各國(guó)都開展了蛇形

4、機(jī)器人的研究并研制出多樣機(jī)。日本的Hirose教授對(duì)蛇的運(yùn)動(dòng)形式有較深的研究，研制出了第一臺(tái)蛇形機(jī)器人。他領(lǐng)導(dǎo)的Hirose Fukushima Lab 實(shí)驗(yàn)室研制開發(fā)的水中蛇形機(jī)器人，能夠在水下以蛇形方式自由地游泳，和真蛇相比，動(dòng)作惟妙惟肖，見圖1-1；他們研制的另一種蛇形機(jī)器人長(zhǎng)1.2米，由3節(jié)組成，用6個(gè)履帶爬行，可以遠(yuǎn)程遙控，操作者可根據(jù)機(jī)器人捕捉到的畫面反映的具體情況發(fā)出指令，讓機(jī)器人停止、前進(jìn)和改變方向，見圖1-2。 圖1-1 日本水中蛇形機(jī)器人 圖1-2日本救援蛇形機(jī)器人美國(guó)宇航局于1999年開始研究多關(guān)節(jié)的蛇形機(jī)器人，計(jì)劃在其太空計(jì)劃中用于行星地表探測(cè)以及空間站維護(hù)工作，其第三

5、代蛇形機(jī)器人如圖1-3所示，它的主體部分由約30個(gè)相同的類似于鉸鏈的模塊一起鏈接而成。這些模塊由一個(gè)“中心脊骨”連接在一起，共同實(shí)現(xiàn)不同的功能。該機(jī)器人能完成蠕動(dòng)前進(jìn).游動(dòng)前進(jìn).翻越簡(jiǎn)單障礙物等功能。它們還可以盤繞和翻轉(zhuǎn)以爬上和翻越障礙物。蛇形機(jī)器人的框架由聚碳酸酯材料制成，表面覆蓋一層人工皮以防止火星環(huán)境的侵害。德國(guó)人Gavin.H從約1997年開始從事蛇形機(jī)器人的研究工作，到目前為止共設(shè)計(jì)并制作了S1S7七代蛇形機(jī)器人，圖1-4為S5，圖1-5為S7。S5已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平，特點(diǎn)是：各個(gè)關(guān)節(jié)形狀尺寸不同，高度模擬生物蛇；但為二維結(jié)構(gòu)，無法完成三維空間運(yùn)動(dòng)；依靠從動(dòng)輪而不是摩擦運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速

6、度很高。 圖1-3 美國(guó)宇航局的SnakeBot 圖1-4 德國(guó)Gavin.H S5 圖1-5 德國(guó)Gavin.H S7 挪威SINTEF研究基金會(huì)的波爾利爾杰貝克等人日前研制成功了一種形似蟒蛇的消防機(jī)器人。這種被稱為“安娜康達(dá)”的蛇形機(jī)器人長(zhǎng)度為3米，重量約70公斤，見圖1-6。它可以與標(biāo)準(zhǔn)的消防水帶相接并牽著它們進(jìn)入消防隊(duì)員無法到達(dá)的區(qū)域進(jìn)行滅火?！鞍材瓤颠_(dá)”的行動(dòng)非常靈活，可以非常迅速地穿過倒塌的墻壁，代替消防員進(jìn)入高溫和充滿有毒氣體的危險(xiǎn)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)。該機(jī)器人的能量供給方式也非常奇特，它能夠直接從消防水帶中獲取前進(jìn)的動(dòng)力?！鞍材瓤颠_(dá)”全身共安裝有20個(gè)靠水驅(qū)動(dòng)的液壓傳動(dòng)裝置，由于每一個(gè)傳動(dòng)

7、裝置的開關(guān)都由計(jì)算機(jī)進(jìn)行精確控制，使得機(jī)器人能夠像蛇一樣靈活的移動(dòng)。近年來，國(guó)內(nèi)也開展了對(duì)蛇形機(jī)器人的研究工作。國(guó)防科大的Robosnake是國(guó)內(nèi)最早報(bào)道的蛇形機(jī)器人，最初為二維結(jié)構(gòu)，依靠從動(dòng)輪前進(jìn)，長(zhǎng)約1.5米，重約3Kg。目前發(fā)展為三維結(jié)構(gòu)，見圖1-7。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化所開發(fā)出了一種實(shí)現(xiàn)三維空間運(yùn)動(dòng)的蛇形機(jī)器人，采用正交串聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以完成蠕動(dòng)前進(jìn)、游動(dòng)前進(jìn)、滾轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)，見圖1-8。 圖1-6 挪威“安娜康達(dá)” 圖1-7 國(guó)防科大RoboSnake 圖1-8 中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所蛇形機(jī)器人1.3 設(shè)計(jì)目的設(shè)計(jì)一種具有新型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的蛇形機(jī)器人，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠提供超越目前大多數(shù)蛇形機(jī)器人的越障

8、能力能越過自身高度3倍以上的障礙物；運(yùn)動(dòng)速度快，結(jié)構(gòu)、控制簡(jiǎn)單；能夠進(jìn)入狹小空間執(zhí)行任務(wù)，攀爬樓梯，在崎嶇的路面運(yùn)行；有較強(qiáng)的負(fù)重能力，能夠搭載各種傳感器，用于搜救、偵察、反恐、進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域探測(cè)等。第二章 總體方案設(shè)計(jì)2.1 方案選擇蛇形機(jī)器人已出現(xiàn)了多種結(jié)構(gòu)形式，并實(shí)現(xiàn)了多種運(yùn)動(dòng)模式。蛇形機(jī)器人都是由多節(jié)組成，一般每個(gè)關(guān)節(jié)由兩個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，關(guān)節(jié)能夠上下、左右運(yùn)動(dòng)。按照結(jié)構(gòu)形式的不同，蛇形機(jī)器人可以分為兩類：一、由剛性桿組成的鏈狀結(jié)構(gòu)。目前此類蛇形機(jī)器人的代表機(jī)構(gòu)有柔性關(guān)節(jié)單元蛇形機(jī)構(gòu)及二自由度模塊組成的蛇形機(jī)器人機(jī)構(gòu)，見圖2-1。這類蛇形機(jī)器人利用關(guān)節(jié)來產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，運(yùn)動(dòng)時(shí)多個(gè)關(guān)節(jié)舵機(jī)由處理器控

9、制，協(xié)調(diào)動(dòng)作形成仿蛇的曲線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生前進(jìn)的動(dòng)力，這種結(jié)構(gòu)在平地能夠達(dá)到較好的運(yùn)動(dòng)效果，但是在復(fù)雜地面（如亂石堆等）卻不能有效的前進(jìn)，原因在于這種結(jié)構(gòu)的蛇形機(jī)器人身體必須不斷扭動(dòng)才能產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，身體擺動(dòng)幅度大，當(dāng)身體周圍空間有障礙物限制其扭動(dòng)時(shí)，便不能產(chǎn)生足夠的驅(qū)動(dòng)力使自身前進(jìn)。所以適合在平坦的地面運(yùn)動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)翻滾動(dòng)作、卷住柱狀物蜿蜒而上、穿上外衣能在水中游泳等，缺點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)適應(yīng)自然環(huán)境的能力不強(qiáng)且控制復(fù)雜，不適合在凹凸不平的自然環(huán)境中工作。二、帶有輪子或者履帶的模塊串連，運(yùn)動(dòng)直接由輪子、履帶驅(qū)動(dòng)或蛇體內(nèi)的行波傳播產(chǎn)生。目前此類蛇形機(jī)器人的代表機(jī)構(gòu)有主動(dòng)索狀機(jī)構(gòu)和變幾何桁架結(jié)構(gòu)，見圖2-2。 圖2-

10、1 鏈狀蛇形機(jī)器人 圖2-2 輪狀蛇形機(jī)器人由于生物蛇鱗片和關(guān)節(jié)的數(shù)目相當(dāng)龐大，蛇類生物可以近似看作是一種“沒有關(guān)節(jié)、柔性的”運(yùn)動(dòng)體。英國(guó)Heriot-Watt大學(xué)的G.Robinson和J.B.C.Davies基于生物蛇高度靈活性和機(jī)動(dòng)性，進(jìn)一步提出了連續(xù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)思想，并通過不同形式和結(jié)構(gòu)的液壓驅(qū)動(dòng)“人工筋”研制出不包含剛性聯(lián)接和扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的機(jī)器蛇系統(tǒng)，該系統(tǒng)有較好的環(huán)境適應(yīng)性，但也帶來了體態(tài)控制困難、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和難以微型化的問題。在現(xiàn)階段，要實(shí)現(xiàn)完全仿蛇運(yùn)動(dòng)的第一類蛇形機(jī)器人存在運(yùn)動(dòng)不能適應(yīng)自然環(huán)境和控制困難等問題。蛇之所以沒有足也能運(yùn)動(dòng)，是因?yàn)樗钠つw和地面產(chǎn)生了摩擦力，推動(dòng)自身前進(jìn)，所

11、以只要能和地面產(chǎn)生推動(dòng)自身的摩擦力就行，不一定非要模仿蛇的運(yùn)動(dòng)方式，要模仿的最主要的是蛇的身體姿態(tài)變化能力。綜合以上因素考慮，決定選擇第二類蛇形機(jī)器人進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。2.2具體的設(shè)計(jì)方案為了達(dá)到設(shè)計(jì)目的，基本思路是設(shè)計(jì)一種由輪子演化出來的葉片輪，葉片輪將路面凸起或者小的障礙物卡在兩葉片之間，產(chǎn)生很大的摩擦力驅(qū)動(dòng)蛇形機(jī)器人前進(jìn)，越障能力能夠大大提高。蛇形機(jī)器人設(shè)計(jì)為5節(jié)，共有4個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)有兩個(gè)舵機(jī)，通過控制關(guān)節(jié)處的舵機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)蛇形機(jī)器人姿態(tài)的改變，一個(gè)舵機(jī)控制關(guān)節(jié)的上下運(yùn)動(dòng)，一個(gè)舵機(jī)控制關(guān)節(jié)的左右運(yùn)動(dòng)，在關(guān)節(jié)處還設(shè)計(jì)了一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，每個(gè)關(guān)節(jié)有三個(gè)自由度。蛇形機(jī)器人的控制采用人為遙控的方式。為了

12、讓蛇形機(jī)器人能夠脫離遙控者視線范圍執(zhí)行任務(wù)，在其頭部搭載的無線攝像頭能夠?qū)⒆陨碇車h(huán)境的圖像實(shí)時(shí)傳送到控制一方的顯示器上，控制者通過圖像控制遙控器，遙控器將控制信號(hào)通過無線方式傳送給遙控接收器，遙控接收器將控制信號(hào)傳給主控單片機(jī)解碼，再控制電機(jī)、舵機(jī)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的遙控控制。流程圖如2-3所示。圖2-3 蛇形機(jī)器人工作流程圖第三章 機(jī)械部分3.1主要技術(shù)指標(biāo) 綜合實(shí)際應(yīng)用情況、零件材料情況和現(xiàn)有蛇形機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)，確定初步的主要技術(shù)指標(biāo)，見表3-1。表3-1 主要技術(shù)指標(biāo)項(xiàng)目長(zhǎng)/mm寬/mm高/mm凈重/kg最大速度m/s續(xù)航時(shí)間/h平均功耗/w數(shù)據(jù)500707010.201小時(shí)

13、10采用微型直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)葉片輪，每節(jié)機(jī)身兩個(gè)直流減速電機(jī)，體積為25mm12mm10mm。電壓=8V時(shí)，負(fù)載電流=80mA，負(fù)載速度，扭矩1kg/cm，質(zhì)量5g。關(guān)節(jié)舵機(jī)采用MS533，體積為23mm12mm30mm。電壓=5V時(shí)，扭矩1.8kg/cm，負(fù)載電流=100mA，質(zhì)量9g。設(shè)葉片輪直徑R=70m m，則蛇形機(jī)器人最大運(yùn)動(dòng)速度： （式3.1）共有10個(gè)直流減速電機(jī)和8個(gè)舵機(jī)，最大功率為： （式3.2）由于直流減速電機(jī)和舵機(jī)不可能全部同時(shí)工作，所以平均功耗約為10W。3.2葉片輪設(shè)計(jì)為確保蛇形機(jī)器人上下兩面都不接觸到地面，兩面都能行走，設(shè)計(jì)葉片輪直徑為70mm，安裝在4mm高的機(jī)身

14、上。根據(jù)直流減速電機(jī)和舵機(jī)的體積參數(shù)，確定機(jī)身的長(zhǎng)寬高為90mm55mm15mm。葉片輪三維設(shè)計(jì)圖如圖3-1所示，機(jī)身三維設(shè)計(jì)圖如圖3-2所示。 圖3-1 葉片輪三維設(shè)計(jì)圖 圖3-2機(jī)身三維設(shè)計(jì)圖3.3葉片輪的材料和結(jié)構(gòu)葉片輪的葉片采用厚度為0.28mm、寬為7mm的鬧鐘發(fā)條制作，優(yōu)點(diǎn)是重量輕，彈性好。將卷曲的鐘表發(fā)條拉直，并截成3.5cm的小節(jié)，將葉片頂部彎成一定的彎度，以防止前進(jìn)時(shí)將雜物卷起卡住葉片輪，制作完成后的葉片如圖3-3所示。 圖3-3葉片 圖3-4 葉片輪連接葉片和直流減速電機(jī)的軸套采用6mm厚的鋁板線切割而成，用鉆頭在設(shè)計(jì)位置鉆孔，將葉片插入后用螺栓固定，并套上橡膠管增加摩擦力

15、，制作完成后的葉片輪如圖3-4所示。直流減速電機(jī)的輸出軸呈扁平狀，故將鋁質(zhì)軸套中心孔加工成對(duì)應(yīng)的形狀以保證直流減速電機(jī)與葉片輪的緊密連接，葉片輪的安裝如圖3-5所示。圖3-5 葉片輪安裝圖3.4機(jī)身的結(jié)構(gòu)和安裝蛇形機(jī)器人的機(jī)身采用1mm厚的鋁板制作，強(qiáng)度足夠且加工容易。結(jié)構(gòu)見圖3-6，鋁板機(jī)身及直流減速電機(jī)的安裝如圖3-7所示。圖3-7 鋁板機(jī)身及直流減速電機(jī)安裝3.5舵機(jī)的選擇與改裝蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)采用舵機(jī)控制。從節(jié)約成本和綜合性能的角度考慮，選擇航模上使用的數(shù)碼舵機(jī)MS533，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)基本滿足要求，但這種舵機(jī)只有一個(gè)動(dòng)力輸出軸，而機(jī)器人舵機(jī)需要兩根軸才能固定，所以需要改裝。改裝后的

16、舵機(jī)如圖3-8所示。 圖3-8 改裝完成后的舵機(jī)3.6 關(guān)節(jié)處的裝配舵機(jī)動(dòng)力輸出采用2mm厚度鋁片連接，舵機(jī)連接片結(jié)構(gòu)如圖3-9所示。 圖3-9 舵機(jī)連接片結(jié)構(gòu) 圖3-10 三自由度關(guān)節(jié)處的裝配將舵機(jī)連接片安裝到舵機(jī)動(dòng)力輸出軸上，并用螺栓通過連接片中間的軸承和固定孔將兩個(gè)連接片固定在一起。安裝上復(fù)位彈簧，并調(diào)整松緊度，使蛇身在運(yùn)動(dòng)時(shí)能產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，起到減震作用，同時(shí)讓葉片輪能更好地接觸地面，得到更好的運(yùn)動(dòng)效果。關(guān)節(jié)處的裝配如圖3-10所示。第四章 控制部分4.1 無線遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)該系統(tǒng)主要包括發(fā)射機(jī)電路和接收機(jī)電路。其中，發(fā)射機(jī)電路采用多個(gè)可變電位器將控制者的控制動(dòng)作轉(zhuǎn)變?yōu)槟M控制信號(hào)，發(fā)射端的單

17、片機(jī)將輸入的多路模擬信號(hào)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，再進(jìn)行編碼并由串行口送到發(fā)射模塊發(fā)射；接收機(jī)電路的任務(wù)則是把接收到的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)放大并從中解調(diào)出編碼信號(hào)，然后通過接收端的單片機(jī)將該信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的舵機(jī)控制信號(hào)和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，從而完成對(duì)蛇形機(jī)器人的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)的控制。蛇形機(jī)器人動(dòng)作較多，需要由兩人協(xié)同控制，采用兩個(gè)游戲手柄改裝成無線遙控發(fā)射器。每一個(gè)游戲手柄有兩個(gè)搖桿，每一個(gè)搖桿控制一個(gè)關(guān)節(jié)，能夠控制蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)處主管上下、左右的兩個(gè)舵機(jī)， 4個(gè)搖桿控制8個(gè)舵機(jī)，能實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、抬頭、低頭、彎曲等動(dòng)作，另外設(shè)計(jì)了3個(gè)通道的按鍵開關(guān)遙控來控制蛇形機(jī)器人的前進(jìn)、后退、開關(guān)燈動(dòng)作。為了能夠

18、精確控制每個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，決定采用帶AD轉(zhuǎn)換的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)比例控制。游戲手柄上的每個(gè)搖桿控制兩個(gè)可變電位器，可變電位器把5V電壓平均分成360度，每一個(gè)小的刻度代表一定的電壓值，發(fā)射單片機(jī)一直以一定的時(shí)間間隔去查詢當(dāng)前的速度值，當(dāng)旋鈕轉(zhuǎn)動(dòng)了一定角度時(shí)(即輸入給發(fā)射單片機(jī)一定的電壓值)，單片機(jī)及時(shí)將讀到的數(shù)值根據(jù)單片機(jī)內(nèi)部已經(jīng)設(shè)置好的計(jì)算公式，計(jì)算出模型應(yīng)該前進(jìn)的距離或者當(dāng)前應(yīng)該的速度，并根據(jù)此值設(shè)置相應(yīng)的定時(shí)，計(jì)數(shù)器的初值，最后由系統(tǒng)外部驅(qū)動(dòng)電路將接收單片機(jī)收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成相直的機(jī)械動(dòng)作；當(dāng)定時(shí)器溢出產(chǎn)生中斷以后，外部相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路也幾乎同時(shí)的發(fā)出控制信號(hào)控制模型停止任何動(dòng)作，發(fā)射單片機(jī)則繼

19、續(xù)查詢外界是否有新的控制指令，如此循環(huán)下去。比例輸出理論上分析可以達(dá)到0 V到+Vcc，然而實(shí)際中只能盡量逼近且在一個(gè)很小范圍內(nèi)的變動(dòng)都必須視為0，這是因?yàn)槠胀ǖ木€性電位器由于精度和性能的限制導(dǎo)致其旋轉(zhuǎn)角度是270度，表現(xiàn)在表盤上的剩下9O度在實(shí)際操作中并沒有意義。4.2 無線遙控器單片機(jī)選擇選擇STC12C2052AD作為遙控發(fā)射器控制單片機(jī)。SSTC12C2052AD引腳圖如圖4-1所示。圖4-1 STC12C2052AD單片機(jī)引腳功能圖4.3 無線遙控器電路設(shè)計(jì)根據(jù)需要的功能設(shè)計(jì)遙控控制電路如圖4-2所示。圖4-2 遙控發(fā)射器電路圖 Pl口是比例遙控信號(hào)的輸入端，P1.0至P1.7分別對(duì)

20、應(yīng)蛇形機(jī)器人從頭到尾的8個(gè)舵機(jī)；P3.0至P3.3與無線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊連接，負(fù)責(zé)傳送數(shù)據(jù)給無線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊；當(dāng)P3.4口由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，則控制蛇形機(jī)器人前進(jìn)，當(dāng)P3.5口由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，則蛇形機(jī)器人后退；當(dāng)P3.7口由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，則LED燈點(diǎn)亮，再次變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，則LED燈熄滅。端口配置情況如表4-1所示。表4.1 遙控發(fā)射器單片機(jī)端口配置表端口方向端口連接到有效電平作用P1.0輸入第一搖桿上下電位器05V控制第一關(guān)節(jié)舵機(jī)上下運(yùn)動(dòng)P1.1輸入第一搖桿左右電位器05V控制第一關(guān)節(jié)舵機(jī)左右運(yùn)動(dòng)P1.2輸入第二搖桿上下電位器05V控制第二關(guān)節(jié)舵機(jī)上下運(yùn)動(dòng)P1.3輸入第二搖桿左右電位

21、器05V控制第二關(guān)節(jié)舵機(jī)左右運(yùn)動(dòng)P1.4輸入第三搖桿上下電位器05V控制第三關(guān)節(jié)舵機(jī)上下運(yùn)動(dòng)P1.5輸入第三搖桿左右電位器05V控制第三關(guān)節(jié)舵機(jī)左右運(yùn)動(dòng)P1.6輸入第四搖桿上下電位器05V控制第四關(guān)節(jié)舵機(jī)上下運(yùn)動(dòng)P1.7輸入第四搖桿左右電位器05V控制第四關(guān)節(jié)舵機(jī)左右運(yùn)動(dòng)P3.0輸出無線模塊SDIO高/低無線模塊SPI設(shè)置P3.1輸出無線模塊GIO1高/低接收單片機(jī)遙控控制信號(hào)P3.2輸出無線模塊SCS高/低無線模塊SPI設(shè)置P3.3輸出無線模塊SCK高/低無線模塊SPI設(shè)置P3.4輸入前進(jìn)按鍵開關(guān)低長(zhǎng)按，蛇形機(jī)器人前進(jìn)，松開停止P3.5輸入后退按鍵開關(guān)低長(zhǎng)按，蛇形機(jī)器人后退，松開停止P3.7

22、輸入LED燈按鍵開關(guān)低長(zhǎng)按，控制LED燈打開，松開熄滅由于使用了帶AD轉(zhuǎn)換的單片機(jī)，所以整個(gè)電路系統(tǒng)具有簡(jiǎn)潔、靈活自由、易于控制、穩(wěn)定性較好等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了智能化自動(dòng)控制的程度，而且系統(tǒng)的性能也很好。由于單片機(jī)各個(gè)引腳都具有很多個(gè)功能，因此在程序設(shè)計(jì)中要特別注意它們的定義和對(duì)片內(nèi)特殊功能寄存器的初始化設(shè)置，以便實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。另外，從程序設(shè)計(jì)的角度來說，軟件系統(tǒng)的可靠性高、運(yùn)行速度快，只要得到需要改變的參數(shù)便可以在同一個(gè)子程序中實(shí)現(xiàn)速度的改變，充分體現(xiàn)了單片機(jī)的優(yōu)勢(shì)。4.4 無線遙控器無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊選擇無線數(shù)據(jù)發(fā)射與接收使用2.4G無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，芯片為A7105。其電路如圖4-3所示。

23、圖4-3 2.4G無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊電路圖4.5 無線遙控器的制作根據(jù)設(shè)計(jì)電路圖制作完成的遙控單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)物如圖4-4所示，制作時(shí)充分考慮了體積問題，使其剛好能夠裝入游戲手柄拆去震動(dòng)電機(jī)的位置。圖4-4遙控單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)物無線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊安裝在游戲手柄右側(cè)拆去震動(dòng)電機(jī)的位置，如圖4-5所示。 圖4-5 無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊安裝位置圖 4-6 遙控發(fā)射器的內(nèi)部元件布置整個(gè)遙控發(fā)射器的內(nèi)部元件布置如圖4-7所示。遙控發(fā)射器采用兩個(gè)3.7V的鋰電池串聯(lián)作為電源，經(jīng)穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)變?yōu)?V后為單片機(jī)供電，電池和穩(wěn)壓電路放置在另一個(gè)游戲手柄中，并在其正面加裝了電源開關(guān)，在背面設(shè)計(jì)了充電接口，由于鋰電池充電電壓必須控制

24、精確，否則會(huì)導(dǎo)致電池?fù)p壞，所以采用平衡充電接口進(jìn)行充電。兩個(gè)遙控手柄通過導(dǎo)線連接。所有電路安裝測(cè)試完成后，將手柄裝回原樣，如圖4-7所示。圖4-7 改裝完成的遙控發(fā)射器遙控接收器采用同樣的2.4G無線數(shù)據(jù)接收模塊，兩者完全一樣，只是初始化模塊時(shí)通過軟件設(shè)置其負(fù)責(zé)發(fā)射還是接收。接收處理單片機(jī)使用AT89C4051，P3.2至P3.5與無線數(shù)據(jù)接收模塊相連，負(fù)責(zé)接收無線數(shù)據(jù)。4.6 遙控系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)根據(jù)需要的功能和單片機(jī)端口設(shè)置進(jìn)行程序編寫，具體程序見附件。遙控發(fā)射與接收程序流程圖如圖4-8、圖4-9所示。 圖4-8 遙控發(fā)射器流程圖 圖4-9 遙控接收單片機(jī)處理流程圖4.7 姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用

25、AT89C4051單片機(jī)和16路舵機(jī)控制板對(duì)關(guān)節(jié)處的8個(gè)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制，單片機(jī)處理由無線遙控接收器收到的編碼數(shù)據(jù)信號(hào)，再將數(shù)據(jù)信號(hào)解碼后發(fā)送給舵機(jī)控制板，舵機(jī)控制板收到信號(hào)后控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人的姿態(tài)控制。AT89C4051的引腳功能如圖4-10所示。圖4-10 AT89C4051引腳功能圖4.8 蛇形機(jī)器人控制電路設(shè)計(jì)圖4-11 AT89C4051單片機(jī)控制電路圖蛇形機(jī)器人控制電路如圖4-11所示。4.9 舵機(jī)控制板的選擇與改裝舵機(jī)控制板采用成品捷龍CX54160A 型舵機(jī)控制器，為了減小舵機(jī)控制板的體積且減輕重量，將舵機(jī)控制板上不需要的一些零件拆去，并對(duì)部分電路做了改造。改造

26、完成后的舵機(jī)控制板如圖4-12、圖4-13所示。 圖4-12 改造后的舵機(jī)控制板正面圖 4-13 改造后的舵機(jī)控制板背面單片機(jī)和舵機(jī)控制板串口通信程序：delay(unsigned int dt) / 通用延時(shí)程序unsigned int i,j;for(i=0;idt;i+)for(j=0;j1000;j+);action(const char *p) / 舵機(jī)串口發(fā)送函數(shù)while(*p!=0)SBUF=*p; p+;while(TI!=1); /等待發(fā)送完畢TI=0; /清標(biāo)志 void ini_mcu(void)TMOD=0x20; /定時(shí)器1方式2TH1=0xFD; /11.0592

27、M 9600BITSCON=0x50; /10101,0000 8 位數(shù)據(jù)位, 無奇偶校驗(yàn)RI=0;TI=0;TR1=1;PSW = 0x00;PCON = 0x00;IP = 0x00; / 設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)IE = 0x00; / EA-ET2 ES ET1 EX1 ET0 EX0 , disable all interrupt4.10 直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分電路圖中的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分與單片機(jī)采用了光耦進(jìn)行隔離，防止干擾；8個(gè)續(xù)流二極管可以防止直流電機(jī)產(chǎn)生的關(guān)于電動(dòng)勢(shì)損壞芯片。本蛇形機(jī)器人共5節(jié)，每節(jié)安裝有兩個(gè)直流減速電機(jī)，每側(cè)5個(gè)電機(jī)并聯(lián)。電壓8V時(shí)，負(fù)載電流80mA，10個(gè)電機(jī)總電流800

28、mA。直流電機(jī)控制芯片采用L298N，輸出電流可達(dá)2.5A，由于10個(gè)電機(jī)使用時(shí)電流很小，故芯片不需要加裝散熱器。為了將直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板體積做得盡量小，整個(gè)驅(qū)動(dòng)板采用了大量貼片元件制作，制作完成的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板實(shí)物如圖4-14、圖4-15所示。 圖4-14 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板正面 圖4-15 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板背面直流電機(jī)芯片驅(qū)動(dòng)部分程序：case 0x0B:SHI_NENG=1;/電機(jī)使能有效 YUN_A=0;YUN_B=1; break;case 0x0C:SHI_NENG=1;/電機(jī)使能有效 YUN_A=1; YUN_B=0; break;case 0x0D:SHI_NENG=0;

29、/按鍵離開時(shí)電機(jī)使能無效 break; default:break;4.11 無線視頻系統(tǒng)無線視頻系統(tǒng)采用2.4G無線攝像頭和配套的接收器，標(biāo)稱有效距離100米。為了讓無線攝像頭在黑暗環(huán)境下也能夠拍攝到圖像，還安裝了一顆高亮LED燈，LED燈可使用PWM脈沖進(jìn)行調(diào)光控制。無線攝像頭和LED燈一起安裝在蛇形機(jī)器人頭部。4.12 電源系統(tǒng)電源采用兩塊3.7V鋰聚合物電池串聯(lián)供電，經(jīng)穩(wěn)壓電路后轉(zhuǎn)變?yōu)?V，為單片機(jī)和舵機(jī)供電，穩(wěn)壓部分采用LM2596HVT-5.0V芯片，轉(zhuǎn)換效率高。經(jīng)計(jì)算得出此蛇形機(jī)器人的評(píng)價(jià)工作電流約為1.2A（平均功率10W，平均電壓8V），若要其能正常工作1小時(shí)，則需要選擇總?cè)?/p>

30、量在1200mAh以上的兩塊電池。選擇兩塊600mah的電池串聯(lián)供電。電路圖見圖4-16。圖4-16 5V穩(wěn)壓電路電路圖4.13 蛇形機(jī)器人實(shí)物將所有的控制部分電路整合在一起，并用一塊亞克力板封閉，防止碰撞損壞電路板，如圖4-16所示。圖4-16 控制部分電路總裝圖整個(gè)蛇形機(jī)器人機(jī)身除頭尾有差異外，中間部分完全相同，一節(jié)就是一個(gè)模塊，若要增加蛇形機(jī)器人越過障礙物的高度，只需要增加機(jī)身模塊的個(gè)數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)。為節(jié)約成本，蛇形機(jī)器人制作了5節(jié)，實(shí)物如圖4-17所示。圖3-17 蛇形機(jī)器人攀爬階梯第五章 結(jié)論5.1 組成葉片輪式蛇形機(jī)器人由移動(dòng)系統(tǒng)、姿態(tài)控制系統(tǒng)、遙控控制系統(tǒng)、無線視頻系統(tǒng)、電源系統(tǒng)五

31、個(gè)部分組成。一、姿態(tài)控制系統(tǒng)本葉片輪式蛇形機(jī)器人設(shè)計(jì)為5節(jié)，約半米長(zhǎng)，共有4個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)有三個(gè)自由度，兩個(gè)可控制自由度，一個(gè)自平衡旋轉(zhuǎn)自由度，通過控制關(guān)節(jié)處的舵機(jī)實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人姿態(tài)的改變。二、移動(dòng)系統(tǒng)通過1個(gè)直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)10個(gè)葉片輪前進(jìn)，比輪式驅(qū)動(dòng)更容易越過障礙物。每個(gè)葉片輪由三片彈簧片相隔1200固定于輪軸上，每片都略微向后彎曲，以防止前進(jìn)時(shí)將雜物卷起卡住葉片輪。三、遙控控制系統(tǒng)包括無線遙控發(fā)射器和無線遙控接收器?？刂普咄ㄟ^無線攝像頭傳回的圖像了解蛇形機(jī)器人周圍地形情況，使用無線遙控發(fā)射器將控制信號(hào)傳送給無線遙控接收器，單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后驅(qū)動(dòng)直流減速電機(jī)和舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作控制。四、

32、無線視頻系統(tǒng)通過無線攝像頭將蛇形機(jī)器人周圍圖像傳送到控制者的顯示設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)超視距控制。五、電源系統(tǒng)采用兩塊3.7V的鋰聚合物電池串聯(lián)供電。5.2 功能一、可攀爬階梯在遙控控制下，蛇形機(jī)器人輕易就爬上了十幾厘米高的階梯，見圖5-1； 圖5-1 蛇形機(jī)器人攀爬階梯 圖5-2 蛇形機(jī)器人草地運(yùn)行二、可在草坪爬行蛇形機(jī)器人在草坪爬行，如履平地，見圖5-2；三、翻越亂石堆蛇形機(jī)器人能夠輕易翻越亂石堆，見圖5-3； 圖5-3 蛇形機(jī)器人亂石堆運(yùn)行 圖5-4 蛇形機(jī)器人翻越深溝四、翻越溝壑 蛇形機(jī)器人能夠輕易翻越30cm寬，20cm深的溝壑，見圖5-4。5.3特點(diǎn)一、越障性能強(qiáng)能越過自身高度3倍以上的障礙

33、物；可攀爬樓梯，在崎嶇的路面運(yùn)行；二、控制簡(jiǎn)單；三、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；四、尺寸小，重量輕。五、運(yùn)動(dòng)速度快；六、有較強(qiáng)的負(fù)重能力，能夠搭載各種傳感器以滿足不同需要。5.4 應(yīng)用一、能夠進(jìn)入因地震或火災(zāi)等災(zāi)害而倒塌的建筑物內(nèi)部執(zhí)行搜尋任務(wù)；二、能夠進(jìn)入原子反應(yīng)堆和石油化工等領(lǐng)域的裝置內(nèi)部執(zhí)行檢測(cè)任務(wù)；三、能夠進(jìn)入人們不能涉足的生化等危險(xiǎn)場(chǎng)所執(zhí)行搜尋和檢測(cè)維護(hù)任務(wù)；四、條件非常惡劣而又要求高可靠性的戰(zhàn)場(chǎng)、外層空間等環(huán)境，可用于戰(zhàn)場(chǎng)上的掃雷、爆破，空間站的柔性機(jī)械手臂，通過能力很強(qiáng)的行星地表探測(cè)器等。參考文獻(xiàn)1崔顯世，顏國(guó)正一個(gè)微小型仿蛇機(jī)器人樣機(jī)的研究J機(jī)器人，1999，21(2)：1561602劉華。顏國(guó)

34、正，丁國(guó)清仿蛇變體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究J機(jī)器人，2002，24(2)：1541583熊翔等基于蛇類生物的仿生變體機(jī)器人研究J機(jī)電與控制學(xué)報(bào)，2001，(12)4汪洋等蛇形機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J機(jī)器人，2003，(11)5劉瑩，張愷應(yīng)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)多通道無線比例控制電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2003年第25卷第1期6趙敏基于單片機(jī)的多通道比例遙控器電子世界，2004年第12期7馮建華，趙亮.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與產(chǎn)品開發(fā)，2004. 118趙建領(lǐng).51系列單片機(jī)開發(fā)寶典，2007.49傅曉林.模擬電子技術(shù)，2002.1010程開明，唐治德.數(shù)字電子技術(shù)，1992.511GM.Robot-Snake wit

35、h Flexible Real-Time Control， http:/ais.gmd.de/BAR/index.htm12/13Dr. Gavin Miller./biorobotics/projects/modsnake/index.html14Nilsson MartinSnake robot free climbingJIEEE Control Systems，19982：21 2615A behavior-based arm contoller.Jonathan H Connell, MIT A

36、I Memo 1025,June198816The Mobile Robotics Lab at the University of Michigan (UM) .The OmniTread serpentine robot ，/research/mrl/00MoRob_6.html17How Snakes Walk.http:/chabin.laurent.free.fr/snake.htm附錄附錄附錄接收控制程序如下，發(fā)射程序與之類似，省略之。/*;filename:rf.c;RF:A7105;rf crystal :16MHZ;RF ra

37、te:250k;mcu :STC12C2052AD;writeby : ;describe:A7105 控制;notice:Fdev 固定為 80k;*/#include .headerrf.hU8 const code Rf_Rate_Tab7 = 19,9,7,4,3,1,0;/25k,50k,62.5k,100k,125k,250k,500k / A7105 寄存器默認(rèn)配置U8 const code A7105_Default_Par51 = /0x00 register 0x00, / RESET register : not use on config /0x01 register/

38、#if(TEST_MODE)/0xc2, / direct mode /#else 0x42, / MODE register: FIFO mode /#endif /0x02 register 0x00, / CALIBRATION register /0x03 register RF_FIFO_LEN - 1, / FIFO1 register : packet length /0x04 register 0xc0, / FIFO2 register : FIFO pointer margin threshold 16/48bytes(TX/RX) /0x05 register 0x00,

39、 / fifo register,not use on config /0x06 register 0x00, / ID data register,not use on config /0x07 register 0x00, / RCOSC1 register 0x00, / RCOSC2 register 0x00, / RCOSC3 register /0x0a register/ 0x02, / CKO register,clk out enable,bit clock 0x00, / CKO disable /0x0b register 0x01, / GPIO1 register

40、:WTR output,enable GPIO1 output 0x09, / GPIO2 register :CD carrier detect,enable GPIO2 output / GPIO1，2按上面設(shè)置時(shí)，GPIO1保持為高電平， / 發(fā)送方發(fā)送一幀數(shù)據(jù)時(shí)，GPIO1會(huì)由高變低，接收方GPIO2也由高變低 /0x0d register 0x05, / CLOCK register: Crystal oscillator enable bit /0x0e register 0x01, / data rate select 250K / data rate = system cloc

41、k / 32*(SDR7:0 + 1/ 0x04, / data rate = 100k /0x0f register 0x03, / PLL register1, LO channel number select / channel = 0x14 RF frequency = 2400MHZ + 500K * 20 = 2.410GHZ /0x10 register 0x9e, / PLL register2, / DBL = 1, crystal frequency double select / RRC1:0 = 00, Fpfd = Fcrystal(16MHZ) * (1 + DBL

42、) /(RRC1:0 + 1) = 32MHZ / CHR3:0 = 0x0F, channel frequency step setting / channel setp frequency = 0.25 * Fpfd / (CHR3:0 + 1) = 500KHZ /0x11 register 0x4b, / PLL register3 BIP7:0 = 75 0x00, / PLL register4 BFP15:8 = 0 0x00, / PLL register5 BFP7:0 = 0 /0x14 register /0x06,/ TX register1/ frequency de

43、viation power setting = 110/ TX modulation disable0x16,/ enable tx modulation /0x15 register/ 0x2b, / Fdev = 187k / TX register2 / Fpfd = 32MHZ,PDV1:0 = 01,SDR7:0 = 0000 0001 / Tx rate = Fpfd / (32 * (PDV1:0+1) * (SDR7:0+1) = 250kbps / TX frequency deviation = Fpfd * 127 * 2FDP2:0 * (FD4:0+1) /224 =

44、 187.5KHZ/ 0x20, / Fdev = 15K FD2:0 = 110/ 0x21, / Fdev = 31k FD2:0 = 110/ 0x22, / Fdev = 46k FD2:0 = 1100x23, / Fdev = 62k FD2:0 = 110 /0x24, / Fdev = 80k FD2:0 = 110/ 0x25, / Fdev = 93k FD2:0 = 110/ 0x26, / Fdev = 108k FD2:0 = 110/ 0x27, / Fdev = 124k FD2:0 = 110/ 0x28, / Fdev = 139k FD2:0 = 110/0

45、x29, / Fdev = 155k FD2:0 = 110/0x2a, / Fdev = 170k FD2:0 = 110/0x2b, / Fdev = 186k FD2:0 = 110/ 0x2c, / Fdev = 200k FD2:0 = 110/ 0x2d, / Fdev = 217k FD2:0 = 110/0x2e, / Fdev = 232k FD2:0 = 110/0x2f, / Fdev = 248k FD2:0 = 110/0x30, / Fdev = 263k FD2:0 = 110/0x32, / Fdev = 294k FD2:0 = 110/ 0x39, / Fd

46、ev = 400k FD2:0 = 110 /0x16 register 0x12, / Delay register1 / DPR2:0 = 0, TDL1:0 = 2, PDL2:0 = 2 / TX setting delay = 20*(TDL1:0+1)*(DPR2:0+1) = 20*3 = 60us / PLL setting delay = 20*(PDL2:0+1)*(DPR2:0+1) = 20*3 = 60us /0x17 register 0xf8, / Delay register2 / Crystal turn on delay 2.5ms / AGC delay 40us / RSSI measurement delay 10us /0x18 register 0x26, / RX register / Demodulator filter bandwidth = 1M / Demodu