畢業(yè)論文-六足機(jī)器人的設(shè)計

1、畢業(yè)論文-六足機(jī)器人的設(shè)計錄插表清單III插圖清單IV第一章緒論11.1機(jī)器人的發(fā)展歷史11.2機(jī)器人的定義和基本組成2 1.2. 1機(jī)器人的定義21.2.2機(jī)器人的基本組成：2 1.3移動機(jī)器人概述31.4移動機(jī)器人分類41.5多足機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀5 1.6本設(shè)計的主要工作71.7本章小結(jié)7第二章六足仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計82. 1 “六足綱”昆蟲的運(yùn)動原理8 2. 1. 1步態(tài)的參數(shù)描述82.1.2三角步態(tài)運(yùn)動原理9 2. 2六足仿生機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)分析10 2.3本章小 結(jié)11第三章六足仿生機(jī)器人的步態(tài)分析和設(shè)計11 3.1六足步行機(jī)器人坐標(biāo)定義123. 2六足機(jī)器人的穩(wěn)定性分析143

2、. 3. 1穩(wěn)定性分析143. 3. 2穩(wěn)定裕量計算143. 4六足仿生機(jī)器人的直線運(yùn)動步態(tài)設(shè)計16 3.4. 1步態(tài)規(guī)劃163. 4.2步態(tài)動作分析163. 5 三角步態(tài)”定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)設(shè)計19 3. 6本章小結(jié)21第四章六足仿生機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計22 4. 1功能分解224. 2控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計234. 2. 1微處理器AT89S52簡介234. 2. 2舵機(jī)模塊設(shè)計244. 2. 3避障模塊設(shè)計254.3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計274. 3. 1單個舵機(jī)控制方法284. 3. 2多舵機(jī)控制324. 3. 3六足仿生機(jī)器人全方位步態(tài)程序設(shè)計37 4.4軟件的抗干擾及可靠性設(shè) 計40 4.5本章小

3、結(jié)41第五章軟硬件聯(lián)調(diào)425. 1 Keil C51開發(fā)系統(tǒng)基本知識425.2 Proteus仿真軟件基本知識425. 2. 1 Proteus 介紹 425. 2. 2 Proteus 的仿真 435. 2. 3 Proteus PCB 43 5. 3 調(diào)試結(jié)果 435. 2相關(guān)數(shù)值測試445. 3本章小結(jié)45笫六章結(jié)束語466. 1論文總結(jié)466.2論文寫作的感想466. 3本章小結(jié)46參考文獻(xiàn)47致謝辭48插表清單表IT機(jī)器人Fred De 1 cornyn的參(,9,9,9,9,999,9,9 99,9,9,9,9,9,“6表2-1本設(shè)計機(jī)器人相關(guān)參,9,9,9,999,9,9,999

4、,9,9 ,9 ”9 表 4TI/O引腳分配9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9 ,9,9 23表4-2時基脈沖與舵機(jī)角度對應(yīng),”,”9,9,9,9,”9,9,9,9,”9” .24表4-2探測障礙物的傳感器與單片機(jī)引腳對應(yīng)關(guān)系表23表4-3舵機(jī)與六足機(jī)器人足對應(yīng)關(guān)系9,9,9,9,9,9,9,9,9,9 ,9,9,936表4-4舵機(jī)與單片機(jī)端口的對應(yīng)關(guān)系,9,9,9,9,9,9 ，,9,936表5-1關(guān)系數(shù)值,999,9,9,9,9,9,999,9,9,9,9,9,999,9,9,9 ,9 ,9,9,944圖4-10 8路信號舵機(jī)控制脈沖插圖清單1 lFred

5、Deleomyn /、丿上彳萬1二期1諾計丿匕 ”l-2Gengh機(jī)器人9、999、9999999,9、99 99 9、9999999,9、99- 99 99 99 9,9、-、999圖1-3 DRROB系列高級機(jī)器9,9,9,9,9,9,9,9,9 ,9,9 , ,9 , ,9,9,9,9,9,9,9圖2-1本設(shè)計的六足仿生機(jī)器圖2-2機(jī)器人腿部實(shí)件勿,”,”9,9,”9,9,”9,9,9圖3-1腿部組圖簡圖11圖3-3腿部簡圖.12圖3-4步行機(jī)器人任一時刻姿態(tài)9,9,9,9,999,9,9,9,9,999,9,9,9圖3-5三角步態(tài)穩(wěn)定圖14圖3_6六足步態(tài)示意圖.15圖3-7 （A B

6、、C、D）定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)示意圖16圖4-1基本功能框圖214-2 PDIP H裝圖23圖4-3微動開關(guān)示意-99,9,9,9,9,9,9,9,9,9,925圖4-4微動開關(guān)安裝位置,9,9 ,9,9,925圖4-5硬件設(shè)計仿真佟|,999,9,9,9,9,9,999,9,9,9,9,9,999,9,9,9,9,9,9，小26圖4-6系統(tǒng)軟件的總體流9,9,999,9,9,999,9,9,999,9,9,99 ,999,9,9,99 ”,9”27圖4-7舵盤的位置線性變化,9,9,928圖4-8舵機(jī)的控制脈沖,9,9,9,9,9,99,9,9,9,9,9,9,9,9,928圖4-9控制脈沖程序流程

7、29佟|,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9 5,9,9,9 99,9,933圖4-11 12個舵機(jī)控制流程,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,圖4-12舵機(jī)位置示意佟| ,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9 ,9,”9361.1機(jī)器人的發(fā)展歷史圖4-13直行程序流程,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9 W,9,937圖4-14轉(zhuǎn)彎程序流程，”9,9,938圖4-13避障程序流程9,9,9,93944圖5-1硬件仿真結(jié)果佟I,”,9”,9 ”,9,9 ”,”9 ”,9,9”,”,第

8、一章緒論機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛,兒乎滲透到人們生活的各個領(lǐng)域。機(jī)器人技術(shù)在八 十年代后期已經(jīng)形成比較完整的體系。它將機(jī)構(gòu)學(xué)、電子技術(shù)、控制理論、計算機(jī) 技術(shù)、傳感器技術(shù)和人工智能等相關(guān)學(xué)科融合為一體，不斷吸收其他學(xué)科諸如材 料、能源科學(xué)的最新成果，形成了一門獨(dú)立的高科技學(xué)科?機(jī)器人學(xué)。機(jī)器人學(xué)是一種高度綜合和交義的新興學(xué)科，涉及的領(lǐng)域很多，諸如機(jī)械、電氣、 工藝、力學(xué)、傳動、控制、通信、決策、生物、倫理等諸多方面，是當(dāng)代研究十分 活躍、應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況,是一個國家工業(yè)自動化水平的重要 標(biāo)志1。早在三千多年前的西周時代，我國就出現(xiàn)了能歌善舞的木偶,稱為“倡者”，這 可能是世界上

9、最早的“機(jī)器人”。在近代，隨著第一次、第二次工業(yè)革命,各種機(jī)械裝置的發(fā)明與應(yīng)用，世界各地 出現(xiàn)了許多機(jī)器人”玩具和工藝品。這些裝置大多由時鐘機(jī)構(gòu)驅(qū)動，用凸輪和杠 桿傳遞運(yùn)動。1920年,捷克作家K.凱比克在一科幻劇本中首次提出了 ROBOT(漢語前譯為“勞 伯”)這個名詞?，F(xiàn)在已被人們作為機(jī)器人的專用名詞2。1950年美國作家阿西莫夫提出了機(jī)器人學(xué)(Robotics)這一概念，并提出了所謂 的“機(jī)器人三原則”，即：1. 機(jī)器人不可傷人；2. 機(jī)器人必須服從人給與,但不和(1)矛盾的指令；3. 在與(1)、(2)原則不相矛盾的前提下，機(jī)器人可維護(hù)自身不受傷害。本世紀(jì)50、60年代，隨著機(jī)構(gòu)理論和

10、伺服理論的發(fā)展，機(jī)器人進(jìn)入了使用化階 段。1954年美國的/.。1發(fā)表了 “通用機(jī)器人”專利；1960年美國AMF公司生產(chǎn)了 柱坐標(biāo)型Versatran機(jī)器人，可作點(diǎn)位和軌跡控制，這是世界上第一種用于工業(yè)生產(chǎn) 上的機(jī)器人。70年代，隨著計算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人得到了迅速發(fā)展O 1974年Cincinnati Milacron公司開發(fā)成功多 關(guān)節(jié)機(jī)器人；1979年,Unimat ion公司乂推出了 PUMA機(jī)器人,它是一種多關(guān)節(jié)、全電 動驅(qū)動、多CPU二級控制；采用VAL專用語言;可配視覺、觸覺、力覺傳感器，在當(dāng) 時是一種技術(shù)先進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人?，F(xiàn)在的工業(yè)機(jī)器

11、人結(jié)構(gòu)大體上是以此為基礎(chǔ)的。 這一時期的機(jī)器人屬于“示教再現(xiàn)”(Teach-in / Playback)型機(jī)器人。只具有記 憶、存儲能力，按相應(yīng)程序重復(fù)作業(yè)，但對周圍環(huán)境基本沒有感知與反饋控制能力。 這種機(jī)器人被稱作第一代機(jī)器人。進(jìn)入80年代,隨著傳感技術(shù)，包括視覺傳感器、非視覺傳感器（力覺、觸覺、接 近覺等）以及信息處理技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了笫二代機(jī)器人?有感覺的機(jī)器人。它能夠 獲得作業(yè)環(huán)境和作業(yè)對象的部分有關(guān)信息，進(jìn)行一定的實(shí)時處理，引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行作 業(yè)。第二代機(jī)器人已進(jìn)入了使用化，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。笫三代機(jī)器人是目前正在研究的“智能機(jī)器人”。它不僅具有比第二代機(jī)器人 更加完善的環(huán)境感

12、知能力，而且還具有邏輯思維、判斷和決策能力，可根據(jù)作業(yè)要求 與環(huán)境信息自主地進(jìn)行工作。1.2機(jī)器人的定義和基本組成1.2. 1機(jī)器人的定義山于研究的側(cè)重點(diǎn)不同，對于機(jī)器人的定義，國際上LI前尚未有明確的統(tǒng)一標(biāo) 準(zhǔn)。通常情況下，可將機(jī)器人理解為:機(jī)器人是一種在計算機(jī)控制下的可編程的自動 機(jī)器，根據(jù)所處的環(huán)境和作業(yè)需要,它具有至少一項或多項擬人功能，另外還可能程 度不同地具有某些環(huán)境感知能力（如視覺、力覺、觸覺、接近覺等），以及語言功能 乃至邏輯思維、判斷決策功能等，從而使它能在要求的環(huán)境中代替人進(jìn)行作業(yè)。1.2.2機(jī)器人的基本組成：1. 機(jī)械本體機(jī)器人的機(jī)械本體機(jī)構(gòu)基本上分為兩大類:一類是操作本

13、體機(jī)構(gòu),它類似人的手 臂和手腕,配上各種手爪與末端操作器后可進(jìn)行各種抓取動作和操作作業(yè)，工業(yè)機(jī)器 人主要采用這種結(jié)構(gòu)。另一類為移動型本體結(jié)構(gòu)，主要U的是實(shí)現(xiàn)移動功能,主要有 輪式、履帶式、足腿式結(jié)構(gòu)以及蛇行、蠕動、變形運(yùn)動等機(jī)構(gòu)。壁面爬行、水下推 動等機(jī)構(gòu)也可歸于這一類。2. 驅(qū)動伺服單元機(jī)器人本體機(jī)械結(jié)構(gòu)的動作是依黑關(guān)節(jié)機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動，而大多數(shù)機(jī)器人是 基于閉環(huán)控制原理進(jìn)行的。伺服控制器的作用是使驅(qū)動單元驅(qū)動關(guān)節(jié)并帶動負(fù)載超 減少偏差的方向動作。已被廣泛應(yīng)用的驅(qū)動方式有，液壓伺服驅(qū)動、電機(jī)伺服驅(qū)動, 近年來氣動伺服驅(qū)動技術(shù)也有一定進(jìn)展。3. 計算機(jī)控制系統(tǒng)各關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動的指令值III主計算

14、機(jī)訃算后，在各采樣周期給出。主計算機(jī)根 據(jù)示教點(diǎn)參考坐標(biāo)的空間位置、方位及速度，通過運(yùn)動學(xué)逆運(yùn)算把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)節(jié) 的指令值。通常的機(jī)器人采用主計算機(jī)與關(guān)節(jié)驅(qū)動伺服計算機(jī)兩級訃算機(jī)控制，有時為了 實(shí)現(xiàn)智能控制，還需對包括視覺等各種傳感器信號進(jìn)行采集、處理并進(jìn)行模式識 別、問題求解、任務(wù)規(guī)劃、判斷決策等，這時空間的示教點(diǎn)將山另一臺計算機(jī)上級 計算機(jī)根據(jù)傳感信號產(chǎn)生，形成三級計算機(jī)系統(tǒng)。4. 傳感系統(tǒng)為了是機(jī)器人正常工作，必須與周圍環(huán)境保持密切聯(lián)系，除了關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動系統(tǒng)的位置傳感器（稱作內(nèi)部傳感器）外，還要配備視覺、力覺、觸覺、接近 覺等多種類型的傳感器（稱作外部傳感器）以及傳感信號的采集處理系統(tǒng)5

15、. 輸入/輸出系統(tǒng)接口為了與周邊系統(tǒng)及相應(yīng)操作進(jìn)行聯(lián)系與應(yīng)答，還應(yīng)有各種通訊接口和人機(jī)通信 裝置。工業(yè)機(jī)器人提供一內(nèi)部PLC,它可以與外部設(shè)備相聯(lián)，完成與外部設(shè)備間的邏 輯與時實(shí)控制。一般還有一個以上的串行通訊接口，以完成磁盤數(shù)據(jù)存儲、遠(yuǎn)程控 制及離線編程、雙機(jī)器人協(xié)調(diào)等工作。一些新型機(jī)器人還包括語音合成和識別技術(shù) 以及多媒體系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話。1. 3移動機(jī)器人概述移動機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)的一個重要分支，其研究始于60年代末期，斯坦福研究 院的Nils Xilssen和Charles Rosen等人，在1966年至1972年中研制岀了取名為 Shakey的自主式移動機(jī)器人。LI的是研究應(yīng)用人工智

16、能技術(shù)，在復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人 系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制。與此同時，最早的操作式步行機(jī)器人也研制成功，從 而開始了機(jī)器人步行機(jī)構(gòu)方面的研究，以解決機(jī)器人在不平整地域的運(yùn)動問題，設(shè)計 并研制出了多足機(jī)器人。70年代末，隨著計算機(jī)的應(yīng)用和傳感器技術(shù)的發(fā)展，移動 機(jī)器人研究乂出現(xiàn)了新的高潮。特別是在80年中期，設(shè)il和制造機(jī)器人的浪潮席卷 全世界。一批世界著名的公司開始研制移動機(jī)器人平臺，這些移動機(jī)器人主要作為 大學(xué)實(shí)驗(yàn)室及研究機(jī)構(gòu)的移動機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺，從而促進(jìn)了移動機(jī)器人學(xué)多種研究 方向的出現(xiàn),90年代以來，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù),高適應(yīng) 性的移動機(jī)器人控制技術(shù)，真實(shí)環(huán)境下的規(guī)劃

17、技術(shù)為標(biāo)志，開展了移動機(jī)器人更高層 次的研究.自主移動機(jī)器人技術(shù)是一門綜合性很強(qiáng)的高科技學(xué)科，涉及到機(jī)械、訃算 機(jī)、自動控制、人工智能、力學(xué)等廣泛科學(xué)領(lǐng)域中的許多前沿技術(shù).自主移動機(jī)器人研究已被列入世界各國的高技術(shù) 發(fā)展計劃。如美國國防高級研究計劃局的戰(zhàn)略汁算與生存能力”工程，日本能產(chǎn) 省的“極限環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器人”發(fā)展計劃、歐洲共同體的“尤里卡”計劃，以及 我國的“863”高科技計劃中，都把有害環(huán)境如核工廠和戰(zhàn)場使用的移動機(jī)器人作為 重要的研究內(nèi)容。而以自主移動機(jī)器人為對象或應(yīng)用領(lǐng)域的，基于自適應(yīng)、學(xué)習(xí)、 進(jìn)化機(jī)理，具有高級生命行為的自主系統(tǒng)的研究與研發(fā)，已成為21世紀(jì)初信息科學(xué) 與生命科學(xué)

18、富于挑戰(zhàn)性的交義研究領(lǐng)域之一。31.4移動機(jī)器人分類移動機(jī)器人是機(jī)器人的一個重要分支，早期的移動機(jī)器人無論是控制方法或智 能水平都較低，只能做出一些簡單的推理、判斷和決策。近年來，隨著機(jī)器人技術(shù)及 相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，特別是計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人領(lǐng)域的研究取得了長足的進(jìn) 步，其智能水平也大大提高，逐步由以前的遙控式向半自主式和自主式過渡，工作條 件也由室內(nèi)向室外、簡單向復(fù)雜過渡。其中自主式移動機(jī)器人由于其高度的自主性, 正在越來越多的領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，特別是在軍事偵察、寧宙開發(fā)、掃雷排險、 防核化污染等惡劣的環(huán)境中有著廣泛的應(yīng)用前景。另外，隨著生產(chǎn)自動化技術(shù)的發(fā) 展，移動機(jī)器人在柔性自動化

19、制造生產(chǎn)線上和無人化工廠中也得到了廣泛的應(yīng)用。 當(dāng)前，山于生產(chǎn)自動化程度的提高，對機(jī)器人提出了各種各樣的需求，要求能夠?qū)崿F(xiàn) 各種功能，其中移動機(jī)器人成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱門方向。對于移動機(jī)器人來說, 它有多種不同的分類方法，按不同的分類方法可將移動機(jī)器人分為不同的種類：一按自主水平來分：1、遙控式移動機(jī)器人移動機(jī)器人的執(zhí)行動作和運(yùn)行軌跡完全山人通過遙控來控制，機(jī)器人不進(jìn)行任何判斷和決策，只是執(zhí)行人發(fā)出的命令。不具備任何自主性。2、半自主式移動機(jī)器人智能水平介于遙控和自主式移動機(jī)器人之間，具備一定的感知、判斷和決策功能，但對一些復(fù)雜任務(wù)仍需在人工干預(yù)下才能順利完成。3、自主式移動機(jī)器人按人預(yù)先設(shè)

20、置的任務(wù)命令,根據(jù)己知的環(huán)境信息進(jìn)行路徑規(guī)劃，同時在行進(jìn)過程 中不斷獲取周圍的局部環(huán)境信息，自主地做出判斷和決策，隨時調(diào)整移動機(jī)器人的運(yùn) 行路徑并執(zhí)行相應(yīng)的動作和操作。整個過程不需人為參與，由機(jī)器人自主進(jìn)行。二按移動方式來分：1、輪式移動機(jī)器人:輪式機(jī)器人動作穩(wěn)定，操縱簡單，其移動速度和方向容易控 制.在無人工廠中用來搬運(yùn)零部件或做其它基本任務(wù)用的很多，適合于平地行走。按 輪數(shù)的多少乂可分為二輪、三輪、四輪式三種。2. 履帶式移動機(jī)器人:履帶式移動機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)支撐面積大,接地比壓小， 適合松軟或泥濘場地作業(yè)，下陷度小，滾動阻力小，對路況具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，同時具 有較強(qiáng)的爬坡能力和負(fù)載能力。

21、3、多足移動機(jī)器人:足式移動對崎嶇路面具有很好的適應(yīng)能力,足式移動方式 的立足點(diǎn)是離散的，可以在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)支撐點(diǎn)，即使在表面極度不規(guī) 則的情況下，通過嚴(yán)格選擇足的支撐點(diǎn)，也能夠行走自如。足式移動方式具有主動隔 振能力，允許機(jī)身運(yùn)動軌跡和足運(yùn)動軌跡解禍,保持機(jī)身運(yùn)動具有高穩(wěn)定性.因此，足 式步行機(jī)器人的研究已成為機(jī)器人學(xué)中一個引人注U的研究領(lǐng)域。4、特種移動機(jī)器人:根據(jù)具體的應(yīng)用U的,還有其他種類的移動機(jī)器人，如墻 壁清洗機(jī)器人、爬纜索機(jī)器人以及管內(nèi)移動機(jī)器人等,這些機(jī)器人是根據(jù)某種特殊 的設(shè)計的機(jī)器人。三按控制體系結(jié)構(gòu)來分：1、功能式水平式結(jié)構(gòu)機(jī)器人；2、行為式垂直式結(jié)構(gòu)機(jī)器人；

22、3、混合式機(jī)器人。四按功能和用途來分：1、醫(yī)療機(jī)器人，2、軍用機(jī)器人，3、助殘機(jī)器人，4、清潔機(jī)器人等。五按作業(yè)空間來分：1、陸地移動機(jī)器人，2、水下機(jī)器人，3、無人飛機(jī)和空間機(jī)器人等。1.5多足機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀早在上世紀(jì)80年代，美國的著名機(jī)器人學(xué)家McGhee開始著手研發(fā)四足仿生機(jī) 器人以來，多足仿生機(jī)器人一直成為大量學(xué)者的研究對象。研發(fā)人員開始紛紛研究 多足機(jī)器人的模型和樣機(jī),并一步步攻關(guān)一個個難題。4多足機(jī)器人六足仿生機(jī)器人的一個最大的優(yōu)點(diǎn)是對行走路面的要求很低，它可以跨越障礙物、走過沙地、沼澤等特殊路面，因此可以用于工程探險勘 測、反恐防爆、軍事偵察等人類無法完成的或危險的工作，并且

23、機(jī)器人的足所具有 的大量自山度可以使機(jī)器人的運(yùn)動更加靈活，對阿凸不平的地形的適應(yīng)能力更強(qiáng)。 于是以McGhee等人為代表的對多足機(jī)器人的遠(yuǎn)動步態(tài)進(jìn)行了研究并提出了方案。 隨后，國內(nèi)外的眾多學(xué)者便開始研究多足機(jī)器人的運(yùn)動步態(tài)和控制。最后在Lee設(shè) 計了具有獨(dú)特獨(dú)特結(jié)構(gòu)的SERO六足仿生機(jī)器人，它把整個機(jī)器人的步態(tài)進(jìn)行了規(guī)劃, 實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎。同時，在國內(nèi)，中科院沈陽自動化研究所、清華 大學(xué)、等單位也先后展開了機(jī)器人的研究，并取得了較大的成果。圖1-lFred Delcomyn六足仿生機(jī)器人圖1-1是模仿美國的一種叫Perip laneta Americana的嫌螂而設(shè)計的仿生機(jī)

24、器人，機(jī)器人的整個身體比例約是該嫌螂的12到17陪左右。其參數(shù)如表1-1表1-1機(jī)器人Fred Delcomyn的參數(shù)參數(shù)機(jī)器人名稱國別尺寸(M)長*寬*高各部位比例骯*股節(jié)*脛節(jié)體重(KG)Fred Delcomyn 美國 0. 58*0. 14*0. 23 1 ： 1. 1 ： 1. 5 11隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷完善，多足機(jī)器人也別運(yùn)用到各個領(lǐng)域里面，圖1-2為MIT的仿生機(jī)器人，這個名為Gengh的機(jī)器人是MIT于1989年設(shè)計并制作的，主要用于火星的不規(guī)則地面的探測。圖l-2Gengh機(jī)器人同樣，在國內(nèi)也漸漸出現(xiàn)了一批設(shè)計和生產(chǎn)仿生機(jī)器人公司和個人，圖1-3是德 普施科技有限公司的DR

25、ROB系列高級機(jī)器人產(chǎn)品5。該機(jī)器人以1個曲柄搖桿機(jī) 構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)作為腿部和六足，以12個直流伺服電機(jī)作為驅(qū)動元件。利用德普施科 技有限公司的六足機(jī)器人包搭接出的六足機(jī)器人如圖1-3所示。圖1-3 DRROB系列高級機(jī)器人1. 6本設(shè)計的主要工作機(jī)器人系統(tǒng)是一個跨學(xué)科的綜合系統(tǒng)，涉及很多學(xué)科的知識。本文對現(xiàn)有的機(jī) 器人分析機(jī)械結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行該機(jī)器人運(yùn)動步態(tài)的研究,分析其步態(tài)穩(wěn)定性, 給出不同步態(tài)下的機(jī)器人落足點(diǎn)的位置矢量表達(dá)式,按照計算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，根 據(jù)六足步行機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)運(yùn)動的協(xié)調(diào)性、準(zhǔn)確性的控制要求，確定六足 仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)不同步態(tài)的控制策略。對六足

26、仿生機(jī)器人控制系 統(tǒng)的硬件電路和軟件流程給出詳細(xì)介紹，并進(jìn)行相關(guān)測試，驗(yàn)證整體設(shè)訃方案的正確 性和可靠性.論文主要內(nèi)容有：1、以自行設(shè)計的六足仿生機(jī)器人為研究對象，分析其機(jī)械結(jié)構(gòu)，按照“六足綱”昆蟲的運(yùn)動原理,進(jìn)行步態(tài)分析，確定機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃。2、分析適合機(jī)器人行走的運(yùn)動步態(tài)形式，規(guī)劃典型直線行走步態(tài)和定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步 態(tài),確定步態(tài)規(guī)劃中每種狀態(tài)的機(jī)器人足端位置矢量，進(jìn)行機(jī)器人穩(wěn)定性分析,3、根據(jù)六足步行機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)運(yùn)動的協(xié)調(diào)性、準(zhǔn)確性的控制要求， 設(shè)訃六足仿生機(jī)器人控制系統(tǒng),確定對機(jī)器人腿部十二個舵機(jī)的控制方案，使機(jī)器人 根據(jù)U的地的方位,實(shí)現(xiàn)不同步態(tài)的控制策略。4、完成六足仿生機(jī)器人

27、控制系統(tǒng)的硬件設(shè)訃和軟件設(shè)計。1. 7本章小結(jié)本章主要是對機(jī)器人有一各概況，著重介紹了機(jī)器人的發(fā)展及國內(nèi)外的一些機(jī) 器人的發(fā)展成果，并交代了本次設(shè)訃的設(shè)訃背景,為后續(xù)的設(shè)計指明了方向。第二章六足仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計“六足綱”昆蟲蟬螂，螞蟻等等 在平坦無阻的地面上快速行進(jìn)時，多以交替的 三角步態(tài)運(yùn)動1,即在步行時把六條足分為兩組，以身體一側(cè)的前足、后足與另一 側(cè)的中足作為一組，形成一個穩(wěn)定的三角架支撐蟲體，因此在同一時間內(nèi)只有一組的 三條足起行走作用:前足用爪固定物體后拉動蟲體前進(jìn)，中足用以支撐并舉起所屬一 側(cè)的身體,后足則推動蟲體前進(jìn)，同時使蟲體轉(zhuǎn)向，行走時蟲體向前并稍向外轉(zhuǎn)，三條 足同

28、時行動,然后再與另一組的三條足交替進(jìn)行，兩組足如此交替地擺動和支撐，從 而實(shí)現(xiàn)昆蟲的快速運(yùn)動，我們將這種步態(tài)定義為“三角步態(tài)” 6。2.1 “六足綱”昆蟲的運(yùn)動原理2. 1. 1步態(tài)的參數(shù)描述“六足綱”昆蟲體的腿可以看作兩狀態(tài)器件:腿的懸空相和腿的支撐相。腿的 懸空相Transfer phase指腿抬離地面的階段，懸空相狀態(tài)記為“ 1 ”。腿的支撐相support phase指腿支撐在地并推動機(jī)體向前運(yùn)動的階段,支撐相的狀態(tài) 記為“0”。運(yùn)動周期T指周期步態(tài)中某一腿運(yùn)動一個完整循環(huán)所需要的時間。周 期步態(tài)指各腿的運(yùn)動周期相同，且任一腿的運(yùn)動周期不隨時間而變化“六足綱”昆 蟲在運(yùn)動過程中，可以以

29、不同的周期進(jìn)行運(yùn)動有荷因數(shù)dutyf actor指腿i支撐 在地面上的時間占整個運(yùn)動周期的比例：以下有荷因數(shù)用Q表示,Q腿i的支撐相 時間/腿i的周期;Qi腿i的支撐時間/腿i的周期若QiO, il, 2, ”, 2k2k為總足數(shù)， 則步態(tài)稱為規(guī)則步態(tài)regular腿i的相對相位，指笫i足的觸地時刻相對于第一足 的延時在一個運(yùn)動周期中的比例步距stride length,指一個完整的腿循環(huán)中機(jī)體重心移動的位置。腿行程leg stroke,指支撐相時足端相對于機(jī)體移動的距離。腿節(jié)距l(xiāng)eg pitch,指橫向運(yùn)動時，機(jī)體同一端上相鄰?fù)冗\(yùn)動主平面之間的距 離。行程節(jié)距stroke pitch,指縱向

30、運(yùn)動時，體同一端上相鄰?fù)刃谐讨悬c(diǎn)的間距。行 間距，指橫向運(yùn)動時,機(jī)體前后足對行程中點(diǎn)的間距。推程時間tp,指腿在支撐相的持續(xù)時間?；爻虝r間tr,指腿在懸空相的持續(xù)時間。平均速度，指機(jī)體的平均運(yùn)動速度。山此可以導(dǎo)岀行程R、步距a和有荷因數(shù)Q之間的關(guān)系式是Ra*Q.靜態(tài)穩(wěn)定六 足步行機(jī)器人，由于要求Q1/2,所以tr?tp ,即平均速度上限取決于tc行走系統(tǒng) 釆用波形步態(tài)時，機(jī)體每一側(cè)各腿的邁步動作形成一種山后向前的波形式.自然界六 足昆蟲在所有速度范圍內(nèi)都采用波形步態(tài).2. 1. 2三角步態(tài)運(yùn)動原理1、“六足綱”昆蟲的三角步態(tài)運(yùn)動原理機(jī)體運(yùn)動根據(jù)有荷因數(shù)dutyf actor的大小可分為3種情況

31、：1 Q 1 /2 :在三擺動腿著地的同時，另外三支撐腿立即抬起，即任意時刻同時 具有支撐相和擺動相。2 Q 1 / 2:機(jī)體移動較慢時，擺動相與支撐相有一短暫的重疊過程，即機(jī)體有 六條腿同時著地的狀態(tài)。3 Q 1/ 2:機(jī)體移動較快時，六條腿有同時為擺動相的時刻，即六條腿同時在空 中，處于騰空狀態(tài)，顯然此交替過程要求機(jī)體機(jī)構(gòu)具有彈性和消振功能，否則難以實(shí) 現(xiàn)。三角步態(tài) 或交替三角步態(tài)、3+3步態(tài)，是Q 1/2時的波形步態(tài)，運(yùn)動時六條腿 成兩組三角形交替支撐邁步前進(jìn)?！傲憔V”昆蟲嶂螂、螞蟻等步行時，一般不是 六足同時直線前進(jìn)，而是將三對足分成兩組，以三角形支架結(jié)構(gòu)交替前行。身體左側(cè) 的前、后

32、足及右側(cè)的中足為一組，右側(cè)的前、后足和左側(cè)的中足為另一組，分別組成 兩個三角形支架。當(dāng)一組三角形支架中所有的足同時提起時，另一組三角形支架的 三只足原地不動，支撐身體,并以其中足為支點(diǎn)，前足脛節(jié)的肌肉收縮，拉動身體向前, 后足脛節(jié)的肌肉收縮，將蟲體往前推,因此身體略作以中足為支點(diǎn)的轉(zhuǎn)動，同時蟲體 的重心落在另一組“三角形支架”的三足上,然后再重復(fù)前一組的動作，相互輪換周 而復(fù)始。這種行走方式使昆蟲可以隨時隨地停息下來,因?yàn)橹匦目偸锹湓谌侵Ъ?之內(nèi)。這就是典型的三角步態(tài)行走法，其行走軌跡并非是直線,而是呈“之”字形的 曲線前進(jìn)。72. 2六足仿生機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)分析“六足綱”昆蟲體的基本組成為軀

33、千、腿部兩部分，所以文中涉及的六足機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)也主要由軀千、腿部兩部分組成。該機(jī)器人的每個腿有2個 舵機(jī)組成，共12個舵機(jī)。其遠(yuǎn)動步態(tài)主要仿生的對象是“六足綱”昆蟲。本設(shè)計的 機(jī)器人的相關(guān)參數(shù)如下表：表2-1本設(shè)計機(jī)器人相關(guān)參數(shù)機(jī)器人自重 尺寸(MM)長寬高負(fù)重自由度 前進(jìn)速度1. 3KG 310*279*135 0. 5KG 12 3. 75CM/S驅(qū)動方式工作電壓步長轉(zhuǎn)角越障高度直流伺服4. 8V 10. 3CM/步10. 5度/步2CM六足仿生機(jī)器人的實(shí)物如圖2-1所示：圖2-1本設(shè)計的六足仿生機(jī)器人六足仿生機(jī)器人就結(jié)構(gòu)來說是腿部最為復(fù)雜，它的六條腿是完全根據(jù)仿生學(xué)而 設(shè)訃的，腿部的比

34、例是要有特定數(shù)值的。整個腿有大腿和小腿組成，通過髓關(guān)節(jié)的正交電機(jī)的驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)了豎直方向的抬起和水平方向的移動。并且腿部向前移動的最 大角度是45度，向后移動的最大角度也是45度。向上移動的最大角度是30度。機(jī)器人腿部的實(shí)物如圖2-2所示：圖2-2機(jī)器人腿部實(shí)物2.3本章小結(jié)本章主要分析了 “六足綱”昆蟲的遠(yuǎn)動步態(tài)以及原理。并且分析和確定本設(shè)計 的一些參數(shù)，給出了相關(guān)的參數(shù)，為后續(xù)的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。第三章六足仿生機(jī)器人的步態(tài)分析和設(shè)計六足步行機(jī)器人的步態(tài)是多樣的，其中三角步態(tài)或交替三角步態(tài)、3+3步態(tài)步態(tài) 是六足步行機(jī)器人實(shí)現(xiàn)步行的典型步態(tài)8。該步態(tài)是將機(jī)器人的6條腿分為2 組，腿1、3、5為A

35、組,分別為Al, A2, A3,腿2、4、6為B組,分別為Bl, B2, B3, 步行過程2組腿交替地擺起、放下。六足步行機(jī)器人腿部分組圖簡圖如圖3-1所 示。機(jī)器人步態(tài)的規(guī)劃包括:步態(tài)穩(wěn)定性分析，直行步態(tài)規(guī)劃與分析,定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài) 規(guī)劃與分析等。圖中1、3、5腿為A組;并用實(shí)線表示。圖中2、4、6腿為B組;并用虛線表示。3. 1六足步行機(jī)器人坐標(biāo)定義六足步行機(jī)器人機(jī)械簡圖如圖3-2所示，定義地面坐標(biāo)系及XOY與機(jī)身平行,Z 軸與機(jī)身垂直:機(jī)身坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)與機(jī)器質(zhì)心重合。腿部順序定義如圖示，定義 腿間距為n,體寬為2m. A, D為腿的站立點(diǎn),Ai, Di為腿與艦關(guān)節(jié)連接點(diǎn)。圖3-2機(jī)器人腿

36、部坐標(biāo)示意圖六足步行機(jī)器人腿部機(jī)械簡圖如圖3-2所示，定義腿部X軸投影長為L,腿高度 為H,大腿與小腿夾角為，骯關(guān)節(jié)在Z軸旋轉(zhuǎn)角度為，骯關(guān)節(jié)在Y軸旋轉(zhuǎn)角度為。由圖3 -3a可得六足步行機(jī)器人髓關(guān)節(jié)電機(jī)向上旋轉(zhuǎn)角度時，立足點(diǎn)A在Z方 向提升高度h,六足步行機(jī)器人腿部Z方向提升高度計算結(jié)果為：山表達(dá)式3-1,可以確定靛關(guān)節(jié)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度與立足點(diǎn)A在Z方向提升高度h的 定量關(guān)系。由圖3 -3 b可得六足步行機(jī)器人髓關(guān)節(jié)電機(jī)向前旋轉(zhuǎn)角度時，立足點(diǎn)A 在Y方向前進(jìn)半步長S/2,六足步行機(jī)器人腿部Y方向前進(jìn)步長計算結(jié)果：山表達(dá)式3-2,可以確定散關(guān)節(jié)電機(jī)向前旋轉(zhuǎn)Y1角度與立足點(diǎn)Ai在Y方向前進(jìn) 半步長S/2

37、的定量關(guān)系，當(dāng)較小時，可設(shè)旋轉(zhuǎn)角度后腿部在X軸上的投影長度近似為 Lo3. 2六足機(jī)器人的穩(wěn)定性分析3. 3. 1穩(wěn)定性分析步行機(jī)器人任一時刻姿態(tài)圖如圖3-4所示。站立點(diǎn)B、D、F及質(zhì)心0在地面坐 標(biāo)系X0Y平面內(nèi)投影為點(diǎn)Bl、DI、F1和01。機(jī)器人以“三角步態(tài)”行走時，任意時刻至少有1組腿著地，只要機(jī)器人質(zhì)心 投影點(diǎn)01落在支撐腿構(gòu)成陰影內(nèi)，如圖3-5所示，就能保證機(jī)器人穩(wěn)定。在實(shí)際控 制中，要合理選擇機(jī)器人的跨步和轉(zhuǎn)角，以保證點(diǎn)01落在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)。圖3-4步行機(jī)器人任一時刻姿態(tài)圖3. 3. 2穩(wěn)定裕量計算設(shè)某一時刻，機(jī)器人以“三角步態(tài)”行走時，其B組支撐腿著地點(diǎn)，機(jī)器人質(zhì)心 在X0Y平面

38、的投影如圖3-5所示,并設(shè)質(zhì)心投影01與X0Y平面坐標(biāo)原點(diǎn)重合。圖中，設(shè) A、B、C 在 X0Y 平面坐標(biāo)為:A XI, Yl、B X2,Y2、C X3, Y3 , 0M、ON, OP 為原點(diǎn)到直線AB, BC, CA的垂線，設(shè)則dl, d2, d3為機(jī)器人質(zhì)心投影與支撐三角形各邊的距離。直線AB方程為：垂線0M的方程為：III上兩式解得直線AB和直線0M的交點(diǎn)M XM , YM的坐標(biāo)為：貝IJ：dl同理，可以求得d2 , d3 o則六足機(jī)器人以三角步態(tài)行走時，其最小穩(wěn)定裕量判據(jù)為dmindl, d2, d33.4六足仿生機(jī)器人的直線運(yùn)動步態(tài)設(shè)訃3. 4. 1步態(tài)規(guī)劃前面我們已經(jīng)介紹過了 “六

39、足綱”昆蟲的三角步態(tài)運(yùn)動原理，下面將三角步態(tài) 運(yùn)用到六足仿生機(jī)器人的六足上面就會得到了六足機(jī)器人的運(yùn)動步態(tài)，這種運(yùn)動的 步態(tài)是六足仿生機(jī)器人在直線運(yùn)動的情況下完成的，它完成了六足仿生機(jī)器人的直 線運(yùn)動的一個周期的循環(huán)。六足仿生機(jī)器人直線行走步態(tài)示意圖如圖3-6所示。圖A、B、C、D、E、F表示完成前進(jìn)一步的過程,其中：圖3-7(A): 1、3、5抬起向前;圖3-7(B):抬起的1、3、5放下后,2、4、6抬起；圖3-7(0:1、3、5向后移動半步，做位置調(diào)整，2、4、6向前；圖 3-7(D):2、4、6 放下,1、3、5 抬起的;圖3-7(E):2、4、6向后移動半步長；圖3-7(F):六條腿

40、均落地，回到最初的狀態(tài)。機(jī)器人通過重復(fù)著上圖的動作就可以實(shí)現(xiàn)六足機(jī)器人的擺動相和支撐相 的交替過程。3. 4. 2步態(tài)動作分析對直線行走步態(tài)規(guī)劃圖具體分析，其不同步態(tài)時刻的各點(diǎn)位置矢量如下：(1) 如圖3-6A所示,1、3、5腿抬起向前，初始位置不做分析，由于前面已經(jīng)提到 當(dāng)較小時，可設(shè)旋轉(zhuǎn)角度后腿部在X軸上的投影長度近似為Lo此時,各腿的支撐點(diǎn) 位置矢量為：(2) 如圖3-6(B)所示,1、3、5放下后，然后2、4、6抬起;則此時的位置矢量：(3) 1、3、5向后移動半步，做位置調(diào)整，2、4、6向前，則其位置矢量：(4) 2、4、6放下后，1、3、5抬起;則位置矢量：(5) 2、4、6向后移

41、動半步長，做姿勢調(diào)整，此時的位置矢量：(6) 六條腿均落地，回到最初的狀態(tài)。此時的位置矢量：通過以分析，可以通過合理選擇步距，保證機(jī)器人質(zhì)心的投影點(diǎn)落在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi), 完成機(jī)器人的直線行走。3. 5 三角步態(tài)”定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)設(shè)計“三角步態(tài)”定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)也將步態(tài)周期劃分為4個執(zhí)行階段,其擺腿順序也 有2種:A到B組或B組到A組。若A組腿先擺動，機(jī)器人右轉(zhuǎn)，若B組腿先擺動，則 左轉(zhuǎn)。下面以左轉(zhuǎn)運(yùn)動步態(tài)為例子來分析它的步態(tài)。左轉(zhuǎn)彎步態(tài)規(guī)劃圖如圖3-7所 示。如圖3-8A所示,機(jī)器人4, 6腿旋轉(zhuǎn)Y角度，此時，各腿的位置矢量為:設(shè)旋轉(zhuǎn)y 角度后腿部在X軸上的投影長度近似為L9。2如圖3-7B所示,機(jī)器人B

42、組腿作支撐腿,A組抬起，此時，腿的位置矢量為：3如圖3-7 C所示,機(jī)器人B組腿作支撐腿,A組抬起，做姿態(tài)調(diào)整，位置矢量為：4如圖3-7 D所示,A和B組腿均落地，作支撐腿，完成旋轉(zhuǎn)y角度動作,此時位 置矢量為:通過以上分析，“三角步態(tài)斤定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)穩(wěn)定性易滿足,其最大轉(zhuǎn)角計算考慮 到機(jī)械結(jié)構(gòu)和行走地貌的約束?？梢酝ㄟ^合理選擇旋轉(zhuǎn)丫角度，完成機(jī)器人的定點(diǎn) 轉(zhuǎn)彎動作。3. 6本章小結(jié)本章研究六足機(jī)器人三角行走步態(tài),分析了機(jī)器人三角步態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕量 的訃算，規(guī)劃了典型直線行走步態(tài)和定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)，并對典型直線行走步態(tài)和定點(diǎn)轉(zhuǎn) 彎步態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)分析，給出各種步態(tài)動作時落足點(diǎn)的位置矢量表達(dá)式，為機(jī)器

43、人行 走奠定基礎(chǔ)。第四章六足仿生機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)訃控制系統(tǒng)的設(shè)計主要任務(wù)是完成全方位步態(tài)的軟件設(shè)訃，也就是對12個舵機(jī)的 調(diào)度和控制。設(shè)定一個口標(biāo)功能:在行進(jìn)的過程中完成避開障礙物。在完成的避開 障礙物的過程中來體現(xiàn)全方位的六足步態(tài)。4. 1功能分解要避開障礙物，首先探測到障礙物，其次能完成繞開障礙物，這就要求機(jī)器人能 完成前進(jìn),后退、左右轉(zhuǎn)彎動作。動作的協(xié)調(diào)完美性的實(shí)現(xiàn),要求了在任一時刻能夠做出12個舵機(jī)的同步動作控制。控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖可表示為圖 4-1所示。通過上圖可以看出，12個舵機(jī)是需要同時控制的，那么，很顯然我們需要有12個 控制信號來共同作用，也就意味著要求單片機(jī)產(chǎn)生12路的

44、PPM波,利用這12個PPM 波來控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動角度。在這里我們可以用51單片里的兩個定時器來產(chǎn)生多次 中斷的方法獲得這樣的控制的信號。從而完成機(jī)器人的前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)彎。在本次設(shè)訃中，整個系統(tǒng)是以模塊化的設(shè)計思想，將對所有舵機(jī)調(diào)度做成一個獨(dú) 立的模塊，所有的高層動作都是通過調(diào)用底層舵機(jī)控制的模塊來完成。4. 2控制系統(tǒng)的硬件設(shè)汁中央控制模塊是整個控制系統(tǒng)的核心，本次設(shè)計采用微處理器AT89S52為核心 構(gòu)成，負(fù)責(zé)舵機(jī)協(xié)調(diào)動作處理,障礙檢測數(shù)據(jù)處理等功能。4. 2. 1微處理器AT89S52簡介AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位單片機(jī)10,片內(nèi)含SKBI SPIn- system

45、 programmable的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器、該器件采 用Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造、兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及 80C51引腳結(jié)構(gòu).片內(nèi)集成了通用的8位CPU和ISP Flash為存儲單元，可為眾多嵌 入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、高性價比的解決方案。TA89S52具有如下特點(diǎn):40個引腳,8KB Flash片內(nèi)程序存儲器,256Bytes的隨 機(jī)存儲數(shù)據(jù)存儲器RAM, 32個外部雙向輸入/輸出I/O 口，1個6向量2級中斷結(jié) 構(gòu);3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗WDT電路和片內(nèi)時鐘振蕩器.此外,AT89S52設(shè)計和配

46、置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件 設(shè)置的省電模式。在空閑模式下,CPU暫停工作，而RAM、定時計數(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)，禁止電路的其他功能 直至外中斷激活或硬件復(fù)位。該電路具有PDIP、TQFP和PLCC等封裝形式，以適應(yīng) 不同產(chǎn)品的設(shè)訃要求。常用的AT89S52封裝電路為PDIP形式，其圖如圖4-2所示。圖4-2 AT89S52封裝圖AT89S52具有32個可編程I/O端口，其中,P0 口和P1 口的前六個引腳分別接12 個舵機(jī)，來控制舵機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn),P3 口前兩個引腳接觸位開關(guān)。如表4-1所示。表4-1 I/O引腳分配表引腳端口功能分配P0

47、. 0-P0. 5接左邊的六個舵機(jī)Pl. 0-P1. 5接右邊的六個舵機(jī)P3. 0-P3. 1接觸位開關(guān)4. 2. 2舵機(jī)模塊設(shè)計（1）舵機(jī)的概述舵機(jī)最早出現(xiàn)在航模運(yùn)動中。在航空模型中，E行機(jī)的飛行姿態(tài)是通過調(diào)節(jié)發(fā) 動機(jī)和各個控制舵面來實(shí)現(xiàn)的。舉個簡單的四通飛機(jī)來說，飛機(jī)上有以下兒個地方 需要控制：1. 發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量，來控制發(fā)動機(jī)的拉力（或推力）；2. 副翼舵面（安裝在飛機(jī)機(jī)翼后緣），用來控制機(jī)的橫滾運(yùn)動；3. 水平尾舵面，用來控制E機(jī)的俯仰角；4. 垂直尾舵面，用來控制E機(jī)的偏航角；遙控器有四個通道，分別對應(yīng)四個舵機(jī)，而舵機(jī)乂通過連桿等傳動元件帶動舵面 的轉(zhuǎn)動，從而改變飛機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)。舵機(jī)因

48、此得名：控制舵面的伺服電機(jī)。不僅在航模飛機(jī)中，在其他的模型運(yùn)動中都可以看到它的應(yīng)用：船模上用來控制 尾舵，車模中用來轉(zhuǎn)向等等。山此可見，凡是需要操作性動作時都可以用舵機(jī)來實(shí)現(xiàn) 11。傳統(tǒng)舵機(jī)的控制方式以20ms為一個周期,用一個1. 5ms?0. 5ms的脈沖來控制 舵機(jī)的角度變化,隨著以CPU為主的數(shù)字革命的興起,現(xiàn)在的舵機(jī)已成為模擬舵機(jī) 和數(shù)字舵機(jī)并存的局面，但即使是現(xiàn)在的數(shù)字舵機(jī)，其控制接口也還是傳統(tǒng)的 1. 5ms?0. oms的模擬控制接口，只是控制芯片不再是普通的模擬芯片而已;不能完全 發(fā)揮現(xiàn)代數(shù)字化控制的優(yōu)勢，這在傳統(tǒng)的遙控競賽等領(lǐng)域，為了保持產(chǎn)品的兼容性， 不得不保留模擬接口，

49、而在一些新興的領(lǐng)域完全可以采用新型的全數(shù)字接口的純數(shù) 字舵機(jī)。純數(shù)字舵機(jī)采用全新的單線雙工通訊協(xié)議，不僅能執(zhí)行普通舵機(jī)的全部功 能,還可以作為一個角度傳感器，監(jiān)測舵機(jī)的實(shí)際位置,而且可以多個舵機(jī)并聯(lián)互不 影響。在未來的自動化控制領(lǐng)域有著不可估量的優(yōu)勢。采用純數(shù)字舵機(jī)構(gòu)建的自動化控制系統(tǒng),不僅可以大幅提升系統(tǒng)性能，而且可以降低系統(tǒng)的生產(chǎn)維護(hù)成本，提高 產(chǎn)品性價比，增強(qiáng)市場競爭力。(2)舵機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制一般來講，舵機(jī)主要由以下兒個部分組成，舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位 計5k、直流電機(jī)、控制電路板等。工作原理:控制電路板接受來自信號線的控制信號(具體信號待會再講)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，電機(jī)帶動一系列齒

50、輪組，減速后傳動至輸出舵盤。舵機(jī)的輸出軸 和位置反饋電位計是相連的，舵盤轉(zhuǎn)動的同時，帶動位置反饋電位計，電位計將輸出 一個電壓信號到控制電路板，進(jìn)行反饋，然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機(jī)的轉(zhuǎn) 動方向和速度，從而達(dá)到LI標(biāo)停止。舵機(jī)的控制一般需要一個20ms左右的時基脈沖，該脈沖的高電平部分一般0. 5ms遼.5ms范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分。以180度角度伺服為例,那么對應(yīng)的控 制關(guān)系如表4-2所示。表4-2時基脈沖與舵機(jī)角度對應(yīng)表脈沖值(ms) 0.5 1.0 1.5 2.0 2. 5對應(yīng)角度(度)0 45 90 135 1804. 2. 3避障模塊設(shè)計多足機(jī)器人為了能在未知或時變環(huán)境下自主地工作.應(yīng)具有感受作業(yè)環(huán)境和規(guī) 劃自身動作的能力。為此,必須提高機(jī)器人對當(dāng)前感知環(huán)境的快速理解識別及實(shí)時 避障的能力。實(shí)時避障是實(shí)現(xiàn)智能化機(jī)器人自主工作能力的關(guān)鍵技術(shù)也是國內(nèi)外 智能機(jī)器人近期發(fā)展的一個熱點(diǎn).其顯著特征是具有傳感器信息反饋.可以實(shí)現(xiàn)很好 的智能行為12。機(jī)器人避障的關(guān)鍵問題之一是在運(yùn)動過程中如何利用傳感器對環(huán)境的感知。所 以避開障礙物的功能實(shí)現(xiàn)，傳感器的選擇將是首要解決的問題。避障傳感器一般有 接觸式、和非接觸式的。接觸式傳感器一般用微動開關(guān)，當(dāng)機(jī)器人接觸到物體時間可以從產(chǎn)生電位的變 化中檢測到。微動開關(guān)實(shí)質(zhì)上是一個單刀雙擲開關(guān)圖3-12所