機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)論文——四腳柱狀甲蟲機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）</b></p><p><b>　　說明書</b></p><p>　　課 題 名 稱：四腳柱狀甲蟲機器人控制系統(tǒng)</p><p>　　地 市： </p><p>　　準(zhǔn) 考

2、 證 號： </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學(xué) 科 專 業(yè)： </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師： </p

3、><p>　　： </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　近年來，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，機器人的研究及應(yīng)用得到迅速發(fā)展，因其在教育，醫(yī)療，軍事，工業(yè)等領(lǐng)域的巨大應(yīng)用。因此得到了許多國內(nèi)外科學(xué)家的關(guān)注，使用計算機代替人眼及大腦直接對景物環(huán)境進(jìn)行感知、解釋和理解計算機視覺

4、已經(jīng)成為計算機領(lǐng)域的一個熱點問題。在地球陸地表面，有超過50%以上的面積為崎嶇不平的山丘或沼澤，僅僅依靠輪式機械無法完全實現(xiàn)在這些自然環(huán)境中的移動。因此，設(shè)計和制造一個類似動物能夠在自然環(huán)境中步行的機器，一直以來是人類追求的目標(biāo)。正是這個原因，使得仿生足式機器人的研究成為機器人研究領(lǐng)域的熱點之一。其中四足機器人由于既有超于二足機器人的平穩(wěn)性，又避免了六足機器人機構(gòu)的復(fù)雜性，在工程探險、反恐防爆、軍事偵察等具有良好的應(yīng)用前景，展開該方面的

5、研究具有重要的實際應(yīng)用價值及社會意義。</p><p>　　本文主要由四部分組成：</p><p>　　第一部分介紹了四腳機器人，闡述了選擇本課題的意義，既普及機器人知識，提高機器人應(yīng)用水平、研究能力的需要深入開展信息技術(shù)教育需要，并介紹本課題要就內(nèi)容。</p><p>　　第二部分主要介紹了單片機AT89S52，多路PWM信號產(chǎn)生并通過PWM信號對8個舵機的控制及

6、分析舵機的驅(qū)動電路。</p><p>　　第三部分主要介紹了通過PROTEL99SE的應(yīng)用繪制電路原理圖和PCB圖。</p><p>　　第四部分主要介紹了程序編寫和機器人的步態(tài)分析即機器人如何走起來。 關(guān)鍵詞：四腳柱狀機器人；控制設(shè)計；單片機；步態(tài)</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p>

7、<p>　　In recent years, with the rapid development of computer technology, the research and application of robot has developed rapidly because of its educational, medical, military, great application industry etc. S

8、o many domestic and foreign scientists attention, directly to the scenery environment perception, interpretation and understanding of computer vision has become a hot issue in the field of computer instead of eyes and br

9、ain using computer. In the earth's land surface, there are more than 50%</p><p>　　This paper mainly consists of four parts：</p><p>　　The first part introduce the four feet robot, select the

10、subject of universal significance, such knowledge, robotics applications and research capacity of the need for information technology education and introduce this issue needs to be content.</p><p>　　The seco

11、nd part mainly introduces at89s52 monolithic integrated circuits, the signals produced through PWM signal in the eight the steering gear control and analyses the machine driven circuit. </p><p>　　The third p

12、art mainly introduces the application by protel99se draw circuit principles and PCB. </p><p>　　The fourth part mainly introduces the application compiled and robots gait analysis of how to go up the robot.&l

13、t;/p><p>　　Key word： Four feet columnar robot；MCU；control design；gait</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 緒 論1</p><p>　　1.1機器人簡介1</p><p>　　1.2本課題

14、研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.21國外有關(guān)研究綜述2</p><p>　　1.22國內(nèi)有關(guān)研究綜述3</p><p>　　1.3本課題選題意義3</p><p>　　1.4本課題研究內(nèi)容4</p><p>　　第二章 控制系統(tǒng)設(shè)計5</p><p><b>　　2.

15、1單片機5</b></p><p>　　2.11單片機介紹5</p><p>　　2.12單片機功能介紹5</p><p>　　2.2舵機的驅(qū)動6</p><p>　　2.21舵機工作原理6</p><p>　　2.22 舵機的驅(qū)動電路8</p><p>　　2.3 PW

16、M信號的產(chǎn)生8</p><p>　　2.31 PWM波產(chǎn)生的原理和產(chǎn)生的方法8</p><p><b>　　2.4本章小結(jié)9</b></p><p>　　第三章 電路圖的設(shè)計10</p><p>　　3.1Protel 99SE簡介10</p><p>　　3.2原理圖設(shè)計10<

17、;/p><p>　　3.3ISP下載接口設(shè)計11</p><p>　　3.4按鍵復(fù)位電路設(shè)計11</p><p>　　3.5串口通信電路設(shè)計12</p><p>　　3.6電源電路設(shè)計13</p><p>　　3．7單片機電路及時鐘電路設(shè)計13</p><p><b>　　3.8

18、小結(jié)14</b></p><p>　　第四章 步態(tài)分析及程序編寫15</p><p>　　4.1步態(tài)分析15</p><p>　　4.11單腿運動的分解15</p><p>　　4.12四腿復(fù)合運動規(guī)劃15</p><p>　　4.2程序分析16</p><p>　　4

19、.21舵機控制程序編寫16</p><p>　　4.22主程序17</p><p>　　4.23中斷程序17</p><p><b>　　結(jié)束語20</b></p><p><b>　　致謝21</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)22</

20、b></p><p><b>　　附錄23</b></p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p><p><b>　　1.1機器人簡介</b></p><p>　　機器人是自動控制機器（Robot）的俗稱，自動控制機器包括一切模擬人類行為或思想與模擬其他

21、生物的機械（如機器狗，機器貓等）。狹義上對機器人的定義還有很多分類法及爭議，有些電腦程序甚至也被稱為機器人。在當(dāng)代工業(yè)中，機器人指能自動執(zhí)行任務(wù)的人造機器裝置，用以取代或協(xié)助人類工作。理想中的高仿真機器人是高級整合控制論、機械電子、計算機與人工智能、材料學(xué)和仿生學(xué)的產(chǎn)物，目前科學(xué)界正在向此方向研究開發(fā)。在科技界，科學(xué)家會給每一個科技術(shù)語一個明確的定義，但機器人問世已有幾十年，機器人的定義仍然仁者見仁，智者見智，沒有一個統(tǒng)一的意見。原因之

22、一是機器人還在發(fā)展，新的機型，新的功能不斷涌現(xiàn)。根本原因是機器人涉及到了人的概念，成為一個難以回答的哲學(xué)問題。正如機器人一次最早誕生于科幻小說之中一樣，人們對機器人充滿了幻想。也許正是由于機器人定義的模糊，才給人們充分的想象和創(chuàng)造空間。</p><p>　　其實并不是人們不想給機器人一個完整的定義，自己氣人誕生之日起人們就不斷地嘗試著說明到底什么是機器人。但隨著機器人技術(shù)的飛速發(fā)展和信息時代的到來，機器人所涵蓋的

23、內(nèi)容越來越豐富，機器人的定義也不斷充實和創(chuàng)新。</p><p>　　在1967年日本召開的第一屆機器人學(xué)術(shù)會議上，就提出了兩個有代表性的定義。意識森政弘與和田周平提出的：“機器人是一種具有移動性、個體性、智能性、通用性、半機械半人性、自動性、奴隸性等7個特征的柔性機器”。從這一定義出發(fā)，森政弘又提出了用自動性、智能性、個體性、半機械半人性、作業(yè)性、通用性、信息性、柔性、有限性、移動性等10個特性來表示機器人的形象

24、。另一個是加藤一郎提出的具有如下3個條件的機器成為機器人：</p><p>　?。?）具有腦、手、腳等三要素的個體；</p><p>　?。?）具有非接觸傳感器（用眼、耳接觸遠(yuǎn)方信息）和接觸傳感器；</p><p>　　（3）具有平衡覺和固有覺的傳感器。</p><p>　　機器人的定義是多種多樣的，其原因是它具有一定的模糊性。動物一般有上述

25、這些要素，所以在把機器人理解為仿人機器人的同時。也可以廣義地把機器人理解為仿動物的機器。</p><p>　　1988年法國的埃斯皮奧將機器人學(xué)定義為：“機器人學(xué)是設(shè)計能根據(jù)傳感器信息實現(xiàn)預(yù)先計劃好的作業(yè)系統(tǒng)，并以此系統(tǒng)的使用方法作為研究對象”。</p><p>　　1987年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織對工業(yè)機器人進(jìn)行了定義：“工業(yè)機器人是一種具有自動控制操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機。

26、”</p><p>　　我國科學(xué)家對機器人的定義是：“機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器”。</p><p>　　關(guān)于機器人如何分類，國際上沒有制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有的按負(fù)載重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分有的按結(jié)構(gòu)分，有的按應(yīng)用領(lǐng)域分。常見的機器人的種類如表1—1。&l

27、t;/p><p>　　表1-1 機器人分類</p><p>　　1.2本課題研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.21國外有關(guān)研究綜述</p><p>　　隨著機器人在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用如何加強工人對機器人的了解從而提高他們對機器人的控制也就成為了一個顯著的問題。機器人教育也就隨之產(chǎn)生國外教育機器人的研究較早。早在上世紀(jì)六十年代，日本、美國、英國等西

28、方發(fā)達(dá)國家已經(jīng)相繼在大學(xué)里開始了機器人教育的研究，到了六十年代他們中小學(xué)也開始了機器人的教學(xué)，在此過程中也推出了各自的教育機器人基礎(chǔ)開發(fā)平臺。1994年麻省理工學(xué)院就設(shè)立了“設(shè)計和創(chuàng)造LEGO機器人”課程，目的是提高工程設(shè)計專業(yè)學(xué)生的設(shè)計和創(chuàng)造能力。嘗試機器人教育與理科實驗的整合：麻省理工學(xué)院媒體實驗室“終身幼兒園”項目小組開發(fā)了各種教學(xué)工具，通過與著名積木玩具商樂高公司緊密合作，該項目組開發(fā)出可編程的樂高玩具，幫助孩子們學(xué)會在數(shù)字時代

29、怎樣進(jìn)行設(shè)計活動。2006年6月新加坡國立教育學(xué)院和樂高教育部舉辦了第一屆亞太ROBO-LAB國際教育研討會，通過專題報告、論文交流和動手制作等方式，就機器人教育及其在科技、數(shù)學(xué)課程里的應(yīng)用進(jìn)行交流，以提高教師們開展機器人教育的科技水平與應(yīng)用能力。目前，全球每年有一百多項機器人競賽，參加人員從小學(xué)生、中學(xué)生、大學(xué)生、研究生到研究人員。國際上主要的機器人競賽有：國際</p><p>　　1.22國內(nèi)有關(guān)研究綜述&l

30、t;/p><p>　　我國教育部門也在政策上加以引導(dǎo)，積極把教育機器人引入課堂。隨著教育機器人活動的積極開展，教育機器人將得到普及。各級各類學(xué)校積極把機器人引入課堂，更多中小學(xué)生得以學(xué)習(xí)機器人知識。機器人教學(xué)課堂成為中小學(xué)信息技術(shù)教育的重要組成部分。在科技創(chuàng)新活動方面，形成一個廣大中小學(xué)生、大學(xué)生直至專業(yè)研究人員以及機器人愛好者都積極參加各級各類機器人比賽的局面。機器人不再神秘，直接走入我們的生活學(xué)習(xí)中。在這種氛圍下

31、，更多的人參與到機器人的研制和應(yīng)用中去，必將促進(jìn)機器人的大發(fā)展，從而促進(jìn)社會的發(fā)展。2000年，北京市景山學(xué)校以科研課題的形式將機器人普及教育納入到信息技術(shù)課程中，在國內(nèi)率先開站了中小學(xué)機器人課程教學(xué)。2001年，上海市西南位育中學(xué)、盧灣高級中學(xué)等學(xué)校開始以“校本課程”的形式進(jìn)行機器人活動進(jìn)課堂的探索和嘗試。2005年，哈爾濱市正式將機器人引入課堂教學(xué)，在哈爾濱師范附小、60中、省實驗中學(xué)等41所學(xué)校開設(shè)了“人工智能與機器人”的課程，用

32、必修課形式對中小學(xué)生進(jìn)行機器人科學(xué)方面的教育。此外香港在高中及高等教育新學(xué)制的改革中，也在高中“設(shè)計與應(yīng)用科技”課程中增設(shè)了機器人制作的課程。</p><p>　　1.3本課題選題意義</p><p>　　機器人活動主題不僅有趣，更提供開放性的問題解決方案，學(xué)生可以用不同的方法達(dá)到同一項目標(biāo)，從而鼓勵學(xué)生充分發(fā)揮想象力、創(chuàng)造力，培養(yǎng)學(xué)生的開發(fā)性思維。對機器人進(jìn)行研究學(xué)生們將有機會：1、探討

33、有趣的、具有挑戰(zhàn)性的主題；2、通過動手實踐獲取知識；3、學(xué)習(xí)多學(xué)科知識，如電子工程及信息技術(shù)等。讓我們就像真正的工程師一樣，針對項目主題，進(jìn)行研究、策劃、設(shè)計、和測試，為自己設(shè)計機器人，并編寫程序，讓它完成自己想讓它完成的事情。</p><p>　　通過鼓勵使我們主動探索、動手實踐，讓我們親身體驗抽象的理論如何變成了觸手可及的答案，享受成功的興奮。在設(shè)計中，我們不僅可以學(xué)到有關(guān)機械、電子、計算機等技術(shù)知識，更可幫

34、助我們培養(yǎng)良好的生活習(xí)慣、掌握技能；與人的溝通與合作、對他人的尊重、毅力與自信的梳理及時間的合理分配、利用等，知道自己的興趣所在，為將來走上社會，面對新的挑戰(zhàn)做好充分的準(zhǔn)備。</p><p>　　1.4本課題研究內(nèi)容</p><p>　　本課題是對機器人控制方面的研究：主要分為舵機的控制、PWM波形產(chǎn)生、步態(tài)控制等。其中較難懂的為控制原理的設(shè)計、程序分析和步態(tài)分析。</p>

35、<p>　　第二章 控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p><b>　　2.1單片機</b></p><p><b>　　2.11單片機介紹</b></p><p>　　At89S52 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非 易失性存儲器技術(shù)制造

36、，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完 全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于 常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng) 可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O 口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16 位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時

37、鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏 輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。單片機電路上還需有一個復(fù)位開關(guān)、一個信號接收端口、一個單刀雙擲開關(guān)一個和+5V輸入電源一個。</p><p>　　2.12單片機功能介紹</p&g

38、t;<p>　　VCC：電源正極輸入，GND：電源接地端。</p><p>　　RST:復(fù)位輸出端。復(fù)位后，寫入單片機內(nèi)的程序從起點重新運行。</p><p>　　EA/VPP：片內(nèi)程序存儲器選擇輸入信號端/編程電壓輸入端，高電平有效；當(dāng)單片機運行時，若在此引腳加上持續(xù)時間按大于兩個機器周期的高電平，就會完成復(fù)位操作，使單片機恢復(fù)到初始狀態(tài)對于AT89C51、AT89C52，

39、當(dāng)使用內(nèi)部ROM時，讓其接5V高電平。</p><p>　　XTAL1：震蕩器反向放大器及內(nèi)部時鐘的輸入端，XTAL2：震蕩器反向放大器的輸出端。在XTAL1與XTAL2之間接石英振蕩器，給MCU的工作提供時鐘，當(dāng)前，對于MCS-51系列，最高可使用24MHz。</p><p>　　PSEN(非)：片外程序存儲器讀選通信號線，低電平有效。當(dāng)從外部程序存儲器讀取指令或數(shù)據(jù)期間，每個機器周期該

40、信號兩次有效，以通過數(shù)據(jù)總線P0口讀回指令或常數(shù)，在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器期間，PSEN(非)信號處于無效狀態(tài)。</p><p>　　ALE/PROG(非)：地址鎖存允許信號。ALE在每個機器周期內(nèi)輸出兩個脈沖。在訪問片外程序存儲器期間，下降沿用于控制鎖存P0口輸出的低8位地址；在不訪問片外程序存儲器期間可作為對外輸出的時鐘脈沖信號或用于定時，此頻率為震蕩頻率的1/6。對于EPROM型的單片機，在EPROM編程期間，

41、此引腳用于輸入編程脈沖。</p><p>　　當(dāng)VCC發(fā)生故障時，降低到低電平規(guī)定值或掉電時，改引腳可接上備用電源VPD(+5V)為內(nèi)部RAM供電。以保證RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。</p><p>　　P0口：P0 口是一組8 位漏極開路型雙向I/O 口， 也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8 個TTL邏輯門電路，對端口P0 寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用。在

42、訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。</p><p>　　在Flash 編程時，P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。</p><p>　　P1口是一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸入緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電

43、阻把端口拉到高電平，此時可作輸出口。作輸入口時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時輸出一個電流（I）。Flash編程和程序校驗期間，P1口接收8位地址。</p><p>　　P2口：P2口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸入緩沖極可以驅(qū)動（輸入或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時和作為輸出口，作輸出口時，因為存在內(nèi)部上拉電阻，某個引腳

44、被外部信號拉低時會輸出一個電流。在訪問外部存儲器或1位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX@DPTR指令）時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行MOVX@RI指令）時，P2口線的內(nèi)容（也既特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中R2寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不改變。Flash編程或校驗時，P2亦接收高地址和其他控制信號。</p><p><b>　　2.2舵機的驅(qū)動</b&

45、gt;</p><p>　　2.21舵機工作原理 </p><p>　　舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器，它接收一定的控制信號，輸出一定得角度。適用于那些需要角度不斷變化把那個可以保持的控制系統(tǒng)。例如四腳柱狀甲蟲機器人。</p><p>　　舵機的工作原理是：控制信號由接收機的通道進(jìn)入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5m

46、s的基準(zhǔn)信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機驅(qū)動芯片決定電機的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，直到電壓差為0，電機停止轉(zhuǎn)動。舵機的控制信號為PWM信號，利用占空比的變化改變舵機的位置。</p><p>　　圖2-1 標(biāo)準(zhǔn)舵機</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)的舵機有三條導(dǎo)線，分別是：電源線、地線、控制線。</

47、p><p>　　圖2-2 舵機實物圖</p><p>　　控制方法：電源線和地線用于提供內(nèi)部的直流電機和控制線路所需的能源，電壓通常介于4V~6V之間一般取5V。注意給多級供電的電源應(yīng)能提供足夠的功率?？刂凭€輸入的是一個寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號，方波脈沖信號周期為20ms。當(dāng)方波的脈沖寬度改變時，多級轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生改變，角度變化與脈沖寬度的變化成正比關(guān)系，如圖2-2所示。</p&

48、gt;<p>　　圖2-3 舵機輸出轉(zhuǎn)角與輸入信號脈沖寬度的關(guān)系</p><p>　　2.22 舵機的驅(qū)動電路</p><p>　　一般在以單片機P1口作為端口輸出，輸出的多路PWM信號通過光耦隔離傳送到下一級電路。因為通過光耦傳動過程中進(jìn)行了反相，因此通過光耦出來的信號必須經(jīng)過反相器進(jìn)行反向。方波信號經(jīng)過光耦傳輸后，前沿和后沿會發(fā)生畸形，因此反相器還要具有整形功能，對傳

49、過來的信號進(jìn)行整形產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的方波信號。但是本次設(shè)計只需8路信號且采用的是舵機，可采用直接輸出信號。因此從硬件和成本方面考慮本次設(shè)計無需添加光耦和反相器。</p><p>　　2.3 PWM信號的產(chǎn)生</p><p>　　2.31 PWM波產(chǎn)生的原理和產(chǎn)生的方法</p><p>　　主程序與中斷服務(wù)程序相結(jié)合可以完成多路PWM信號的輸出，并且有空余的時間完成其他功能，

50、如動作分析、相關(guān)計算與其他處理器通信等。舵機所需的控制信號的高電平時間為0.5～2.5 ms，單個舵機控制信號周期T為20ms，其中變化的時間為t，每一個舵機控制信號至少有17.5ms是低電平且不會發(fā)生變化。對一個周期內(nèi)的所有路PWM信號，按照高電平的時間長度進(jìn)行排序，在20ms內(nèi)，首先置P0.0高電平，t ms后取反，舵機轉(zhuǎn)軸將轉(zhuǎn)到t ms對應(yīng)的角度。t的最大取值為2.5ms，在2.5ms后將P0.0置成高電平將不會影響P0.0對舵機

51、的控制，則在20ms內(nèi)最多可以控制8路信號（20ms/2.5ms=8），P1口的8路PWM波輸出示意圖如下圖2-4所示。</p><p>　　圖2-4 PWM輸出示意圖</p><p><b>　　2.4本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要講了機器人控制硬件的設(shè)計。舵機的控制是其中的關(guān)鍵。</p><p>

52、　　圖2-5是本設(shè)計的控制結(jié)構(gòu)框圖：</p><p>　　圖2-5 設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　第三章 電路圖的設(shè)計</p><p>　　3.1Protel 99SE簡介</p><p>　　Protel作為中國最流行的EDA軟件，其在中國的普及程度確實是其他EDA軟件所不能比擬的，Protel從其DOS版開始，就已經(jīng)在中國普及，

53、最先推出的Tango以其方便使用的功能受到廣大業(yè)界用戶的歡迎，其后一直追隨操作系統(tǒng)的變更推出最新的Protel版本。目前最新的是ProtelDXP，最新版本雖然功能不差，但運行要求過高，目前使用比較多的還是Protel 99SE。</p><p>　　Protel 99SE是個龐大的EDA軟件，完全安裝需要200多兆的空間，它是一個完整的板級全方位電子設(shè)計系統(tǒng)，包含了電路原理圖繪制、模擬電路與數(shù)字混合信號仿真、多

54、層印制電路板設(shè)計、信號完整性分析、可編程邏輯器件設(shè)計、圖標(biāo)生成、電子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server體系結(jié)構(gòu)，同時還兼容一些其他設(shè)計軟件的格式，如ORCAD,PSPICE,Excel等，其多層印制線路板的自動布線可實現(xiàn)高密度PCB的100%布通率。</p><p><b>　　3.2原理圖設(shè)計</b></p><p>　　電路原理圖設(shè)計主要

55、是為了以后讀圖方便和生成網(wǎng)絡(luò)報表給后期電路板設(shè)計使用的，原理圖設(shè)計的步驟基本可以用下面的設(shè)計流程來表示：</p><p>　　圖3-1 設(shè)計流程圖</p><p>　　原理圖表示元件的連接，根據(jù)引腳排列無關(guān)性，對于計算機而言重要的是引腳連接，可是，一張好的原理圖，不但要求引腳連接正確，沒有錯誤，還要美觀、信號流向清晰、標(biāo)注清楚、可讀性強等特點，所以，對于原理圖設(shè)計而言，有一些原則需要遵

56、循：1、順設(shè)計流向擺放元器件，設(shè)計流向可以是信號流向，也可以是以某個元件作為中心器件來擺設(shè)外圍電路等，總之要符合模塊化的設(shè)計原則。2、同一模塊中的元件靠近，不同模塊中的元件稍微遠(yuǎn)離。3、不可有過多的交叉，充分利用總線和端口。</p><p>　　3.3ISP下載接口設(shè)計</p><p>　　圖3-1 ISP下載接口圖</p><p>　　3.4按鍵復(fù)位電路設(shè)計&

57、lt;/p><p>　　復(fù)位時任何單片機的初始化操作，只要給RESET引腳加上2個機器周期以上的高電平信號，就可以是MCS-51單片機復(fù)位。復(fù)位的主要功能是把PC初始化0000H，使MCS-51單片機從0000H單元開始從執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，也需要俺復(fù)位鍵重新啟動。單片機的復(fù)位狀態(tài)與應(yīng)用系統(tǒng)的復(fù)位狀態(tài)是密切相關(guān)的，因此熟悉單片機的復(fù)位狀態(tài)非常重要。

58、通過MCS-51單片機上的復(fù)位引腳RST/VPD，引入兩個機器周期以上的高電平，即可使器件復(fù)位，只要RST一直保持高電平，那么CPU就一直處于復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)RST由高電平變?yōu)榈碗娖胶髲?fù)位結(jié)束，CPU從初始狀態(tài)開始工作。復(fù)位電路如圖3-2所示：</p><p>　　圖3-2 復(fù)位電路圖</p><p>　　3.5串口通信電路設(shè)計</p><p>　　在實際工作中，計

59、算機的CPU與外部設(shè)備之間常常要進(jìn)行信息交換：一臺計算機與其他計算機之間也往往要交換信息，所有這些信息交換均可稱之為數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)通信方式有兩種，即并行數(shù)據(jù)通信和串行數(shù)據(jù)通信。</p><p>　　串口通信電路如圖3-3、圖3-4所示，在機器人系統(tǒng)中，把UART0用來配置ISP下載功能。如果使用ISP下載功能，就要把UARTO的電壓升到和電腦串口的電壓一樣，然后將PC機的串口與機器人的外部接口相連，使用UART0

60、進(jìn)行通訊。</p><p>　　圖3-3 串口通信電路圖</p><p>　　圖3-4 串口通信電路圖</p><p><b>　　3.6電源電路設(shè)計</b></p><p>　　在機器人制作測試機調(diào)試的全過程中，穩(wěn)壓電源是必備設(shè)備之一，它具有穩(wěn)</p><p>　　定、方便及廉價的特點。

61、如圖3-5四腳柱狀機器人控制系統(tǒng)的電源電路原理圖。</p><p>　　采用的是LM7805穩(wěn)壓器，當(dāng)輸入電壓大于7V時，能夠輸出穩(wěn)定的5V正電壓，最大的負(fù)載電壓，最大負(fù)載電流1A。對于部分要求電流大于1A情況，可以將兩個適配器輸出并聯(lián)起來使用。</p><p>　　圖3-5 電源電路圖</p><p>　　3.7單片機電路及時鐘電路設(shè)計</p>

62、<p>　　時鐘電路用于產(chǎn)生MCS-51單片機工作時所需的時鐘信號。MCS-51單片機本身就是一個復(fù)雜的同步時序電路，為保證同步工作方式的實現(xiàn)，MCS-51單片機應(yīng)在唯一的時鐘信號控制下，嚴(yán)格地按時序執(zhí)行指令進(jìn)行工作。</p><p>　　時鐘電路如圖3-6所示，單片機的VCC和EA/VPP接5V高電平，X1,X2接單片機的XTAL1和XTAL2。圖3-6中Y1為晶振或陶瓷振蕩器，振蕩器產(chǎn)生的頻率主要由

63、Y1參數(shù)確定.電容C7、C8的作用有兩個：一是幫助振蕩器起振，二是對振蕩器的頻率起微調(diào)作用，典型值30pf。</p><p>　　圖3-6 單片機時鐘電路圖</p><p><b>　　3.8小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了Protel 99SE的使用和電路原理圖的設(shè)計。而電路原理圖是本次設(shè)計中的一個重要環(huán)節(jié)，在布線時要分為

64、手動和自動兩個部分，先用手動將主要連線先布好，然后再用自動布線就可以。因為它關(guān)系到機器人的控制電路板，稍有出錯機器人就不能正常的行走，因此原理圖的設(shè)計要非常的謹(jǐn)慎。</p><p>　　第四章 步態(tài)分析及程序編寫</p><p><b>　　4.1步態(tài)分析</b></p><p>　　4.11單腿運動的分解</p><p&

65、gt;　　機器人的每條腿都安裝了兩部伺服馬達(dá)，上方的馬達(dá)與機身鉸接，通過馬達(dá)的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)腿部相對機身的前后扭轉(zhuǎn)；下方的馬達(dá)則與腿部連桿機構(gòu)鉸接，馬達(dá)的往復(fù)擺動帶動連桿機構(gòu)，實現(xiàn)步足的上下起落。</p><p>　　4.12四腿復(fù)合運動規(guī)劃 </p><p>　　四腿機器人的運動方式分為兩種，即靜態(tài)步行方式（三腿支撐一腿行進(jìn)）和動態(tài)步行方式（步行過程任意時刻均少于三條腿同時處于支撐狀態(tài)的步行方

66、式）。</p><p>　　當(dāng)要求保證機器人在行進(jìn)中保持靜態(tài)穩(wěn)定，或要求行走在崎嶇路面，此時采用靜態(tài)步行法。在運動的任一時刻至少有三條腿與地面支撐機體，且機體的中心必須落在三足支撐點構(gòu)成的三角形區(qū)域內(nèi)。然后按照1342的順序抬起和落地，實現(xiàn)行走。雖然靜態(tài)步行法比較穩(wěn)定，但是需要四條腿輪流擺動一次才能完成一個運動周期，因此步行速度緩慢。</p><p>　　當(dāng)若要求快速行進(jìn)則采用動態(tài)步行法，

67、即處于對角線的兩條腿動作完全一致。如圖4-1行進(jìn)過程中對角線上的兩條擺動腿1、3抬起向前擺動，此時由于1、3腿的前擺，使機體重心前移不在支撐腿對角線上，支撐腿2、4同時向后擺動，使機體前移，重心恢復(fù)到1、3腿的對角線中點上，然后落下1、3腿，從而使集體保持平衡狀態(tài)。</p><p>　　圖4-1 機器人步態(tài)</p><p>　　四條腿在一周期的循環(huán)過程中，機體始終相對地面作勻速運動。腿

68、部的運動分兩個過程：1、支撐腿在支撐過程中，機體移動，足尖相對機體向后運動；2、在抬跨過程中，足尖的運動時由隨機體的向前運動和足尖相對機體向前抬跨運動的合成。</p><p>　　舵機分布圖如表2-1：</p><p>　　表2-1 舵機分布</p><p>　　圖4-2 舵機分布實物圖</p><p><b>　　4.2程序

69、分析</b></p><p>　　4.21舵機控制程序編寫</p><p>　　四足機器人需要8個舵機，在每個控制 周期20ms中，首先J3、J7號舵機輸入高電平，持續(xù)2.5ms后轉(zhuǎn)為低電平。當(dāng)J3、J7號舵機為高電平時，其余舵機保持狀態(tài)不變。</p><p>　　在J3、J7號舵機高電平轉(zhuǎn)為低電平瞬間，J2、J4、J6、J8號舵機輸入高電平，持續(xù)2.0

70、ms后轉(zhuǎn)為低電平。當(dāng)J2、J4、J6、J8號舵機為高電平時，其余舵機保持狀態(tài)不變。</p><p>　　在J2、J4、J6、J8號舵機高電平轉(zhuǎn)為低電平瞬間， J3、J7號舵機輸入高電平，持續(xù)0.5ms然后轉(zhuǎn)為低電平。當(dāng)J3、J7號舵機為高電平時，其余舵機保持不變。</p><p>　　在J3、J7號舵機高電平轉(zhuǎn)為低電平的瞬間，J5、J9號舵機輸入高電平，持續(xù)2.5ms,然后轉(zhuǎn)為低電平。當(dāng)J

71、5、J9號舵機為高電平時，其余舵機保持狀態(tài)不變。</p><p>　　在J5、J9號舵機高電平轉(zhuǎn)為低電平瞬間，J2、J4、J6、J8號舵機輸入高電平，持續(xù)2.0ms后轉(zhuǎn)為低電平。當(dāng)J2、J4、J6、J8號舵機為高電平時，其余舵機保持狀態(tài)不變。</p><p>　　在J2、J4、J6、J8號舵機高電平轉(zhuǎn)為低電平瞬間，J5、J9號舵機輸入高電平，持續(xù)0.5ms然后轉(zhuǎn)為低電平。當(dāng)J5、J9號舵機

72、為高電平時，其余舵機保持不變。依此類推，在每個控制周期的20ms中，可以滿足對8機同時控制的要求。</p><p><b>　　4.22主程序</b></p><p>　　運動控制器軟件分為2個部分：即主程序和中斷服務(wù)程序。</p><p>　　主程序完成定時器初始化、舵機位置初始化工作。定時時間為50us,考慮到定時時間較短，方式2自動裝入初

73、值，誤差較小，且方式2最長定時時間為28=256us,因此TH0=256-50；TL0=256-50。然后開中斷，執(zhí)行中斷程序和其他功能模塊。主程序流程圖如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-3 主程序流程圖</p><p><b>　　4.23中斷程序</b></p><p>　　定時器中斷時間為50us。機器人邁一步需要一定的執(zhí)行

74、時間，程序中預(yù)設(shè)為0.4s，用整形變量Step_Delay計數(shù)。Step_Delay未減至0時繼續(xù)發(fā)送當(dāng)前的步態(tài)控制信號（即i不變）。（1）如果減至0，說明已經(jīng)走完一小步。然后檢查是否走完規(guī)定步數(shù)（大步，num_step==0）并且回到初始狀態(tài)（i==0）；若是，停止計時中斷，機器人不再動作。否則Step_Delay重新賦初值，然后邁下一步（i++）；再檢查是否完成一個步態(tài)周期（走完一大步）。若是（i==Pace），預(yù)定步數(shù)減1（num

75、_step--），并且將i置零，開始下一步態(tài)周期。（2）如果Step_Delay大于0，減1。</p><p>　　以下是20ms周期計時，先判斷Circle是否等于0：（1）若計滿20ms（Circle ==0），重新賦初值（Circle=TIME20ms;Flag=0;）并且將當(dāng)前控制信號的參數(shù)讀進(jìn)來，重新賦值，然后將P20置高電平，又一次的PWM周期開始。（2）若未計滿20ms，Circle減1。</

76、p><p>　　以下是在一個脈沖周期內(nèi)依次輸出8個舵機的控制信號。用Flag標(biāo)志8路控制信號是否送完，若沒有（Flag==0），先判斷，后將第j號舵機的計數(shù)值減1。若當(dāng)前舵機控制信號高電平時間已到（pulse[j]==0），將該通道置0（相應(yīng)I/O輸出為低電平），同時下一通道置高，開始輸出正脈沖（相應(yīng)I/O輸出高電平）。當(dāng)?shù)?號舵機的控制信號已送完時，P27置0，j=0，同時將標(biāo)志位Flag置1，表示在這個20ms內(nèi)

77、控制信號全部送出，剩下的時間不動作。</p><p>　　中斷程序流程圖如圖4-4所示，全部程序見附錄。</p><p>　　圖4-4 中斷程序流程圖</p><p><b>　　結(jié)束語</b></p><p>　　畢業(yè)論文是本科學(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論與實際相結(jié)合的機會，通過這次比較完整的設(shè)計控制系統(tǒng)，我擺脫了單

78、純的理論知識學(xué)習(xí)狀態(tài)，和實際設(shè)計的結(jié)合鍛煉了我的綜合運用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識，解決實際工程問題的能力，同時也提高我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計手冊、設(shè)計規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平，而且通過對整體的掌控，對局部的取舍，以及對細(xì)節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗得到了豐富，并且意志品質(zhì)力，抗壓能力及耐力也都得到了不同程度的提升。這是我們都希望看到的也正是我們進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計的目的所在。</p><p>　　雖然畢業(yè)設(shè)

79、計內(nèi)容繁多，過程繁瑣但我的收獲卻更加豐富。各種系統(tǒng)的適用條件，各種設(shè)備的選用標(biāo)準(zhǔn)，各種元件的安裝方式，我都是隨著設(shè)計的不斷深入而不斷熟悉并學(xué)會應(yīng)用的。和老師的溝通交流更使我從經(jīng)濟(jì)的角度對設(shè)計有了新的認(rèn)識也對自己提出了新的要求，舉個簡單的例子：一塊PCB板可以放置很多的元件而有的元件口必須朝板材的外面，還有部分元件放置過緊又有部分元件太松導(dǎo)致板材的浪費，這些本是我工作后才會意識到的問題，通過這次畢業(yè)設(shè)計讓我提前了解了這些知識，這是很珍貴的

80、。</p><p>　　對于本次設(shè)計其實還有很多的不足，比如說機器人每次只能完成一種命令，要想完成其他命令得重新改程序重新輸入。而且機器人沒有安裝液晶顯示器，因此我無法得知機器人的指令，無法交流。希望在以后的設(shè)計中能有所改進(jìn)、有所提高，設(shè)計一個更加完善的機器人。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本文在我的指導(dǎo)教

81、師**的多次指導(dǎo)下終于完稿，感激之情，溢于言表。在論文寫作過程中，得到了許多教師和同學(xué)的指導(dǎo)和幫助，尤其是**老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的專業(yè)知識、崇高的職業(yè)品德、無私的奉獻(xiàn)精神令我很感動，我從老師身上學(xué)到了做學(xué)問的態(tài)度、方法與知識，但更重要的是學(xué)到了做人的道理與做任何事情都應(yīng)有的認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度。這將使我受用終身！在這里我要對指導(dǎo)教師表達(dá)衷心的敬意與謝意。在此過程中，有眾多的老師和同學(xué)幫我搜集、查閱資料，校對文章，我不勝感激！同時對所有

82、關(guān)心過我的領(lǐng)導(dǎo)、老師、同學(xué)表達(dá)我由衷的敬意！最后衷心感謝在百忙之中抽出時間參加答辯的各位專家、教授，謝謝你們！ </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 戴敏，張志勝，史金飛．大學(xué)生創(chuàng)新與實踐能力培養(yǎng)的探索[J]． 東南大學(xué)學(xué)報(哲學(xué)社會科學(xué)版)，2008，10(增刊)：258-260</p><p>　　[2

83、] 王寧．基于嵌入式系統(tǒng)的開放式教育機器人控制器[D]：[碩士學(xué)位論文]．鄭州：鄭州大學(xué)，2007</p><p>　　[3] 徐愛鈞，彭秀華. Keil Cx51 V7.0單片機高級語言編程與μVision2應(yīng)用實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社. 2004.1-72,214-250</p><p>　　[4] 曹建樹，夏云生，曾林春．51單片機實用教程[M]．北京：中國石化出版社，200

84、8</p><p>　　[5] 張義和，王敏男，許宏昌，余春長編著，袁彩霞改編．例說51單片機（C語言版）[M]．北京人民郵電出版社，2008</p><p>　　[6] 付麗，劉衛(wèi)國，伊強．單片機控制的多路舵機用PWM波產(chǎn)生方法[J]．微特電機，2006(2)：28-29</p><p>　　[7] 多梁磊，王樹強，許芹．多路PWM信號產(chǎn)生算法研究[J]．電氣電子

85、教學(xué)學(xué)報，2008，30(4)：47-49</p><p>　　[8] 朱定華，黃松，蔡苗．Protel 99 SE原理圖和印制板設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007</p><p>　　[9] 沙占友，孟志永，王彥朋．單片機外圍電路設(shè)計[M]．第2版．北京：電子工業(yè)出版社，2006</p><p>　　[10] 程君實，潘俊民，汪瓊，吳立衛(wèi)．四足機器人步行控

86、制算法的研究[J]．上海交通大學(xué)學(xué)報，1991，25(6)：37-44</p><p>　　[11] 秦志強．C51單片機應(yīng)用與C語言程序設(shè)計[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2007．80-120</p><p>　　[12] David Cook.Robot building for beginners[M].US:Apress L.P.,2003</p><p>

87、　　[13] Shuuji Kajita and Bernard Espiau.Springer Handbook of Robotics[M].Germany: SpringerBerlin Heidelberg,2008.362-386 </p><p><b>　　附錄</b></p><p>　　#include<reg51.h></p>

88、;<p>　　#include<stdio.h></p><p>　　#define Pace 6</p><p>　　#define TIME20ms 360</p><p>　　// 20.4 ms </p><p>　　#define Begin_delay 7000</p><

89、p>　　#define uint unsigned int </p><p>　　#define uchar unsigned char</p><p>　　sbit P20=P2^0;</p><p>　　sbit P21=P2^1;</p><p>　　sbit P22=P2^2;</p><p>　　

90、sbit P23=P2^3;</p><p>　　sbit P24=P2^4;</p><p>　　sbit P25=P2^5;</p><p>　　sbit P26=P2^6;</p><p>　　sbit P27=P2^7;</p><p>　　uchar code Pulse_width[6][8]={ <

91、;/p><p>　　{ 25, 35, 20, 40, 12, 18, 30, 14};</p><p>　　{ 25, 18, 20, 40, 12, 35, 30, 14};</p><p>　　{ 30, 18, 25, 40, 20, 35, 12, 14};</p><p>　　{ 30, 35, 25, 40, 20, 18, 12,

92、 14};</p><p>　　{ 30, 35, 25, 14, 20, 18, 12, 40};</p><p>　　{ 25, 35, 20, 14, 12, 18, 30, 40};</p><p>　　uchar i=0,j=0;</p><p>　　uchar pulse[8];</p><p><b

93、>　　uint k=0;</b></p><p>　　uint Circle=TIME20ms;</p><p>　　uint Delay=Begin_delay;</p><p>　　uchar *point;</p><p>　　bit Flag=0;</p><p>　　// --------

94、----------- routines declaration ------------------------</p><p>　　void Leg_adjust();</p><p>　　//void ppm();</p><p><b>　　main()</b></p><p><b>　　

95、{</b></p><p><b>　　IE=0x82;</b></p><p>　　TMOD=0x02; // time 0 mode 2</p><p>　　TH0=256-50;</p><p>　　TL0=256-50;</p><p><b>　　i=

96、0;</b></p><p><b>　　j=0;</b></p><p>　　point=&Pulse_width[0][0];</p><p>　　for(k=0;k<8;k++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　pu

97、lse[k]=point[k];</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　P2=0x00;</b></p><p>　　for(k=10000 ;k>0;k--);</p><p><b>　　P20=1;</b></p><

98、;p><b>　　TR0=1;</b></p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p&g

99、t;<p>　　void time0() interrupt 1 using 1</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　Delay-=1;</b></p><p>　　if(Delay==0)</p><p><b>　　{</b>&

100、lt;/p><p>　　Delay=Begin_delay;</p><p><b>　　i++;</b></p><p>　　if(i==Pace)i=0;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　Circle-=1;</p><p>

101、;　　if(Circle==0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　Circle=TIME20ms;</p><p><b>　　Flag=0;</b></p><p>　　for(k=0;k<8;k++)pulse[k]=point[i*8+k];</p>

102、;<p><b>　　P20=1;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(Flag==0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(pulse[j]==0)</p><p>&l

103、t;b>　　{</b></p><p><b>　　switch(j)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　case0:{P10=0;P11=1;j++;break;}</p><p>　　case1:{P11=0;P12=1;j++;break;}

104、</p><p>　　case2:{P12=0;P13=1;j++;break;}</p><p>　　case3:{P13=0;P14=1;j++;break;}</p><p>　　case4:{P14=0;P15=1;j++;break;}</p><p>　　case5:{P15=0;P16=1;j++;break;}</p&g

105、t;<p>　　case6:{P16=0;P17=1;j++;break;}</p><p>　　case7:{P17=0;Flag=1;j=0;break;}</p><p>　　default: {j=0;break; }</p><p><b>　　}</b></p><p><b>