畢業設計（論 文） 中圖分類號： 無線遙控智能爬行機器人 專業名稱： 光機電一體化 學生姓名： 導師姓名： 職 稱： 武漢科技大學機電工程系 2007 年 3月 中圖分類號： 密級： UDC： 單位代碼： 10488 無線遙控智能爬行機器人 WIRELESS REMOTE INTELLIGENT CRAWILING ROBOT 姓 名： 學 制： 專 業：光機電一體化 研究方向： 導 師： 職 稱： 講師 論文提交日期： 3月 1號 論文答辯日期： 3月 15 日 武漢科技大學機電工程系 摘 要 機器人是機構學、運動學、控制理論等學科發展水平的綜合體現，是當前國內外研究的熱點問題之一。 “ 無線遙控爬行機器人 ” 是我們設計的第一個機器人，從仿生學的角度，昆蟲的生理構造及行為是比較容易模仿的，我們的機器人正是在模仿四足行走的動物，該機器人是一個仿生 4 足行走的機器人，通過對伺服馬達的精確控制模擬四足動物的行走步態，實現行走、急跑、轉彎等各種步態行為，并能在各種地面環境下進行步態的智能調整，自適應光滑地面、粗 糙地面、沙石地面、濕泥地面等惡劣的路面環境。 該系統通過 AT89S51、 USB100 模塊、 NT-TR01 無線傳輸模塊及相應的輔助電路實現智能控制及無線遙控。 PC 端通過 USB 接口與 NT-TR01 模塊連接，遠程控制端單片機與 NT-TR01 模塊連接，實現數據的雙向傳輸。 最后進行了系統聯合調試，結果表明：系統的軟、硬件設計合理可行，為后續的研究工作奠定了基礎。 關鍵詞： 機器人，仿生學， 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 機器人 的 發展 歷程 （ 6） 1.2 機器人的未來走向 （ 8） 1.3 研究機器人的意義 （ 9） 2 機器人機構設計 （ 10） 2.1 項目研究 （ 10） 2.2肢體的機構設計 （ 11） 2.2.1 微型伺服馬達的機構 （ 11） 2.2.2 爬行機器人的肢體機構設計流程 （ 13） 2.3軀體的機構設計 （ 17） 3 步態分析及其實現原理 （ 20） 3.1 步態分析 （ 20） 3.2 步行原理 （ 21） 3.2.1 單足行為 （ 21） 3.2.2 四足協作 （ 22） 4 通信電路設計 （ 24） 4.1 電源 選擇 （ 24） 4.2USB 模塊通信電路設計 以及其原理 （ 25） 4.2.1USB100 模塊 （ 26） 4.2.2AT85S51 單片機 （ 27） 4.3 普通 COM 通信電路設計 以及其原理 （ 28） 4.3.1MAX232 電路轉換原理 （ 29） 5 技術及軟件 （ 30） 參考文獻 （ 31） 附錄 （ 32） 致謝 （ 36） 武漢科技大學光機電專業畢業論文 第一章 引言 1 1 引言 1.1 機器人的發展歷程 20 世紀 20 年代，“機器人（ Robot） ” 作為專有名詞第一次出現 。 1920 年 ,捷克作家卡雷爾查陪克編寫了一部幻想劇 :羅沙姆的萬能機器人 。 劇中描寫 了一家公司發明并制造了一大批能聽命于人 ,能勞動且形狀像人的機器 ,公司用這些機器從事各種日常勞動 ,甚至取代了各國工人的工作 ,后來的研究使這些機器有了感情 ,進而導致它們發動了反對主人的暴亂 。 這個小說在 1924 年和 1927 年的時候被紛紛傳到了日本、法國和歐洲國家，還變成了一種當時的木偶劇和一些話劇，所以這樣的一個機器人的名詞就向全世界鋪展開來，當時人們還認為是一個科幻小說，還沒有把它跟我們日常的學習工作和生產結合起 來 。 但通過這樣一個小說，一個羅伯特這樣一個名詞，它體現了人類長期的一種愿望，這種愿望就是創造出一種機器，能夠代替人進行各種工作。這種想法是機器人產生的一種客觀的要求，那么真正機器人的發展是在 1947 年，美國橡樹嶺國家實驗室在研究核燃料的時候，大家知道核燃料，它有 X射線對人體是有傷害 的，必須有一臺機器來完成像搬運和核燃料的處理這樣的工作。在 1947 年產生了世界上第一臺主從遙控的機器人，那么 1947 年以后大家知道，是計算機電子技術發展比較迅速的時期，因此各國已經開始利用當時的一些現代的技術，進行了機器人研究。那么在 1962 年美國研制成功 PUMA 通用示教再現型機器人，那么這就標志著機器人走向成熟，應該說第一臺可用的機器人在 1947 年產生，真正意義的機器人在 1962 年產生。那么相繼不久，在英國等國家，也相繼研究出一些機器人，那么到了 20 世紀 60 年代末，日本人將它的國民經濟的汽車工業與機器人進 行結合，它購買了美國的專利，在日本進行了再次開發和生產機器人。到 20 世紀 70 年代的時候，日本已經將這種示教再現型的機器人進行了工業化，出現了很多公司，現在的像 ABB， MOTOMAN，還有安川公司，還有很多機器人公司像 OTC 等等公司。它們都是已經將機器人進行了工業化，進行了批量生產，而且成功的用于了汽車工業，使機器人正式的走向應用。 武漢科技大學光機電專業畢業論文 第一章 引言 2 在 20 世紀 70 年代到 20 世紀 80 年代初期，工業機器人變成產品以后，得到全世界的普遍應用以后，那么很多研究機構開始研究第二代具有感知功能的機器人，出現了瑞典的 ABB公司，德國的 KUKA機器人公司，日本幾家公司和日本的 FUNAC公司，都在工業機器人方面都有很大的作為，同時我們也看到機器人的應用在不斷拓寬，它已經從工業上的一些應用，擴展到了服務行業，擴展了它的作業空間，向海洋空間和服務醫療等等行業的使用。所以從這張圖可以看出機器人發展的幾個過程。 那么總結一下，我們認為，機器人有三個發展階段，那么也就是說，我們習慣于把機器人分成三類，一種是第一代機器人，那么也叫示教再現型機器人，它是通過一個計算機，來控制一個多自由度的一個機械，通過示教存儲程序和信息，工作時把信息讀取出來，然后發 出指令，這樣的話機器人可以重復的根據人當時示教的結果，再現出這種動作，比方說汽車的點焊機器人，它只要把這個點焊的過程示教完以后，它總是重復這樣一種工作，它對于外界的環境沒有感知，這個力操作力的大小，這個工件存在不存在，焊的好與壞，它并不知道，那么實際上這種從第一代機器人，也就存在它這種缺陷，因此，在 20 世紀 70 年代后期，人們開始研究第二代機器人，叫帶感覺的機器人，這種帶感覺的機器人是類似人在某種功能的感覺，比如說力覺、觸覺、滑覺、視覺、聽覺和人進行相類比，有了各種各樣的感覺，比方說在機器人抓一個物體的時候， 它實際上力的大小能感覺出來，它能夠通過視覺，能夠去感受和識別它的形狀、大小、顏色。抓一個雞蛋，它能通過一個觸覺，知道它的力的大小和滑動的情況。 那么第三代機器人，也是我們機器人學中一個理想的所追求的最高級的階段，叫智能機器人，那么只要告訴它做什么，不用告訴它怎么去做，它就能完成運動，感知思維和人機通訊的這種功能和機能，那么這個目前的發展還是相對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器人實際上并沒有存在，而只是隨著我們不斷的科學技術的發展，智能的概念越來越豐富，它內涵越來越寬。 在我國 , 社會主義 制度 的優越性決定了機器人能夠充分發揮其長處。它不僅能為我國的經濟建設帶來高度的生產力和巨大的經濟效益，而且將為我國的宇宙開發、海洋開發、核能利用等新興領域的發展做出卓越的貢獻。 武漢科技大學光機電專業畢業論文 第一章 引言 3 我國已在 “ 七五 ” 計劃中把機器人列人國家重點科研規劃內容，撥巨款在沈陽建立了全國第一個機器人研究示范工程，全面展開了機 器人基礎理論與基礎元器件研究。十幾年來，相繼研制出示教再現型的搬運、點焊、弧焊、噴漆、裝配等門類齊全的工業機器人及水下作業、軍用和特種機器人。目前，示教再現型機器人技術已基本成熟，并在工廠中推廣應用。我國自行生產的機器人噴漆流水線在長春第一汽車廠及東風汽車廠投入運行。 1986 年 3 月開始的國家 863 高科技發展規劃已列入研究、開發智能機器人的內容。就目前來看，我們應從生產和應用的角度出發，結合我國國情，加快生產結構簡單、成本低廉的實用型機器人和某些特種機器人。 1 1.2 機器人 的 未來走向 據世界未來學預測： 年代更長時間內，世界上將出現十大變化，其中一大變化是：智能機器人將大量出現，今后年內，這種機器人將十分普及，雖然年代還不能普及，但技術上將有突破性進展。因此，智能機器人已成為各國高技術發展的規劃的熱點。目前基于感覺控制的第二代機器人已進入實用階段，預計本世紀未以前可望得到普及應用。 目前工廠中使用的機器人，還是一種 “ 體力勞動 ” 的機器人，人們利用它可以建立柔性自動化車間，生產了質量上乘的工業品。在而未來十年內，將出現一種 “ 腦力勞動 ” 的機器人，或稱 “ 專家系統 ” ，這種機器人通過電腦工作，可以取代 一個或幾個專家在高科技領域中從事科研工作。伴隨著智能自動化、微電子技術、可視圖像處理、信息技術及智能機器人發展的同時，以工廠自動化（）、辦公室自動化（）和家務自動化（）為主線的革命及智能系統，正以新的姿態進入高技術領域。人工智能與機器人的結合，將會給機器人 技術帶來革命性的變化。 被稱為 “ 機器人之父 ” 的公司的創始人喬 恩格伯杰認為，未來使機器人振興的是服務行業，特別是與醫療有關的行業具有極大的發展潛力，日本也打算將機器人用于醫院、餐廳和家庭等各個領域。喬 恩格伯杰領導的公司正率先開發藥劑師和醫院用的機器人。 武漢科技大學光機電專業畢業論文 第一章 引言 4 繼工業機器人發展高潮之后，國外也競相研制軍用機器人。美國、德國、法國和英國等先后裝備和研制成幾十種不同型號的軍用機器人，其中以美國為最多。年海灣戰爭中，美國的安全爆炸物機器人就參加了 “ 沙漠風暴 ” 作戰行動；英國也分別向沙特阿拉伯和科威特政府出售了臺和臺 “ 手推車 ” 地雷處理機器人，為海灣戰爭立下了汗馬功勞。美國陸軍部計劃年研制出用于前線修理車輪、排雷、運送彈藥和糧食以及作為步兵向導的軍用機器人。美國還計劃建立一支機器人艦隊，準備 分三個階段逐步完善，最后實現無人指揮的全自動艦艇、艦上的機器人可根據情況制訂作戰計劃，軍人機器人已展示了它在未來戰爭中廣闊的應用前景。 1.3 研究機器人的意義 為什么要 研究 機器人 呢 ?那么簡單說，有三個方面是我們必要去發展 機器人 的理由 :一個是機器人 可以干人類 不愿意干的事，把人從有毒的、有害的、高溫的或危險的，這樣的環境中解放出來，同時機器人可以干不好干的活，比方說在汽車生產線上我們看到工人天天拿著一百多公斤的焊鉗 ,一天焊幾千個點，就重復性的勞動，一方面他很累，但是產品的質量仍然很低；另一方面機器人干人干不了的活，這也是非常重要的機器人發展的一個理由，比方說人們對太空的認識， 當 人上不去的時候，叫機器人上天，上月球，以及到海洋，進入到人體的小機器人，以及在微觀環境下，對原子分子進行搬遷的機器人，都是人們不可達的工作。 所以說研究機器人對人類的發展有重要作用。 武漢科技大學光機電專業畢業論文 第二章 機器人機構設計 5 2 機器人機構設計 2.1 項目研究 仿生機器人（ Humanoid Robot）是先進機器人技術的高級發展階段，它綜合體現了高級機器人的機構學、運動與動力學、現代設計理論、信息檢測和感知、微電子學、控制理論等諸多方面的研究和發展水平，是一個復雜的綜合系統。 2圖 2-1 是我 本次論文研究 的機器人三維模擬圖。 圖 2-1 “ 無線遙控爬行機器人 ” 三維模擬圖 大學生科研訓練計劃（ Student Research Training Program-SRTP）是我校大力開展本科教育改革，實施理論教學、實踐教學、科學研究三位一體教學模式的重要組成部分，其目的是組織學生在教師的指導下，通過自主進行課題研究和探索。了解和掌握基本的科學研究方法和手段，培養大學生嚴謹的科學態度、創新創業意識和團隊合作精神，提高大學生的研究創新能力和綜合實踐能力。 武漢科技大學光機電專業畢業論文 第二章 機器人機構設計 6 “ 無線遙控 智能 爬行機器人 ” 正 是 武漢科技 大學 機械 項目之一，機器人的開發是來源于學生的興趣 和 愛好，在指導老師的制導下完成機器人的開發。 2.2 肢體的機構設計 2.2.1微型伺服馬達的機構 我們的機器人是由 8 個微型伺服馬達驅動，整個機器人的機構設計也是以微型伺服馬達為基礎的，所以在介紹機器人的機構設計前我想把微型伺服馬達的機構及工作特性作一下介紹。 微型的伺服馬達在無線電業余愛好者的航模活動中使用已有很長一段歷史，而且應用最為廣泛，國內亦稱之為 “ 舵機 ” ，含義為： “ 掌舵人操縱的機器 ” 。可見，微型伺服馬達主要用作運動方向的控制部件。伺服馬達本質 上是可定位的馬達。當伺服馬達接受到一個位置指令，它就會運動到指定的位置。因此，個人機器人模型中也常用到它作為可控的運動關節，這些活動關節我們也常稱它為自由度 。 一個微型伺服馬達內部包括 ： 一個小型直流馬達；一組變速齒輪組；一個反饋可調電位器；及一塊電子控制板。 1 如 圖 2-2 是我們所用微型伺服馬達的三維模擬圖 。 武漢科技大學光機電專業畢業論文 第二章 機器人機構設計 7 圖 2-2 微型伺服馬達的三維模擬圖 其中 工作原理是：一個直流電機加上一個減速比為 180： 1 的減速器，同時使輸出轉矩增加 180 倍。即 高速轉動的直流馬達提供了原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，使之產生 高扭力的輸出，齒輪組的變速比愈大，伺服馬達的輸出扭力也愈大，也就是說越能承受更大的重量，但轉動的速度也愈低。我們正是依靠伺服馬達的兩個輸出轉矩作為驅動的來源。 同時我們設置一個可調電位器可隨時檢測輸出軸的位置，所以控制板可以將輸出軸精確地轉至設置的位置并維持在該處。 2.2.2爬行機器人的肢體機構設計流程 我們的設計是從 4 足機器人的一個肢體開始的，因為 4 個肢體的設計是非常相似的。為了能夠充分利用伺服馬達的輸出轉矩，我把馬達輸出的轉臂就作為機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。想到四足動物的步行狀態，即做上下擺動和前后搖動，我開始把一個肢體的機構設計如下： 武漢科技大學光機電專業畢業論文 第二章 機器人機構設計 8 圖 2-3肢體的單電機機構 我們通過下面電機的轉動帶動上面齒輪臂的轉動，進而帶動圓住凸輪的轉動并把它的圓周運動轉化為上連桿的擺動，再帶動其它關節的轉動。其結構間圖下： 武漢科技大學光機電專業畢業論文 第二章 機器人機構設計 9 圖 2-4 肢體的單電機運動間 圖 由于此機構的運動比較單一，而且在運動的協調性上不易控制我們最后選取了雙電機機構。通過上下兩個電機的獨立轉動帶動肢體關節轉動，這樣在機器人行走的過程中就可以比較協調，而且我們的機器人的自由度也將增加，具體的協調性分析及其行走的步態分析將在下面作詳細介紹。 圖 2-5 肢體的雙電機機構及其機構運動間圖 這樣通過兩個 寬帶調頻 (PWM)信號分別控制上下兩個電機就可以比較輕松的實現一個肢體的 “ 抬高 ” 和 “ 邁進 ” 。 那么如何獲得最佳 PWM 呢 ?高頻的 PWM 信號 更不易使電機發生機械共振。低頻信號較容易產生共振 ,使電機振動乃至“唱”（ 一種音頻域內的低聲）。電機的特性將決定應該使用多高的 PWM 頻率。如果電機繞組的電阻相對于其電感來說較高，則在導通期間電機不會達到最大電流，從而電機的轉速也不會達到最快。大多數的電機對電感都沒有具體的說明 ,所以 用戶不得不人為地假設。 武漢科技大學光機電專業畢業論文 第二章 機器人機構設計 10 另一個限制 PWM 信號頻率的因素是所使用的硬件或軟件。事實上軟件通常是一個瓶頸。但作者建議 PWM 的頻率無論如何不應該低于 1kHz，否則電機將發出很大的噪聲。在低頻段 ,當占空比為 50%時 ,電機極容易產生噪聲。而 較高的頻率段（ 8kHz 或更高）將避免這種情況。實際上 ,作者所測試的絕大多數小型直流電機在10 20kHz 的頻率段運行時 ,在聽覺范圍內感覺不到任何噪聲。 如果 能夠得到電機的詳細參數 ,就可以通過計算求出被采用的電機所允許的最高 PWM 信號頻率 ,下面給出相應的計算公式。在該計算公式中必須讓不等式的左邊項遠大于右邊項 ,比如說 10 倍或以上。否則 ,電機電流將不足以達到峰值 ,輸出轉矩也不會達到最大。 2 fLR 式中 ,f 為頻率 ,L 為 電鈕 電感 ,R 為 電鈕 電阻。 式中 電鈕 電阻可由萬用表測得。但是電感 L 如果沒有專門的電感測量儀 器 ,就無法得知它的具體數值 ,除非這一參數被事先給定。 1 武漢科技大學光機電專業畢業論文 第二章 機器人機構設計 11 圖 2-6 雙電機 含鏡向 機構 通過 4個肢體的協調工作我們就可以控制機器人的行走（前進，后退，轉身等）。另外，在我們的考慮到我們的機器人實際工作環境時，想到了如果它在行走的過程中翻身了怎么辦？所以在原有雙電機的機構基礎上我們加以了改進，那就是在原 來肢體上再加鏡向關節。 （如圖 2-6）這樣在機器人翻轉 180 度后依然可以利用上面的鏡向圖 2-6 肢體的雙電機含鏡向關節機構關節行走。最后通過我們小組的 討論，圖 2-6的機構在可行性上有一定限制（機器人在翻身后未必翻到 180度，這樣上關節就起不到），即無法充分可靠的利用鏡向關節最后我們放棄了這個方案。希望在以后的設計中能夠想到更好的方案。所以最后我們采用的還是圖 2-5的雙電機無鏡向關節的機構。 2.3 肢體的機構設計 軀體是連接四個肢體的關鍵部分，軀體的結構設計也顯得十分重要，我們從電機的結構出發，結合實際四足動物的形體特征，我們的軀體設計經過以下幾個階段： 武漢科技大學光機電專業畢業論文 第二章 機器人機構設計 12 圖 2-7 軀體機構的實際流程圖 圖 2-7 軀體機構的三維圖 通過最后的軀體機構我們就可以把四個雙電機肢體很好的連接在一起了，并且通過最后改進的軀體梁結構，我們可以讓機器人有充分的靈活性，這主要是 “ 中間軸 ” 和兩個 “ 鉸鏈 ” 的作用。 武漢科技大學光機電專業畢業論文 第二章 機器人機構設計 13 圖 2-7 整體機構圖（主視） 最后把軀體和四個肢體通過螺釘緊固在一起，這樣機器人的整體機構就組合好了， 然后通 過控制 8個伺 服 電機就可以讓它 “ 行動自如 ” 了。 對于連接方式有五種：接線螺母、接線端子、錫焊、接頭、印制電路板接線端子。我們可以根據具體連接的情況選取不同的方式。 2.4 本章小結 本章主要闡述了機器人的組成單元以及各組成成分在機器人運行過程中的作用，然后介紹了軀體的機構設計流程，并對控制系統信號的來源以及控制做了必要的 分析！ 設計的機器人是從仿生學的觀念出發，綜合機構學、運動與動力學、現代設計理念、信息檢測和感知、微電子學、控制理念等方面著手的！ 武漢科技大學光機電專業畢業論文 第三章 步態分析及其實現原理 14 3 步態分析及其實現原理 3.1 步態分析 觀察一下狗和貓的運動，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運動的。膝關節向前，而肘關節向后。這意味著機器人向前運動的主要動力來自于后腿，前腿只是向前伸展著地。觀察四足動物步態時要牢記這一點。四足動物的行動方式包括：爬、走、慢走、快步、慢跑、飛奔等。因此 根據我們對 節肢昆 蟲的步行原理，建立起步行運動的模型，將昆蟲的運動進行簡化，抽象 其 四足運動的基本原理，并制作出了一個理論驗證模型，可以實現前進、后退、左轉、右轉、避障等動作。 下面 介紹一下如何能像四足動物一樣快步行走。快步行走時，兩條腿支撐 地面，兩條腿騰空。成對角的兩條腿是一組，即左前腿和右后腿這一組離開地面的同時，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調運動的呢？ DanMichaels 對哺乳動物的行動做了研究，認為以下是快步行走的最佳方式。由于機器人沒有動態平衡機能，因此抬腿不能太快，在斜線上不能允許出現太大的晃動，否則就必須在機器人中使用大腳掌結構的靜態平衡方法。 3 武漢科技大學光機電專業畢業論文 第三章 步態分析及其實現原理 15 3.2 步態 原理 3.2.1單足行動 每一條腿有兩種狀態：向前走和向后走，對于每一個動作狀態來講，分為兩步：邁腿和收腿。這兩步連續不斷的循環， 設其周期 為 T，邁腿的時間為收腿時間的 1/3，為整個周期的 1/4，這個動作對于每條腿都是一樣的：每相鄰的兩個抬腿動作之間的相位差為 1/4 周期，由此可得出機器人在行走式的四條腿之間的時序關系，如圖 3-1 所示 ： 圖 3-1 四條腿之間的時序關系 武漢科技大學光機電專業畢業論文 第三章 步態分析及其實現原理 16 3.2.2四足協作 機器人要實現穩定的行走，必須保證每時刻都有三條腿著地，而另外一條腿用來行走。全部行走的奧秘在于當一條腿抬起來時，其它三條腿是同時著地并且向后退的，這樣，機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，機器人就可以 圖 3-2 四條腿的空間三維模擬圖 連續向前走了。各種動作順序如下（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：右后 右前 左后 左前 ； 后退：右后 右前 左后 左前 ； 左轉：右后 右前 左前 左后 ； 右轉：右前 右后 左后 左前 。 武漢科技大學光機電專業畢業論文 第三章 步態分析及其實現原理 17 各條腿動作的時序關系如圖 3-1 所示。選擇不 同的動作順序則可以實現不同的行走方式。 那么如何協調腿之間的運動呢？如果機器人（或者以這種方式運動的動物）的身體很短，在后腿尚未完成它的發力過程，兩條腿就會相撞。如果想讓機器人的運動看起來更優美，也需要考慮這個問題。以下是四足步行機器人的步行過程 ，前提是機器人的一組腿已經開始運動了： （ 1） 按要求的前行速度移動機器人處于對角的一組腿，控制大腿和小腿張開的角度。一組中的兩條腿運動時必須保持同步。 （ 2） 同時，調節處于對角的另一組腿的小腿的角度，使之擺脫地面的約束，并擺動到下一次前行的發力點，為邁出下一步做好準備。 （ 3） 一旦第 1 步中的一組腿到達推進過程的結束點，將 第 2 步的一組腿的小腿伸開。 （ 4） 調節兩組腿的角色，回到第 1步，開始下一次循環。 顯然，為了順利地移動，對機器人小腿彎曲的 瞬間時刻和腿的移動速度進行調整是必要的。大腿和小腿間的夾角不同，機器人表現出來的心情可能也不一樣。角度很大，機器人看起來隱秘而小心；角度垂直時顯得很開心。當然，這是身體語言的范圍，但使機器人看起來更有生命力，這不正是我們的目的嗎？ 如果步行機器人有長長的腿，它在不平整的地面、斜坡或者其他 障礙路面（當然應該是機器人能夠跨得過去的）前進時的控制性能相對比較良好。 1 武漢科技大學光機電專業畢業論文 第三章 步態分析及其實現原理 18 3.3 本章小結 通過上章對 機器人的系統分析，本章主要著手分析機器人的運行原理！ 通過深入分析我們發現 機器人向前運動的主要動力來自于后腿，前腿只是向前伸展著地。 并且為了實現 機器人的 正常 行走，必須保證每時刻都有三條腿著地，而另外一條腿用來行走 。因此我 先從單足行動著手，分析它的運行規律，然后在分析了四足協作下的運行狀態！武漢科技大學光機電專業畢業論文 第四章 通信電路設計 19 4 通信電路設計 4.1 電源 選擇 因為本 次設計的機器人是一個小型機器人，因此我們采用單塊電池為電機和控制器同時供電。小機器人不需要大電流的電機，從而無須使用高電壓值的電池組。比如說，迷你相撲機器人的空間有限，甚至重量也受到相 應的限制，在這樣的情況下，機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）小型機器人在使用的電機，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換器件的 有效輸入電壓范圍之內。 （ 2）電機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。使用這種器件不會導致嚴重的電壓驟降。 （ 3）允許機器人隨機攜帶部件的空間或重量都受到限制。 任何額定電流在 100mA 或者超過該電流數值的電機，都要求使用鎳鎘或鎳氫電池供電。堿性電池不適合，因為它 的內阻很大，帶載后端電壓會大大下降。 電源總線的噪聲處理：直流電機，甚至集成驅動芯片或其他數字邏輯器件，都會在電源總線上產生噪聲。對此通常采用旁路電容來吸收瞬時脈動。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驅動器這類容易產生噪聲的芯片附近。同時地，因為電機驅動電路中的過沖電流會頻繁地流經電源總線，所以應當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 會推薦這種電解電容的取值，一般它們在 47 470 微法之間。旁路或者防浪涌電容在電路設計中也是非常必要的。我們會發現 ，所有的電路設計對這方面的問題都有所考慮。 3 武漢科技大學光機電專業畢業論文 第四章 通信電路設計 20 4.2USB 模塊通信電路設計以及其原理 計算機的輸入 /輸出接口有三種標準方式可以采用：緩沖接口、隔離接口、串行接口。但我們設計的系統采集的是 PWM 信號， 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。它是一個雙線接口：一根發送數據，而另一根接受數據。如果微控制器只發送數據，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，否則它們將無法通信。這是 PC 機和機器人之間經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據，可以節省一根 數據傳輸線，代價是無法同時接收和發送數據。 4 故可以把 該部分系統主要由 USB 接口插頭、 USB100 模塊、高性能單片機、NT-TR01 高速率雙向數據傳輸模塊組成， 下 圖是系統電路圖。 5 圖 4-1 系統電路圖 武漢科技大學光機電專業畢業論文 第四章 通信電路設計 21 4.2.1USB100模塊 USB100 模塊是基 于 ASIC 設計的，完全兼容 USB1.1 標準，最高速率 8Mbps，八位單片機并行接口。 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 數據線 D- USB 數據線 RXF 高表示模塊沒有數據輸出；低表示模塊有數據輸出，可以讀數據 TXE 高表示模塊發送緩沖區已滿；低表示發送緩沖區為空，可以發送數據 WR 將八位并行總線上的數據鎖存入內部緩沖區 RD 允許內部接受緩沖區數據通過八位并行總線讀出 D0-D7 雙向數據總線 4 4.2.2AT89S51單片機 AT89S51 是一個低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機，片內含 4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準 MCS-51 指令系統及 80C51 引腳結構，芯片內集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲單元，武漢科技大學光機電專業畢業論文 第四章 通信電路設計 22 功能強大的微型計算機的 AT89S51 可為許多嵌入式控制應用系統提供高性價比的解決方案。 AT89S51 具有如下特點： 40 個引腳， 4k Bytes Flash 片內程序存儲器， 128 bytes的隨機存取數據存儲器（ RAM）， 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口， 5個中斷優先級 2 層中斷嵌套中斷， 2個 16 位可編程定時計數器 ,2 個全雙工串行通信口，看門狗（ WDT）電路，片內時鐘振蕩器。 此外， AT89S51 設計和配置了振蕩頻率可為 0Hz 并可通過軟件設置省電模式。空閑模式下， CPU 暫停工作，而 RAM 定時計數器，串行口，外中斷系統可繼續工作，掉電模式凍結振蕩器而保存 RAM 的數據，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有 PDIP、 TQFP 和 PLCC 等三種封裝形式，以適應不同產品的需求。 6 4.3 普通 COM 通信電路設計以及其原理 圖 4-2RS232 武漢科技大學光機電專業畢業論文 第四章 通信電路設計 23 RS-232 是 PC 機與通信工業中應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準。 RS-232 采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。 Max232 產品是由德州儀器公司（ TI）推出的一款兼容 RS232 標準的芯片。該器件包含 2驅動器、 2接收器和一個電壓發生器電路提供 TIA/EIA-232-F電平。 該器件符合 TIA/EIA-232-F標準，每一個接收器將 TIA/EIA-232-F電平轉換成 5-V TTL/CMOS 電平。每一個發送器將 TTL/CMOS 電平轉換成 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電路轉換原理 RS232 傳輸協議標準的電平是：正邏輯是 +7v+15v,負邏輯是 -7v-15v。 通過 MAX232 芯片外接的四個電容，把輸入的 0 5V信號改變到 -15V +15V，通過串口線發送出去。 2 武漢科技大學光機電專業畢業論文 第四章 通信電路設計 24 4.4 本章小結 通過上章對機器人運行狀態的分析，本章主要著手分析機器人的控制系統電路！先是考慮到電源的選擇，然后通過分析了內部控制體系做出了系統的電路圖！最后對個元件進行系統的分析！ 武漢科 技大學光機電專業畢業論文 第五章 技術及軟件 25 5 技術及軟件 SUPERICES （ G3000 愛思仿真開發系統）：初期程序調試。 AutoCAD、 SOLIDWORKS： 零件圖，裝配圖，三維圖的繪制。 C 語言 、 KEIL C51：程序的編寫。 PROTEL：電路圖的設計繪制。 SUPERPRO/280、 EASY 51PRO：程序的燒制。 武漢科技大學光機電專業畢業論文 參考文獻 26 參考文獻 1 宗光華，張慧慧 .機器人設計與控制 .科學出版社 2 王耀南 .機器人職能控制工程 .科學出版社 3Jorge Angeles,宋偉剛 .機器人機械系統原理理論 .機械工業出版社 4 張弘 . USB 接口設計 .西安電子科技大學出版社 5 苗明川 . 數字電子 技術 基礎 .高等教育出版社 6 程光東，趙性初 .單片機原理及應用 .華中科技大學出版社 7 劉振海 .單片機應用技術選編 .高等教育出版社 武漢科技大學光機電專業畢業論文 附錄 27 附錄 7.1 肢體的雙電機機構及其機構運動間圖 圖 1 武漢科技大學光機電專業畢業論文 附錄 28 7.2 雙電機 含鏡向 機構 圖 圖 2 武漢科技大學光機電專業畢業論文 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 武漢科技大學光機電專業畢業論文 附錄 30 Output(Low) 圖 1 8.2 NT-TR01 電氣特性 信道頻率 433.92/434.33MHz 調制方式 FSK 頻偏 15KHz 數據傳輸速率 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 發射電流 8 30mA 待機電流 8uA 體積（ mm） 31*27*5(L) 圖 2 NT-TR01F 是采用歐洲先進的 RF 集成電路設計而成的雙向高頻收發模塊，工作在 433.92/434.33MHz ISM（ Industrial, Scientific and Medical）頻段，它采用 FSK 調制解調技術，抗干擾能力強，發射功率最大可達 10