毕业设计论文红外遥控六足爬行机器人控制系统设计说明书.docx

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1、红外遥控六足爬行机器人控制系统设计DESIGNOFTHEINFRAREDREMOTEHEAPODCRAWINGROBOTCONTRO1SYSTEM摘要机器人是机构学、运动学、控制理论等学科发展水平的综合体现，是当前国内外研究的热点问题之一。从仿生学的角度，昆虫的生理构造及行为是比较容易模仿的，我们的机器人正是在模仿六足行走的动物，该机器人是一个仿生六足行走的机器人，通过对伺服马达的精确控制,模拟六足动物的行走步态，实现行走、急跑、转弯等各种步态行为，并能在各种地面环境下进行步态的智能调整，自适应光滑地面、粗糙地面、沙石地面、湿泥地面等恶劣的路面环境。分析六足爬行机器人步进，参照实体机器人结构尺

2、寸利用软件Cad设计机器人结构零部件的尺寸，及其整体结构尺寸。该机器人通过AT89S51红外发射模块、红外接收模块及相应的辅助电路制实现三角步态行走，实现诸如直线行走、倒退、转弯等基本功能。关键词六足机器人；结构设计；三角步态；AT89S51单片机；红外遥控AbstractRobotisthecomprehensiveref1ectionofrobot,kinematics,contro1theoryandotherdiscip1ines,1eve1ofdeve1opment.It,soneofthehotissuesofcurrentdomesticandinternationa1resea

3、rch.Fromtheperspectiveofbionics,physio1ogica1structureandbehaviorofinsectsisre1ative1yeasytoimitate.Ourrobotisinimitationofsix-1eggedwa1kinganima1s,robotisabionichexapodwa1kingrobot.Simu1ationwa1kinggaitofhexapodthroughtheprecisecontro1ofservomotorsystem,achievewa1king,sprint,turn,andothergaitbehavi

4、or,andtheenvironmentinavarietyofgroundinte11igentadjustmentofthegait.Adapttosmoothsurface,roughground,sandf1oors,wetsoi1surfaceandotherharshenvironments.Ana1yzethegaitofbionichexapodcraw1ingrobot.UseCADtodesignthesizeofstructura1partsandtheovera11structureaccordingtophysica1sizeoftherobot.UseAT89S51

5、SCM,Infraredtransmittermodu1e,Infraredreceivermodu1eandthecorrespondingauxi1iarycircuit,therobotcanwa1kbasedonbionicprincip1e,andhassomeadvantagessuchassimp1e,activemovements,harmonyinwa1kingandetc.KeywordsHexapodrobotStructuredesignTripodgaitAT89S51microprocessorInfraredRemoteContro1摘要IAbstractII1绪

6、论11.1 机器人概述11.2 仿生机器人的概念及发展趋势11.3 本课题研究的目的和意义22红外遥控六足机器人系统设计32.1系统总体方案32.2系统方案论证32 .2.1机器人行走方案论证33 .2.2机体方案论证44 .2.3控制器方案论证45 .2.4驱动器方案论证46 .2.5供电单元论证57 .2.6红外遥控设备论证52.3系统最终方案53六足机器人的步态规划63. 1行走原理63.2 六足行走的具体分析73.3 步态稳定性分析84各个部件的设计94. 1主板结构设计94. 2腿部结构的设计94.3腿与主板连接件104. 5肢体部件间的装配125驱动器设计135. 1微型伺服马达内

7、部结构135.2 微型伺服马达的工作原理135.3 微型伺服马达控制145.4 伺服马达的电源引线155.5伺服马达的运动速度165.6使用伺服马达的注意事项166控制系统硬件设计176.1系统硬件电路介绍176.2单片机最小系统176.2.1AT89S51单片机简介186.2.2时钟电路与复位电路介绍196.4电机驱动电路介绍206.5红外遥控电路介绍207控制系统软件设计227.1系统软件流程227.2舵机控制软件分析237.3红外控制软件分析24结论26致谢27参考文献28附录29附录129附录2351绪论1.1 机器人概述机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，自60年代初问世以来

8、，经历40余年的发展已取得长足的进步。走向成熟的工业机器人，各种用途的特种机器人的实用化，昭示着机器人技术灿烂的明天。机器人大致经历了三个成长阶段，也即三个时代：第一代为简单个体机器人，第二代为群体劳动机器人，第三代为类似人类的智能机器人，它的未来发展方向是有知觉、有思维能与人对话。第一代机器人属于示教再现型，第二代则具备了感觉能力，第三代机器人是智能机器人,它不仅具备了感觉能力，而且还具有独立判断和行动的能力，并具有记忆、推理和决策的能力,因而能够完成更加复杂的动作。智能机器人在发生故障时，通过自我诊断装置能自我诊断出发生故障部位，并能自我修复。今天，智能机器人的应用范围大大地扩展了。除工农

9、业生产外,机器人已应用到各行各业，并已初步具备了人类的特点。机器人向着智能化、拟人化发展的道路，是没有止境的。1.2 仿生机器人的概念及发展趋势仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状、运动原理和行为方式的系统，能从事生物特点工作的机器人仿生机器人的类型很多，主要为仿人、仿生物和生物机器人。仿生机器人的主要特点：一是多为冗余自由度的机器人，机构复杂;二是其驱动方式有些不同于常规的关节型机器人,通常采用绳索、人造肌肉或形状记忆合金等驱动.微型仿生机器人可用于小型管道进行检测作业,可进入人体进行检查和实施治疗而不伤害人体,也可以进入狭小的复杂环境进行作业等.仿生机器人微型化的关键是实现机电系统的微

10、型化,即将驱动器、传动装置、传感器、控制器、电源等集成到一块硅片上,构成微机电系统,才能实现机器人整体结构的微型化.在军事侦察和间谍任务中，如果仿生机器人的外形与所模仿的生物外形完全一致,将能更隐蔽地、更安全地完成任务.日本研制的变形机器人包括若干小机器人,小机器人通过红外传感器和照相机识别周围的障碍物,然后相互协调,按照不同需要组合成狗、蜘蛛和蛇等7种形态,可以根据环境变化而改变自己的形状.机器人的多变性使其能够进入各种人类难以接近的灾害现场实施调查,还有望应用于航天探索等领域。21世纪人类将进入老龄化社会,发展多功能仿人机器人将弥补年轻劳动力的严重不足,解决老龄化社会的家庭服务和医疗等社会

11、问题,并能开辟新的产业,创造新的就业机会.1.3 本课题研究的目的和意义通过查阅相关资料，所研究的课题应解决以下几个问题：1）六足机器人整体结构设计通过对六足机器人的了解，确定所设计的机器人的机构，包括肢体机构及躯体机构两方面的设计。完成总体的机构图。2）步态分析及其实现根据节肢昆虫的步行原理，建立起步行运动的模型，将昆虫的运动进行简化，抽象出六足运动的基本原理。3）控制系统设计电路控制系统4）驱动器如何让电机能根据自己的意图转动，如何控制电机的速度，这是两个需要解决的问题。5）红外遥控系统通过查阅相关的资料，完成红外遥控系统的设计。步行机器人是模仿动物的运动形式，采用腿式结构来完成多种移动功

12、能的一类特种机器人。参照工业机器人的标准定义，可以把步行机器人理解为“一种由计算机控制的用足机构推进的地面移动装置”以区别于行走式机械玩具及固定行走模式的机械装置。通常足数多于或等于四的步行机器人称为多足步行机器人，该类机器人能够在不平的路面上稳定地行走，可以取代轮式车完成在一些复杂环境中的运输作业，因此多足步行机器人在军事运输及探测、矿山开采、水下建筑、核工业、星球探测、农业及森林采伐、教育、艺术及娱乐等许多行业有着非常广阔的应用前景。长期以来，多足步行机器人技术一直是国内外机器人领域研究的热点之一。为了探索多足步行机器人技术的研究前沿,给我国多足步行机器人工程实用化开发提供关键技术的支持，

13、开展多足步行机器人相关理论和技术的研究具有十分重要的科学意义和应用价值。2红外遥控六足机器人系统设计2.1系统总体方案经过对方案设计要求的分析论证，采用51单片机控制平台，经过红外遥控器发送的信号,控制运动模块各电机的运动方式，进而控制六足机器人的运动。系统框架图如图2-1：图2-1系统总体框图2.2系统方案论证2.2.1机器人行走方案论证方案一：现在常见的六足机器人行走以每个足上有几个舵机来实现多自由度的运动，行走稳定，且可实现许多种方式的行走。但花费的、较大。方案二：经大量的查阅资料，我找到了以中每个腿只有一个自由度也能实现前进，后退,转弯运动的方案，缺点是不能适应各种地形，行走起来姿态不

14、是很好。鉴于自己能力有限等方面，选择第二种方案。2.2.2机体方案论证方案一：自己制作车体。经过反复考虑论证，决定使用三角步态方案（后面有详细介绍），此方案以每三个足为一组，分成两组运动，三角稳定性良好，制作的车体和腿部使用有机玻璃为材料，比较轻，可以减少驱动设备的负担，比较经济。方案二：购买现成机体。比较昂贵且本设计方案结构简单，无需购买。2.2.3控制器方案论证按照题目要求，控制器主要用于控制电机，红外遥控器将信号传输给控制器，控制器做出相应处理，实现电机的前进和后退，转向。方案一：可以采用ARM为系统的控制器，优点是该系统功能强大，片上外设集成度搞密度高，提高了稳定性，系统的处理速度也很

15、高，适合作为大规模实时系统的控制核心。方案二：采用AT89S51作为系统控制的方案。AT89S51单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，功耗低、体积小、技术成熟，成本也比ARM低。考虑到性价比问题，本设计选择用T89S51单片机做控制器。综合以上的优缺点，本设计决定采用第二种方案。2.2.4驱动器方案论证方案一：直流电机：这是最最普通的电机。直流电机最大的问题是无没法精确控制电机转的圈数，也就是位置控制，必须加上一个编码盘，来进行反馈，来获得实际转的圈数。但是直流电机的速度控制相对就比较简单，用一种叫PWM（脉宽调速）的调速方法可以很轻松的调节电机速度。现在也有很多控制芯片带调速功能的。选购时要考虑的参数是电机的输出力矩，电机的功率，电机的最高转速。方案二：步进电机：它可以一个角度一个角度旋转，不象直流电机，你可以很轻松的调节步进电机的转角位置，如果你发一个转10圈的指令，步进电机就不会转11圈，但是如果是直流电机，由于惯性作用，它可能转11圈半。步进电机的调速是通过控制电机的频率来获得的。一般控制信号频率越高，电机转的越快，频率越低，转的越慢。选购时要考虑的参数是电机的输出力矩，电机的功率，每个脉冲电机的最小转角。方案三：微型伺服马达，也叫舵机。它的