行走的具体分析 步态稳定性分析 各个部件的设计 主板结构设计 腿部结构的设计 腿与主板连接件 肢体部件间的装配 驱动器设计 微型伺服马达内部结构 微型伺服马达的工作原理 微型伺服马达控制 伺服马达的电源引线 伺服马达的运动速度 使用伺服马达的注意事项 控制系统硬件设计 系统硬件电路介绍 单片机最小系统 单片机简介 时钟电路与复位 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 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。 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。 控制系统设计电路控制系统 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。 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能的类特种机器 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直是国内外机器人领域研究的热点之。 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。 红外遥控六足机器人系统设计 系统总体方案 经过对方案设计要求的分析论证采用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 图系统总体框图 系统方案论证 机器人行走方案论证 方案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是很好。 鉴于自己能力有限等方面选择第二种方案。 机体方案论证 方案自己制作车体。 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 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。 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。 方案可以采用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高适合作为大规模实时系统的控制核心。 方案二采用作为系统控制的方案。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低。考虑到性价比问题本设计 选择用单片机做控制器。 综合以上的优缺点本设计决定采用第二种方案。 驱动器方案论证 方案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种叫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个角度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个转圈的指令步进电机就不会转圈但是如果是 直流电机由于惯性作用它可能转圈半。步进电机的调速是通过控制电机的频率来获得 的。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。它的特点是大扭力控制简单装配灵活相对经 济但它亦有其不足首先它是个精细的机械部件超出其承受能力之外的力会导致其损 坏其次它内藏电子控制电路不正确的电子连接也会导致其损坏因此有必要在使用前了 解其工作原理以免造成不必要的损失。 综上所述根据自己的需求选择了微型伺服马达为驱动器。 供电单元论证 整个系统需要电源的有红外接收与发射设备单片机舵机。舵机需要电压为需 要通过将电压转换成供电。在舵机和直流电机工作时电路中的电流会产生较 大的波动。 方案采用单电源供电。 通过单电源对整个系统进行供电此方案的优点是减少机身的重量操作简单。但系 统中各个部分所需电压不通过转换当同时工作时可能产生过电流太大从而 烧坏电压转换芯片甚至烧坏单片机。同时较大的电流波动影响单片机的稳定性。 方案二采用双电源供电。 通过两个的电源分别对循迹小车模块和清障模块进行供电。此方案的优点是减少波 动单片机稳定性比较好可以让小车更好的运作起来唯的缺点就是会增加小车的重量。 综合以上的优缺点本设计决定采用第二种方案。 红外遥控设备论证 本设计需要机器人完成前进后退转向运动运动形式比较少所以选用简单的四个按 键的遥控器即可。 系统最终方案 经过各方面的论证最终的方案如下 机体用有机玻璃自行设计尺寸来制造。 行走的腿部运用舵机驱动且每个足只有个自由度。 采用单片机主控制器。 采用双电源供电电压经转化为后供单片机使用干电池供舵机使 用。 使用简单的红外遥控器控制机器人的行走。 六足机器人的步态规划 行走原理 六足纲昆虫蟑螂蚂蚁等步行时般不是六足同时直线前进而是将三对足分 成两组以三角形支架结构交替前行。身体左侧的前后足及右侧的中足为组右侧的前 后足和左侧的中足为另组分别组成两个三角形支架。当组三角形支架中所有的足同时提 起时另组三角形支架的三只足原地不动支撑身体并以中足为支点前后胫节的肌肉收缩 拉动身体向前后足胫节的肌肉收缩将虫体往前推因此身体略作以中足为支点的转动同 时虫体的重心落在另组三角形支架的三足上然后再重复前组的动作相互轮换周 而复始。这种行走方式使昆虫可以随时随地停息下来因为重心总是落在三角支架之内。这就 是典型的三角步态行走法。运动时六腿呈两组三角形交替支撑迈步前进。其行走轨迹并非是 直线而是呈之字形的曲线前进。 本设计采用三角步态的运动示意如图所示。腿联动腿联动腿也是联动。 接触地面的腿如图中黑方块所示形成了稳定的三角形结构。这样模型通常会保持直立平稳 的走姿而不会在走路时跌跟头。 六脚三个舵机的控制方式是已知的实现复杂运动的所需最少舵机的实现方式总共实现前 进后退前左传后左传前右转后右转六种运动姿态这也为实现后续控制所要求的复 杂运动提供了机械基础。本机械部分采用了前进后退左转右转四种方式。 图机器人三角步态走法 共用了三个舵机两个分别在两边个在中间每边的前腿和后腿是联动的只有 个自由度只能做前后移动中间两条腿是联动的只能做左右摆动。行走原理是中间的 舵机左右摆动左中腿和右中腿交替着地以使两边的腿分时产生推动身体向前的动作即 左中腿着地时右前腿和右后腿起作用当右中腿着地时左边前后两条腿起作用。中间的舵 机在运动相位上始终与两边的腿相差度当左右两个舵机同相位时机器人转弯当左右两 个舵机相位相差度时机器人前进或后退。 图书分类号 密级 毕业设计论文 红外遥控六足爬行机器人控制系统设计 学生姓名 学院名称 专业名称 指导教师 年月日 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。 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寸利用软件设计机器人结构 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单片机红外遥控