無線遙控智能爬行機器人畢業(yè)論文

1、<p><b>　　畢業(yè)設計（論</b></p><p><b>　　文）</b></p><p><b>　　中圖分類號：</b></p><p>　　無線遙控智能爬行機器人</p><p>　　專業(yè)名稱：光機電一體化</p><p><

2、;b>　　學生姓名：劉為</b></p><p>　　導師姓名：余震 </p><p><b>　　職 稱：講師</b></p><p>　　武漢科技大學機電工程系</p><p><b>　　2007年3月 </b></p><p>

3、　　中圖分類號： 密級：</p><p>　　UDC： 單位代碼：10488 </p><p>　　無線遙控智能爬行機器人</p><p>　　WIRELESS REMOTE INTELLIGENT<

4、;/p><p>　　CRAWILING ROBOT</p><p>　　姓 名：劉為 學 制：</p><p>　　專 業(yè)：光機電一體化 研究方向：</p><p>　　導 師：余震 職 稱：講師</p&

5、gt;<p>　　論文提交日期：3月1號 論文答辯日期：3月15日</p><p>　　武漢科技大學機電工程系</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　機器人是機構學、運動學、控制理論等學科發(fā)展水平的綜合體現(xiàn)，是當前國內外研究的熱點問題之一?！盁o線遙控爬行機器人”是我們設計的第一個機器

6、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(tài)，實現(xiàn)行走、急跑、轉彎等各種步態(tài)行為，并能在各種地面環(huán)境下進行步態(tài)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(huán)境。</p><p>　　該系統(tǒng)通過AT89S51、USB100模塊、NT-TR01無線傳輸模塊及相應

7、的輔助電路實現(xiàn)智能控制及無線遙控。</p><p>　　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(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。</p><p>　　最后進行了系統(tǒng)聯(lián)合調試，結果表明：系統(tǒng)的軟、硬件設計合理可行，為后續(xù)的研究工作奠定了基礎。</p><p>　　關鍵詞：機器人，仿生學，遙控</p><p>

8、<b>　　Abstract</b></p><p>　　Robot is learning institutions, kinematics and control disciplines, such as the level of development of a comprehensive reflection of the current domestic and internati

9、onal 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 i

10、t is a robot quadruped walking animals, the machine Bionic 4 is a walking robot, By precise control of the servo motor sim</p><p>　　AT89S51 through the system, USB100 module, NT-TR01 wireless module and the

11、corresponding auxiliary circuit of the intelligent control and wireless remote control.</p><p>　　PC through the USB interface and end-NT-TR01 modules, remote control-MCU and NT-TR01 modules, the two-way tran

12、smission of data.</p><p>　　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 founda

13、tion.</p><p>　　Key words: Robot, bionics, remote control</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1引言 ……………………………………………………………………………………（1）</p><p>　　1.1機器人的發(fā)展歷程 …………………………

14、………………………………………（6）</p><p>　　1.2機器人的未來走向 …………………………………………………………………（8）</p><p>　　1.3研究機器人的意義 …………………………………………………………………（9）</p><p>　　2機器人機構設計 ………………………………………………………………（10）</p><

15、p>　　2.1項目研究………………………………………………………………………………（10）</p><p>　　2.2肢體的機構設計 ……………………………………………………………………（11）</p><p>　　2.2.1微型伺服馬達的機構 ………………………………………………………………（11）</p><p>　　2.2.2爬行機器人的肢體機構設計流

16、程 …………………………………………………（13）</p><p>　　2.3軀體的機構設計 ……………………………………………………………………（17）</p><p>　　3步態(tài)分析及其實現(xiàn)原理 …………………………………………………（20）</p><p>　　3.1步態(tài)分析 ……………………………………………………………………………（20）</p&

17、gt;<p>　　3.2步行原理 ……………………………………………………………………………（21）</p><p>　　3.2.1單足行為 ……………………………………………………………………………（21）</p><p>　　3.2.2四足協(xié)作 ……………………………………………………………………………（22）</p><p>　　4通信電路設計

18、…………………………………………………………………（24）</p><p>　　4.1電源選擇 ……………………………………………………………………………（24）</p><p>　　4.2USB模塊通信電路設計以及其原理 ……………………………………………（25）</p><p>　　4.2.1USB100模塊 ……………………………………………………………………

19、……（26）</p><p>　　4.2.2AT85S51單片機………………………………………………………………………（27）</p><p>　　4.3普通COM通信電路設計以及其原理……………………………………………（28）</p><p>　　4.3.1MAX232電路轉換原理 ………………………………………………………………（29）</p>&

20、lt;p>　　5技術及軟件 ………………………………………………………………………（30）</p><p>　　參考文獻 ……………………………………………………………………………（31）</p><p>　　附錄 ……………………………………………………………………………………（32）</p><p>　　致謝 ………………………………………………………

21、………………………………（36）</p><p><b>　　1引言</b></p><p>　　1.1機器人的發(fā)展歷程</p><p>　　20世紀20年代，“機器人（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(fā)明并制造了一大批能聽命于人,能勞

22、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(fā)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。</p><p>　　但通過這樣一個小說，

23、一個羅伯特這樣一個名詞，它體現(xiàn)了人類長期的一種愿望，這種愿望就是創(chuàng)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(fā)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(fā)展比較迅速的時期，因此各國已經開

24、始利用當時的一些現(xiàn)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(xiàn)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(yè)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(fā)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(xiàn)

25、型的機器人進行了工業(yè)化，出現(xiàn)了很多公司，現(xiàn)在的像ABB，MOTOMAN，還有安川公司，還有很多機器人</p><p>　　在20世紀70年代到20世紀80年代初期，工業(yè)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(xiàn)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(yè)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

26、斷拓寬，它已經從工業(yè)上的一些應用，擴展到了服務行業(yè)，擴展了它的作業(yè)空間，向海洋空間和服務醫(yī)療等等行業(yè)的使用。所以從這張圖可以看出機器人發(fā)展的幾個過程。 那么總結一下，我們認為，機器人有三個發(fā)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(xiàn)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(fā)出指令，這樣的話機器人可以重復的根據(jù)人當時示

27、教的結果，再現(xiàn)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(huán)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7</p><p>　　1.2機器人的未來走向</p><p>　　據(jù)世界未來學預測：９０年代更長時間內，世界上將出現(xiàn)十大變化，

28、其中一大變化是：智能機器人將大量出現(xiàn)，今后５０年內，這種機器人將十分普及，雖然９０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(fā)展的規(guī)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(yè)品。在而未來十年內，將出現(xiàn)一種“腦力勞動”的機器人，或稱“專家系統(tǒng)”，

29、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(fā)展的同時，以工廠自動化（ＦＡ）、辦公室自動化（ＯＡ）和家務自動化（ＨＡ）為主線的３Ａ革命及智能系統(tǒng)，正以新的姿態(tài)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Ｕｎｉｍａｔｉｏｎ公司的創(chuàng)始人喬·恩格伯杰認為，未來使機器人振興的是服

30、務行業(yè)，特別是與醫(yī)療有關的行業(yè)具有極大的發(fā)展?jié)摿?，日本也打算將機器人用</p><p>　　1.3研究機器人的意義</p><p>　　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(fā)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(huán)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,

31、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(fā)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(huán)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(fā)展有重要作用。</p><p><b>　　2機器人機構設計</b&g

32、t;</p><p><b>　　2.1項目研究</b></p><p>　　仿生機器人（Humanoid Robot）是先進機器人技術的高級發(fā)展階段，它綜合體現(xiàn)了高級機器人的機構學、運動與動力學、現(xiàn)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(fā)展水平，是一個復雜的綜合系統(tǒng)。[2]圖2-1是我本次論文研究的機器人三維模擬圖。</p>

33、<p>　　圖2-1 “無線遙控爬行機器人”三維模擬圖</p><p>　　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(yǎng)大學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識和

34、團隊合作精神，提高大學生的研究創(chuàng)新能力和綜合實踐能力。</p><p>　　“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(fā)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(fā)。</p><p>　　2.2肢體的機構設計</p><p>　　2.2.1微型伺服馬達的機構</p><p>　　我們的機器人是由8個微型

35、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。</p><p>　　微型的伺服馬達在無線電業(yè)余愛好者的航?；顒又惺褂靡延泻荛L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”?？梢?，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

36、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(jié)，這些活動關節(jié)我們也常稱它為自由度。</p><p>　　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]</p><p>　　如圖2-2是我們所用微型伺服馬達的三維模擬圖。</p><p>　　圖2-2微型伺服馬達的三維模擬圖</p>&

37、lt;p>　　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

38、處。</p><p>　　2.2.2爬行機器人的肢體機構設計流程</p><p>　　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(tài)，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：</p><p

39、>　　圖2-3肢體的單電機機構</p><p>　　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(jié)的轉動。其結構間圖下： </p><p>　　圖2-4肢體的單電機運動間圖</p><p>　　由于此機構的運動比較單一，而且在運動的協(xié)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

40、獨立轉動帶動肢體關節(jié)轉動，這樣在機器人行走的過程中就可以比較協(xié)調，而且我們的機器人的自由度也將增加，具體的協(xié)調性分析及其行走的步態(tài)分析將在下面作詳細介紹。</p><p>　　圖2-5肢體的雙電機機構及其機構運動間圖</p><p>　　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(xiàn)一個肢體的“抬高”和“邁進”。</p><p>　　那么

41、如何獲得最佳PWM呢?高頻的PWM信號更不易使電機發(fā)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(shù)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。</p><p>　　另一個限制PWM信號頻率的因素是所使用的硬件或軟件。

42、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(fā)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(shù)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。</p><p>　　如果能夠得到電機的詳細參數(shù),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

43、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。</p><p><b>　　2∏fL>>R</b></p><p>　　式中,f為頻率,L為電鈕電感,R為電鈕電阻。</p><p>　　式中電鈕電阻可由萬用表測得。但是電感L如果沒有專門

44、的電感測量儀器,就無法得知它的具體數(shù)值,除非這一參數(shù)被事先給定。[1]</p><p>　　圖2-6雙電機含鏡向機構</p><p>　　通過4個肢體的協(xié)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(huán)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(jié)。（如圖2-6）這樣

45、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(jié)機構關節(jié)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(jié)就起不到），即無法充分可靠的利用鏡向關節(jié)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(jié)的機構。</p><p>　　2.3肢體的機構設計</p>

46、<p>　　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(fā)，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：</p><p>　　圖2-7軀體機構的實際流程圖</p><p>　　圖2-7軀體機構的三維圖</p><p>　　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

47、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。</p><p>　　圖2-7整體機構圖（主視）</p><p>　　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。</p><p>　　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

48、們可以根據(jù)具體連接的情況選取不同的方式。</p><p><b>　　2.4本章小結</b></p><p>　　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(tǒng)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(fā)，綜合機構學、運動與動力學、現(xiàn)代設計理念、信息檢測和感知、微電子學、控制理念等

49、方面著手的！</p><p>　　3步態(tài)分析及其實現(xiàn)原理</p><p><b>　　3.1步態(tài)分析</b></p><p>　　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(jié)向前，而肘關節(jié)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(tài)時要牢記這一點。四足動

50、物的行動方式包括：爬、走、慢走、快步、慢跑、飛奔等。因此根據(jù)我們對節(jié)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(xiàn)前進、后退、左轉、右轉、避障等動作。</p><p>　　下面介紹一下如何能像四足動物一樣快步行走?？觳叫凶邥r，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

51、地面上。那么大腿和小腿之間是如何協(xié)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(tài)平衡機能，因此抬腿不能太快，在斜線上不能允許出現(xiàn)太大的晃動，否則就必須在機器人中使用大腳掌結構的靜態(tài)平衡方法。[3]</p><p><b>　　3.2步態(tài)原理</b></p><p><b>　　3.2.1單足行動&

52、lt;/b></p><p>　　每一條腿有兩種狀態(tài)：向前走和向后走，對于每一個動作狀態(tài)來講，分為兩步：邁腿和收腿。這兩步連續(xù)不斷的循環(huán)，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：</p><p>　　圖3-1四條腿之間

53、的時序關系</p><p><b>　　3.2.2四足協(xié)作</b></p><p>　　機器人要實現(xiàn)穩(wěn)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</p><p>　　圖3

54、-2四條腿的空間三維模擬圖</p><p>　　連續(xù)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“↓”）：</p><p>　　前進：右后↑ → 右前↑ → 左后↑ → 左前↑；</p><p>　　后退：右后↓ → 右前↓ → 左后↓ → 左前↓；</p><p>　　左轉：右后↑

55、→ 右前↑ → 左前↓ → 左后↓；</p><p>　　右轉：右前↓ → 右后↓ → 左后↑ → 左前↑。</p><p>　　各條腿動作的時序關系如圖3-1所示。選擇不</p><p>　　同的動作順序則可以實現(xiàn)不同的行走方式。</p><p>　　那么如何協(xié)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

56、成它的發(fā)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(yōu)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：</p><p>　　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。</p><p>　　同時，調節(jié)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(fā)力點，

57、為邁出下一步做好準備。</p><p>　　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。</p><p>　　調節(jié)兩組腿的角色，回到第1步，開始下一次循環(huán)。</p><p>　　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(xiàn)出來的心情可能也不一樣。角度很大，機器人看起來隱秘

58、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？</p><p>　　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]</p><p><b>　　3.3本章小結</b></p><p>　　通過上章對

59、機器人的系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(guī)律，然后在分析了四足協(xié)作下的運行狀態(tài)！</p><p><b>　　4通信電路設計</b></p><p><b&

60、gt;　　4.1電源選擇</b></p><p>　　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：</p><p>　?。?）小型機器人在使

61、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。</p><p>　?。?）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。</p><p>　?。?）允許機器人隨機攜帶部件的空間或重量都受到限制。</p><p>　　任何額定電流在

62、100mA或者超過該電流數(shù)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。</p><p>　　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(shù)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

63、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(fā)現(xiàn)，所有的電路設計對這方面的問題都有所考慮。[3]</p><p>　　4.2USB模塊通信電路設計以及其原理</p><p>　　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

64、離接口、串行接口。但我們設計的系統(tǒng)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(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(shù)據(jù)，可以節(jié)省一根數(shù)據(jù)傳輸線，代價是無法同時接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。[4]</p>&l

65、t;p>　　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、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]</p><p><b>　　圖4-1系統(tǒng)電路圖</b></p><p>　　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。&l

66、t;/p><p><b>　　主要引腳及功能</b></p><p>　　VCC +5V輸出，提供給外部MCU使用，最大400mA</p><p>　　USBVCC USB接口的電源腳</p><p><b>　　D+ USB數(shù)據(jù)線</b></p><p><b>　　

67、D- USB數(shù)據(jù)線</b></p><p>　　RXF 高表示模塊沒有數(shù)據(jù)輸出；低表示模塊有數(shù)據(jù)輸出，可以讀數(shù)據(jù)</p><p>　　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)</p><p>　　WR 將八位并行總線上的數(shù)據(jù)鎖存入內部緩沖區(qū)</p><p>　　RD 允許內部接受緩沖區(qū)數(shù)據(jù)通過八位并行總

68、線讀出</p><p>　　D0-D7 雙向數(shù)據(jù)總線[4]</p><p>　　4.2.2AT89S51單片機</p><p>　　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

69、，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)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，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(tǒng)提供高性價比的解決方案。</p><p>　　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(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌

70、套中斷，2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，片內時鐘振蕩器。 </p><p>　　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?？臻e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位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以

71、適應不同產品的需求。[6]</p><p>　　4.3普通COM通信電路設計以及其原理</p><p><b>　　圖4-2RS232</b></p><p>　　RS-232是PC機與通信工業(yè)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。</

72、p><p>　　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(fā)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(fā)送器將TTL/CMOS電平轉換成TIA/EIA-232-F電平。[7] 1-C1+ 2-VS+ 3-CI

73、- 4-C2+ 5-C2- 6-VS- 7-T2OUT 8-R2IN 9-R2OUT 10-T2IN 11-T1IN 12-R1OUT 13-R1IN 14-T1OUT</p><p>　　4.3.1MAX232電路轉換原理</p><p>　　RS232傳輸協(xié)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，

74、把輸入的0～＋5V信號改變到-15V～+15V，通過串口線發(fā)送出去。[2]</p><p><b>　　4.4本章小結</b></p><p>　　通過上章對機器人運行狀態(tài)的分析，本章主要著手分析機器人的控制系統(tǒng)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(tǒng)的電路圖！最后對個元件進行系統(tǒng)的分析！</p><p><b&g

75、t;　　5技術及軟件</b></p><p>　　SUPERICES （G3000愛思仿真開發(fā)系統(tǒng)）：初期程序調試。</p><p>　　AutoCAD、SOLIDWORKS： 零件圖，裝配圖，三維圖的繪制。</p><p>　　C語言 、KEIL C51：程序的編寫。</p><p>　　PROTEL：電路圖的設計繪制。<

76、/p><p>　　SUPERPRO/280、EASY 51PRO：程序的燒制。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 宗光華，張慧慧.《機器人設計與控制》.科學出版社</p><p>　　[2] 王耀南.《機器人職能控制工程》.科學出版社</p><p>　　[3]

77、Jorge Angeles,宋偉剛.《機器人機械系統(tǒng)原理理論》.機械工業(yè)出版社</p><p>　　[4] 張弘.《USB接口設計》.西安電子科技大學出版社</p><p>　　[5] 苗明川.《數(shù)字電子技術基礎》.高等教育出版社</p><p>　　[6] 程光東，趙性初.《單片機原理及應用》.華中科技大學出版社</p><p>　　[7]

78、 劉振海.《單片機應用技術選編》.高等教育出版社</p><p><b>　　附錄Ⅰ</b></p><p>　　7.1肢體的雙電機機構及其機構運動間圖</p><p><b>　　圖Ⅰ1</b></p><p>　　7.2雙電機含鏡向機構圖</p><p><b>

79、;　　圖Ⅰ2</b></p><p><b>　　附錄Ⅱ</b></p><p>　　8.1 USB 模塊電氣特性</p><p><b>　　圖Ⅱ1</b></p><p>　　8.2 NT-TR01 電氣特性</p><p><b>　　圖Ⅱ2<

80、;/b></p><p>　　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(fā)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(fā)射功率最大可達10dBm，接收靈敏度最大為－105dBm，數(shù)據(jù)傳輸速率可達20Kbit/S，工作電壓在2.7～5.25V之間。芯片所需外圍元件

81、較少，并可直接接單片機串口。[4] </p><p>　　8.3 RS232C管腳說明</p><p><b>　　圖Ⅱ3</b></p><p>　　現(xiàn)在通常計算機均配有這種標準的232接口，通常這種接口用于聯(lián)接鼠標、MODEM或打印機等外部設備。 實際應用中，電子工程師在設計計算機與外圍設備的通信時，通常在9針的基礎再進行簡化，只

82、用其中的2、3、5三個管腳進行通信。這三個管腳分別是接收線、發(fā)送線和地線，在一般情況下即可滿足通訊的要求，計算機和外部通訊的接線方法如圖四： </p><p><b>　　圖Ⅱ四 </b></p><p>　　值得注意的是，圖四中2、3兩腳是交叉互聯(lián)的，這很容易理解，因為一個設備的發(fā)送線必須聯(lián)接到另外一臺設備的接收線上，反之亦然。 對于232信號的電器特性等知識，在這

83、里無法詳細解說，有興趣的話可以去網站查閱這方面的文章，232是最常用的通信方式之一，大量應用于各種工業(yè)控制或電子家電等產品中，是電子工程師必須掌握的知識之一。 另外說明一下，232信號的有效通訊距離可以達到15M。[6] </p><p><b>　　致謝</b></p><p><b>　　在實踐中提升自己</b></p>

84、<p>　　-------談 作本次論文設計的心得體會</p><p>　　作為一名機械系，機電一體化大三的學生，我覺得能做類似的課程設計是十分有意義，而且是十分必要的。</p><p>　　在已度過的大三的時間里我們大多數(shù)接觸的是專業(yè)基礎課。我們在課堂上掌握的僅僅是專業(yè)基礎課的理論面，如何去鍛煉我們的實踐面？如何把我們所學到的專業(yè)基礎理論知識用到實踐中去呢？我想做類似的大作

85、業(yè)就為我們提供了良好的實踐平臺。在做本次大作業(yè)的過程中，我感觸最深的當數(shù)查閱大量的設計手冊了。為了讓自己的設計更加完善，更加符合工程標準，一次次翻閱機械設計手冊是十分必要的，同時也是必不可少的。我們是在作設計，但我們不是藝術家。他們可以拋開實際，盡情在幻想的世界里翱翔，我們是工程師，一切都要有據(jù)可依.有理可尋，不切實際的構想永遠只能是構想，永遠無法升級為設計。</p><p>　　作為一名專業(yè)學生掌握一門或幾門制

86、圖軟件同樣是必不可少的，由于本次大作業(yè)要求用CAD 制圖、PROTEL繪制電路圖、C語言編程等，所以我們還要好好掌握這幾門軟件。</p><p>　　雖然過去從未獨立應用過它們，但在學習的過程中帶著問題去學我發(fā)現(xiàn)效率好高，記得大一學CAD時覺得好難就是因為我們沒有把自己放在使用者的角度，單單是為了學而學，這樣效率當然不會高。邊學邊用這樣才會提高效率，這是我作本次課程設計的第二大收獲。但是由于水平有限，難免會有錯誤

87、，還望老師批評指正。</p><p>　　談談我的意見和建議：     首先，我覺得老師給我們作類似的課程設計是十分必要的，這不僅可以提起我們對這門課的學習興趣，同時還可以在專業(yè)上用實踐鍛煉一下我們，使我們不但不在對所學專業(yè)感到陌生，而且還可以培養(yǎng)大家的積極性。</p><p>　　其次，我覺得應該培養(yǎng)我們的團隊合作精神，讓幾個人一起作這樣的課程設