基于單片機控制的雙足行走機器人的設(shè)計

1、基于單片機控制的雙足行走機器人設(shè)計摘 要：21世紀(jì)機器人發(fā)展日新月異，從傳統(tǒng)的履帶式機器人到如今的雙足行走 機器人，機器人的應(yīng)用范圍越來越廣。本系統(tǒng)以單片機（STC89C52為系統(tǒng)的中 央控制器，以單片機（STC12c5410ad為舵機控制模塊。將中央控制器與舵機控 制器，舵機，各類傳感設(shè)備及受控部件等有機結(jié)合，構(gòu)成整個雙足行走機器人， 達到行走、做動作的目的。單片機中央控制器與舵機控制器以串口通信方式實現(xiàn)。 系統(tǒng)的硬件設(shè)計中，對主要硬件舵機控制器和STC89C5單片機及其外圍電路進行了詳細(xì)的講述。硬件包括舵機控制器，STC12C5410A單片機，按鍵，各種傳感器和數(shù)據(jù)采集與處理單元。軟件包括

2、單片機初始化、主程序、信號采集中斷程序、通過串口通訊的接收和發(fā)送程序。論文的最后部分以雙足行走機器人為基礎(chǔ)， 結(jié)合傳感器，外圍控制設(shè)備組成控制系統(tǒng)，并給出了此系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的一些探討 和研究。關(guān)鍵詞：單片機； 舵機控制；STC12C5410ADBipedal robot desig n based on MCUAbstract : In the 21st century robot development changes with each passing day, from the traditionalcrawler robot to now bipedal robot, the robot

3、'sapplicati on scope is more and more widely.This system by si ngle chip microcomputer (STC89c52) as the cen tral con troller in the system, STC12c5410ad MCU as the steeri ng gear control module. The cen tral controller and the servo controller,Steering gear, all kinds of sensingand con trol com

4、p onents such as orga nic comb in ati on, make up the whole bipedal robot, the purpose of to walk, do the action.Sin gle chip microcomputer cen tral con troller and the servo con troller to realize serialcom muni catio n way.System hardware desig n, the main hardware servocontroller and STC89C5©

5、;ingle-chipmicrocomputer and peripheral circuitin detail. Hardware including servo controller, STC12C5410AD micro controller, buttons, all kinds of sensor and data acquisition and processing unit. Software includes MCUnitialization, the main program, and in terrupts program sig nal collecti on, thro

6、ugh a serial port com muni cati on to send and receive procedures. The last part of the paper on the basis of bipedal robot, combined with the sensor, the peripheral con trol device of con trol system, this system is also give n some discussions and research in the field of application.Keywords: MCU

7、; Servo Con trol; STC12C5410AD第一章緒論 11.1課題背景 11.2課題研究的目的及意義 21.3系統(tǒng)設(shè)計主要任務(wù) 3第二章系統(tǒng)方案設(shè)計 42.1機器人自由度選擇 42.2機器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計 42.3驅(qū)動方案選型 42.4系統(tǒng)總體設(shè)計 5第三章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 63.1單片機控制模塊 63.2舵機控制模塊 73.3傳感器模塊電路設(shè)計 83.4按鍵電路設(shè)計 83.5機器人電源及通信系統(tǒng)設(shè)計 9第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計 114.1程序流程圖 114.2控制流程圖 124.3動作數(shù)據(jù)采集 124.4數(shù)據(jù)庫的建立 13第五章系統(tǒng)整機調(diào)試及功能測試 145.1舵機控制控制模塊調(diào)試

8、145.2舵機調(diào)試 145.3 紅外傳感設(shè)備調(diào)試 155.4按鍵測試 155.5整機調(diào)試 15第六章設(shè)計總結(jié)及技術(shù)展望 16參考文獻 17附錄 17第一章緒論1.1課題背景1920年捷克斯洛伐克作家卡佩克寫了一本小說叫羅薩姆的機器人萬能公司。他幻想并做了一個不吃不喝，不知疲倦的機器人羅伯特（Robot）幫助人們進行工作。人們在產(chǎn)生天天勞動，簡單枯燥，于是人們幻想有一種代替人進行 工作的機器，這便是羅伯特出現(xiàn)的理由。機器人其實是個自動化裝置，他仍然是機器，但是他能夠模仿人完成某些特 定的工作。為什么要發(fā)展機器人技術(shù)？簡單的說是有三方面原因： 1、干人不愿 干的事。2、把人從有毒，有害，危險的環(huán)境

9、中解放出來。3、保證工作的效率和 準(zhǔn)確性。人會累，機器不會。這變相的提高了生產(chǎn)力，解放了勞動力。隨著時代的發(fā)展，機器人技術(shù)也是日新月異，從傳統(tǒng)的履帶式機器人到如今 的雙足行走機器人，機器人的應(yīng)用范圍越來越廣。機器人作為科技產(chǎn)物，如今已經(jīng)給人們提供了越來越多的方便， 他們可以做人類無法做到的事情，也可以代替 人去做一些危險的工作。兩足直立行走機器人是未來機器人的發(fā)展方向。相比較 傳統(tǒng)的履帶式機器人，它們可以更好的， 更方便的為人類服務(wù)，模仿人類兩足行 走的特性可以到達更多傳統(tǒng)機器人無法到達的地方。雙足機器人不但擁有開闊的工作空間， 并且對步行環(huán)境要求很低，能適應(yīng)于 各類地面且具有較高的夸越障礙的

10、能力，其步行性能是別的步行結(jié)構(gòu)無法比較的2。研究雙足行走機器人具有重要的意義。仿人雙足步行是生物界難度最高的步行動作， 但其步行性能卻是其它步行結(jié) 構(gòu)所無法比擬的。雙足步行機器人是工程上少有的高階、非線性、非完整約束的多自由度系統(tǒng)3。給予了對機器人的運動學(xué)、動力學(xué)及控制理論的研究一個非常 理想的實驗平臺。此外，雙足步行機器人的研究還可以促進仿生學(xué)、 人工智能、 計算機圖形、通信等相干學(xué)科的發(fā)展。機器人技術(shù)是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個綜合結(jié)果，是社會經(jīng)濟發(fā)展的起到重要影 響的一門學(xué)科。是發(fā)展生產(chǎn)力的必然需求。一個國家的機器人技術(shù)可以衡量一個 國家綜合技術(shù)水平，發(fā)展機器人技術(shù)是未來的必然趨勢。 雙足仿人行

11、走機器人更 是重中之重。通過研究制作雙足行走機器人我們能夠更好的認(rèn)識雙足行走機器人，了解其特點，這將為以后的發(fā)展，研究打下堅實的基礎(chǔ)1.2課題研究的目的及意義世界著名機器人專家，日本早稻田大學(xué)加藤一教授說過： “步行應(yīng)當(dāng)是機器 人具有的最大特征之一，步行的移動方式是其他運動方式無法比擬的，具有很大 的優(yōu)越性5 ”。1.2.1步行的優(yōu)越性機器人的移動方式分為履帶式、 輪式、步行等方式。輪式和履帶式機器人雖 然在平坦的路面表現(xiàn)很優(yōu)秀，但是他們一旦到了泥濘、松軟的土地上進行移動是 就會收到很大的阻礙，而步行的方式就不會存在這一問題。步行能適應(yīng)更多，更復(fù)雜的路況，例如：上樓梯、跨越障礙等。我們生活的地

12、球有很多地方不適合輪式或者履帶式機器人行動， 但是我們的 星球上有那么多步行的動物存在， 包括我們?nèi)祟?，可見步行?yīng)該是自然進化過程 中最適合移動的一種方式，是其他行動方式無法比擬的。1.2.2雙足步行機器人的優(yōu)越性步行機器人又很多，包括和蜘蛛一樣的八腳機器人、 小一點的四腳或者六腳 機器人，以及本課題研究的雙足機器人。 與其他機器人相比，雙足機器人靈活性 更好，適應(yīng)環(huán)境能力更強。能夠方便的上下臺階，通過窄路面等。并且步行的方 式占地面積小，更靈活，在此基礎(chǔ)上更容易搭載短小緊湊的機械手臂。這是其他步行方式無法比擬的。1.2.3雙足行走研究的意義在步行方式中兩足步行是最為復(fù)雜、自動化水平最高的動態(tài)

13、系統(tǒng)。本課題以 對兩足行走機器人的行走控制為目的，來研究兩足機器人的行走過程。通過對外界環(huán)境的判斷讓機器人處理一些簡單的應(yīng)變。為機器人在以后更為復(fù)雜的工作環(huán)境穩(wěn)定工作打下基礎(chǔ)。研究雙足步行機器人的另外一重要意義就是為了更好的了解人類和其他動 物的行走機理，這樣在將來可以為下肢癱瘓者提供較理想的假肢。再者，研究動物行走方式和研究步行機器人是雙向互惠的。正確的理解動物行走機理，可以 反過來更有效地指導(dǎo)步行機器人的研究和開發(fā)。因此，雙足步行機器人的研制 具有十分重大的價值和意義。1.3系統(tǒng)設(shè)計主要任務(wù)本文利用舵機控制器與單片機 STC89C52和各類傳感設(shè)備及受控部件、支架 設(shè)計制作的一款機器人行走

14、控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的設(shè)計包括：系統(tǒng)硬件的設(shè)計與調(diào)試 和控制軟件的編寫與調(diào)試。1.3.1硬件部分雙足行走機器人系統(tǒng)其硬件部分主要由五大部分構(gòu)成：(1) 控制單元。單片機STC89C5是系統(tǒng)中控制部分關(guān)鍵的元件，它與控制單元組成控制部分功能。負(fù)責(zé)整個機器行動的方式，以及處理外部環(huán)境變化的，改變機器人行走路線的任務(wù)。(2) 舵機控制模塊。主芯片為STC12C5410A模塊與控制單元進行串口通信 從而達到控制信息的傳輸。舵機控制模塊通過接收控制信息來產(chǎn)生控制舵機的 PWM波形。從而實現(xiàn)行走控制。(3) 傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。利用傳感器采集信息，為機器人提供準(zhǔn)確的外部 環(huán)境數(shù)據(jù)?？刂茊卧ㄟ^接收的外部信息來改

15、變控制信號，來讓機器人產(chǎn)生行動 變化。(4) 受控部件。通過控制舵機，通過精確的角度變化讓機器人完成行走的基 本目的。其主要受控于舵機模塊。通過 PWMfc控制。(5) 支架。組成機器人的軀干，搭載機器人全部電子器件。1.3.2軟件部分軟件設(shè)計部分主要由三大部分構(gòu)成：(1) 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析部分。即通過單片機對數(shù)據(jù)進行實時的采集與處理。 通過分析采集到的數(shù)據(jù)來產(chǎn)生控制機器人的處理信息，從而實現(xiàn)機器人的實時控 制的目的9。(2) 串口通信部分。兩個系統(tǒng)通過串口進行通信，是控制單元和舵機控制模 塊的主要通信方式，兩個模塊間良好的通信才能完成系統(tǒng)的設(shè)計。(3) 分析控制部分。根據(jù)采集的信息讓系統(tǒng)判

16、斷外部環(huán)境，并做出相應(yīng)的對 策。這樣可以避免機器人在行走過程中的危險，保護機器人的安全，穩(wěn)定第二章系統(tǒng)方案設(shè)計基于目前已有的成熟方案，我選擇用單片機STC89SC5為主控制芯片，選用 STC12C5410A場核心的舵機控制器，并結(jié)合傳感器來組成這個系統(tǒng)。系統(tǒng)預(yù)留 擴展I/O 口可用于擴展語音控制芯片等。以 STC12C5410A為核心的舵機控制板 擁有大量的舵機借口 10，可方便日后擴展手臂功能。2.1機器人自由度選擇步行機器人的行走必須依賴于關(guān)節(jié)， 關(guān)節(jié)越多越靈活，其控制過程也就越復(fù) 雜。人體的關(guān)節(jié)大約有400多個自由度。通過分析我們得知實現(xiàn)機器人步行的自 由度最少是4個。其控制數(shù)據(jù)量適中。

17、方便系統(tǒng)調(diào)試，顧選擇 4自由度機器人作 為設(shè)計的框架，在此基礎(chǔ)上進行設(shè)計。這4個自由度分別為2個髖關(guān)節(jié)和2個踝 關(guān)節(jié)。簡單的4個關(guān)節(jié)就能實現(xiàn)基本的行走目的，節(jié)約了成本也減少了開發(fā)的時 間。2.2機器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計雙足行走機器人其基本條件就是有兩條腿，我們分別為這2條腿安裝一個髖 關(guān)節(jié)和一個踝關(guān)節(jié)，再通過搭載一個簡易的平臺來固定兩條腿， 并搭載所以電子 設(shè)備，這樣就基本形成了一個雙足機器人的模樣。由于本系統(tǒng)選用的MCU(Micro Con trol Un it)的速率限制，無法為機器人提 供一個很好的平衡算法硬件條件。 故裝上兩個大腳板，來保持行走過程中的平衡 問題。這是一中最簡單的、成本最故障率

18、最低的實現(xiàn)平衡的方式。2.3驅(qū)動方案選型目前主流機器人的驅(qū)動方式大致分為氣壓驅(qū)動，液壓驅(qū)動和電機驅(qū)動。氣壓驅(qū)動雖然動作快，但是穩(wěn)定性不好，比較難控制。液壓驅(qū)動力矩大，響應(yīng)速度也 比較快，但是成本非常高，很重。而且上述兩種方案一般是在大型設(shè)備中使用的， 并不使用于本系統(tǒng)的小型設(shè)計需求，故采用電機驅(qū)動。電機種類也比較多，但是大多數(shù)都很難做到精確控制，本系統(tǒng)采用的舵機具有非常好的可控制性。 精確度 度、響應(yīng)速度也基本能夠滿足設(shè)計的需要。目前的雙足機器人也大多采用這種方式。舵機是一種價格低、精度高、安全性能良好、易于維修的一種特殊的伺服電機。最早是用在航空模型的控制上面。通過PWM波來控制轉(zhuǎn)動角度，這

19、更加方便 與單片機的編程和實際使用。2.4系統(tǒng)總體設(shè)計機器人總體設(shè)計如下圖所示。從上到下看分別是紅外傳感器、主控制芯片、 舵機控制芯片、外圍電路、電池、機器人雙足。并且在機器人主控板上預(yù)留接口 來安裝擴展使用的語言控制模塊。 四個舵機相當(dāng)于四個關(guān)節(jié)，這樣就完成了機器 人的整體系統(tǒng)設(shè)計。整體系統(tǒng)設(shè)計見圖1傳感器語青控制芯片單片機4（護展方案）/ |、駝機控制器圖1基于雙足行走機器人系統(tǒng)總框圖第三章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計系統(tǒng)硬件電路包括單片機中央控制器、 舵機控制單元、傳感器模塊、擴展功 能I/O 口，整體的電路設(shè)計簡約，可靠性強。硬件設(shè)計簡圖如圖2U1C2 X1I朋R110kC3OuFC5C6WAL1

20、P0.0/OF0.1/AD1F0.2/AD2PDM如3 P0.4/AD4 PO.5/AD5 F0.G/AD6RSTFD.7/AD7P2£/fie 町鹿P2.2/AIDPSENF2.3/A11ALEP2.4/A12EAF1.5/A13F2.6/A14F2.7/A15PI.DFS.OXDP1.1P3,iraPI.2P3.2ANTDPI.3P3./INT1PI 4P3.4ZT0Pl.5P3.5/T1PI.5PJ儷PI.7P3.7/RD253114AT39C5238_343332?1_23_24K_2?傘2810121314巧1617RXDTXD語音預(yù)留接口/DD1D41(>C4104

21、圖2總硬件設(shè)計簡圖3.1單片機控制模塊采用STC89C52單片機。STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS位微控制器，STC89C52使用經(jīng)典的 MCS-51內(nèi)核，8k字節(jié)Flash，512字 節(jié)RAM 32位I/O 口線，看門狗定時器，內(nèi)置 4KBEEPRO,MMAX81（復(fù)位電路，3個16位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng) 51的5向量2級中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串行口 11?；緷M足控制及串口通信要求。本設(shè)計使用單片機的P3.0和P3.1串口通信口實現(xiàn)單片機和舵機控制模塊的 通信，使用P1.0、P1.1、P1.2這三個I/O 口來檢測按鍵指令，

22、使用 P0.0 口來檢 測紅外傳感器信號，預(yù)留P2.1、P2.2、P2.3三個預(yù)留I/O作為語音控制擴展I/O 口，方便實現(xiàn)語音控制功能。其他I/O 口暫時沒有用到，故不接線，方便日后擴 展使用。3.2舵機控制模塊選用STC12C5410A單片機。擁有32PWM波輸出功能，可以同時對32個舵機 進行任意角度的控制。使用靈活、高效，擴展性強。該模塊具有 TTL電平串口， 可方便的與主控芯片進行通信。該舵機控制模塊有相對應(yīng)的上位機控制軟件，可以方便的和電腦進行通信， 來采集數(shù)據(jù)。通信時采用9600波特率，8位數(shù)據(jù)，1位停止位，進行通信。本舵機模塊擁有獨立的舵機供電電源輸入，不和單片機共用一路電源。

23、這樣既可以保證單片機的工作穩(wěn)定，也利于舵機的動力輸出。舵機控制器主芯片圖如圖3P呻H廠 i28P2-3ns27RST3T26RxD P3. 04c25TxD/P3.15121XTAL2|62r23XTAL1|nt的INTO P3.2R82131920ECI TO P14 10019PCA1 CEX1 T1 F3* 511A18PTO PCA3 CEX3 P2.412D17P2.51316Gnd1115圖3舵機控制模塊主芯片圖VCCPH1P2, 0 C£X2 PCA2Pl. 7 SCLK ADC：PL5 UOSI .WC5PI. 1 SS ADC1Pl.3 ADC3PL2 ADC2PL

24、1ADC1P1.0 ADCQP3,7 CEXO PCAO PiMOP2.7Pt 63.3傳感器模塊電路設(shè)計系統(tǒng)采用紅外光傳感器來判斷機器人前方是否有障礙物，當(dāng)檢測到前方有障礙物時，通知MCI#出相對應(yīng)的指令。傳感器連接到單片機I/O 口，單片機通過 讀取I/O 口的電平來判斷傳感器傳來的信息。紅外光傳感器就像機器人的眼睛， 可以讓機器人看到前方的事物。紅外傳感器是一種非常常用的傳感器， 其結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)方便，供電電壓和 單片機類似，可直接與單片機I/O 口連接，是一種非常易用的傳感模塊。紅外傳感器電路圖如圖4I/O紅外腿器VDDPO.O/ADOP0.1/AD1P0W2P0.3/AD3P04/A

25、D4PLI5/AD5P0.6/AD6P07/AD7圖4紅外傳感器電路圖3.4按鍵電路設(shè)計本系統(tǒng)使用按鍵來控制機器人是最為方便，直接的一種方式。系統(tǒng)設(shè)計三個按鍵對應(yīng)三條不同指令來告訴機器人需要做什么，使機器人做出相應(yīng)的動作按鍵直接接I/O 口接地，并聯(lián)的電容可以代替 RS觸發(fā)器來起到去除按鍵抖 動的作用。由于此處按鍵不是采用 AD采樣的方式進行讀取，因此不必考慮按鍵 本身的電阻對操作的影響。按鍵電路如圖51-2345678P1.0P1,1P1.2P1.3P1,4P1,5P1.6P1.7AT89C524LI4 n圖5按鍵電路圖3.5機器人電源及通信系統(tǒng)設(shè)計整個機器人在設(shè)計時由于牽涉到 2個MCU

26、1個傳感器，4個舵機等大量用 電設(shè)備，所以必須需要可靠的電源系統(tǒng)。本設(shè)計采用的電池為7.4V鋰電池，通過2塊DC-DC專換器分別給舵機模塊和單片機模塊供電。 由于舵機用電電壓需要 6.5V左右，可能導(dǎo)致舵機模塊和單片機模塊串口電平不一。因此采用兩個2N7002MOS管組成串口通信電路，該電路主要應(yīng)用與不同電平MCU!信。下圖中,MCURXD MCUTXD舵機控制TXD舵機控制RXD為四個信號端,VDDMCU和VDD舵機控制器為這四個信號的高電平電壓.另外限制條件為：1、VDD舵機控制器=VDD MCU2、S1的低電平門限大于0.7V左右（視NMO內(nèi)的二極管壓降而定）.3、V3s<=VDD

27、 MCU4、V1s<=VDD舵機控制器系統(tǒng)基本滿足上述條件，因此采用該電路進行串口電平轉(zhuǎn)換。 更好的保證通 信的穩(wěn)定性。系統(tǒng)采用兩塊LM2596S芯片的DC-DC模塊，該模塊具有接線簡單、成本低、 穩(wěn)定性好、轉(zhuǎn)換效率高的特點。避免了因電池的不穩(wěn)定造成對機器人的影響。同時，降低電源電壓有利于單片機的穩(wěn)定工作， 延長使用壽命。提供給舵機合適的 電壓才能使舵機工作在最佳狀態(tài)。好的供電系統(tǒng)對整個機器人的使用都起到了非 常關(guān)鍵的作用。串口通信電路如圖6VDD MCUMCURXD 10k駝機控制器IXDR1血 10kVDD MCUAVDD舵機控制器MCUTXD *10kR5iiWk2M7QO2Q2強

28、機控制蓋RXDR610kvVDD舵機控制器圖6串口通信電路圖第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計如果說紅外傳感器是機器人的眼睛； 舵機及支架是機器人的身體，用于支撐 整個機器人；舵機控制器是機器人的小腦， 控制四肢運動；那么MCI就是機器人 的大腦，用來控制整個機器人的動作，而程序就是機器人的靈魂。本章介紹具體 流程。4.1程序流程圖程序流程圖如圖7圖7程序流程圖4.2控制流程圖控制流程圖如圖8紅外傳感器按鍵 主控制MCU圖8控制流程圖4.3動作數(shù)據(jù)采集利用上位機通過串口與舵機控制器通信，分步調(diào)試每個舵機在每種狀態(tài)下的轉(zhuǎn)動角度，建立數(shù)據(jù)庫，方便程序調(diào)用。調(diào)試界面如圖9第一賂J±d步進；1度L山度當(dāng)前角

29、度：設(shè)走I第二路Jjjd步逬*1度廣1度當(dāng)前角度：設(shè)走I第三路jJUd步進：r-1度廣心度當(dāng)前角度：設(shè)走I第四路jJU±J步進：1度廠2度當(dāng)前角度：設(shè)走|圖9上位機調(diào)試界面4.4數(shù)據(jù)庫的建立通過上一步驟采集到機器人每次動作的舵機狀態(tài)，并記錄。如站立姿態(tài)時4個舵機角度分別是89°、86°、86°、86°。建立站立數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)void zhanli() actio n("#16A89!");actio n( "#31A86!");actio n( "#22A86!");actio n( &

30、quot;#25A86!");將機器人行走過程中第一步動作分解成各個微動作，采集第一步各個微動作建立一步動作函數(shù)。void diyibu() /第一步actio n("#25A76!");delay (5);actio n( "#22A76!");delay(50);actio n("#25A70!");delay (5) ;actio n( "#22A70!");delay(5);actio n("#25A66!");delay (5) ;actio n( "#22A66!

31、");delay(5);actio n( "#16A99!");delay (5);actio n( "#31A96!");delay(5);actio n( "#16A109!");dela y( 5);actio n("#31A106!");delay(5);actio n( "#16A119!");delay (5);actio n("#31A116!");delay(5);actio n("#25A70!");delay (5) ;act

32、io n( "#22A70!");delay(5);actio n("#25A76!");delay (5) ;actio n( "#22A76!");delay(5);actio n("#25A86!");delay (5) ;actio n( "#22A86!");delay(5);actio n("#22A96!");delay (5) ;actio n( "#25A96!");delay(5);actio n("#22A100!"

33、;);delay (5);actio n("#25A100!");delay(5);actio n("#22A106!");delay(5); actio n("#25A106!");delay(5);actio n("#31A106!");delay(5);actio n("#16A109!");delay(5);actio n("#31A96!");delay(5); actio n("#16A99!");delay(5);actio n("

34、#31A86!");delay(5); actio n("#16A89!");delay(5);actio n("#31A76!");delay(5); actio n("#16A79!");delay(5);actio n("#31A66!");delay(5); actio n("#16A69!");delay(5);actio n("#31A56!");delay(5); actio n("#16A59!");delay(5);actio

35、n("#22A100!");delay (5);actio n("#25A100!");delay(5);actio n("#22A96!");delay (5) ;actio n( "#25A96!");delay(5);actio n("#22A86!");delay (5) ;actio n( "#25A86!");delay(5);通過執(zhí)行上述兩個函數(shù)，主MCU便可以發(fā)送出動作指令給舵機控制器，舵機 控制器讀取響應(yīng)代碼來操作舵機轉(zhuǎn)動精確角度，這樣便實現(xiàn)了控制機器人行動

36、的 目的，其他動作都要進行相似的動作采樣。第五章系統(tǒng)整機調(diào)試及功能測試本系統(tǒng)所包含的功能模塊有：舵機控制模塊、紅外傳感設(shè)備、舵機、按鍵。 本章介紹具體功能。5.1舵機控制控制模塊調(diào)試舵機控制器是機器人的傳輸神經(jīng)，機器人的每一次動作都由它發(fā)出指令。 通 過它控制舵機的角度變化來實現(xiàn)機器人的抬腳，落腳動作。舵機模塊的測試可以使用上位機來進行， 通過在上位機條件，觀察舵機控制 模塊是否能夠操作舵機進行精確轉(zhuǎn)動。也可用示波器觀察輸出的PWM波形是否正 確來對舵機控制模塊進行測試。5.2舵機調(diào)試舵機是機器人的關(guān)節(jié)。通過舵機控制器發(fā)出PW波來實現(xiàn)精確角度轉(zhuǎn)動，且 具有很的動力，本設(shè)計采用的舵機最大扭力為

37、2.5KG。所以有它就能夠帶動一定 質(zhì)量的機身行動。舵機是一種特殊的伺服電機，只能通過PWM波形對它進行控制。它接收一個 20ms的信號，通過改變輸入信號脈沖寬度來改變舵機轉(zhuǎn)動角度。舵機轉(zhuǎn)動角度 與脈沖寬度如下表所示：表1脈沖寬度與舵機角度對照表脈沖寬度舵機輸出軸轉(zhuǎn)角0.5ms-90 °1.0ms-45 °1.5ms0°2.0ms45°2.5ms90°將舵機裝在支架上，通過上位機調(diào)節(jié)舵機度數(shù)是機器人保持站立姿勢。這就 確定了舵機的初始化角度。如果不確立這一度數(shù)，機器人啟動時就不能自動的站 立前進。5.3紅外傳感設(shè)備調(diào)試紅外傳感器，能夠?qū)η胺皆O(shè)定

38、距離內(nèi)的是否有障礙物進行判斷， 當(dāng)有障礙時， 檢測管腳電平變高，單片機通過讀取I/O 口數(shù)據(jù)來判斷前方是否有障礙來控制機 器人實現(xiàn)避障。紅外傳感器上有一指示電平高低的指示燈，通過觀察燈的暗、滅就可以知道現(xiàn)在輸出的是什么電平，通過萬用表檢測觀察傳感器是否正常工作。5.4按鍵測試通過按鍵來改變單片機I/O 口的高低電平讓MC!接受動作命令，從而讓機器 人完成相對應(yīng)的動作，實現(xiàn)各種功能。按鍵的目的是使單片機對應(yīng)定義過的I/O 口電平產(chǎn)生變化。單片機讀取到電 平變化，根據(jù)程序就能執(zhí)行下一步操作。按鍵的好壞直接關(guān)系到功能是否可以實 現(xiàn)。在進行機器人制作時，因用萬用表檢測按鍵按下是否可以導(dǎo)通，導(dǎo)通是否穩(wěn)定

39、，只有一個好的按鍵才能保證操作的準(zhǔn)確的順利進行。5.5整機調(diào)試將單片機與電腦串口連接，上電，通過觀察串口數(shù)據(jù)來驗證程序是否實現(xiàn)， 按下按鍵觀察數(shù)據(jù)是否發(fā)生變化，分析數(shù)據(jù)是否與設(shè)計要求一致。將舵機控制器和舵機連接，舵機控制器連接電腦，通過上位機軟件操作舵機 控制器控制舵機，觀察舵機是否可以準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)動一定角度。 判斷整個一個關(guān)節(jié)系 統(tǒng)是否正常工作。確定無誤后將單片機和舵機控制器串口連接，上電。觀察機器人是否按照程序設(shè)計要求進行動作，按下每個動作指定的按鍵觀察是否執(zhí)行了響應(yīng)的操作，如果存在問題則分析問題具體原因， 是硬件問題還是軟件邏輯問題，或者數(shù)據(jù)記錄 錯誤導(dǎo)致的問題。找到問題的真正原因并排除，直

40、到整個系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計的目 的，這樣一個就基本完成了雙足行走機器人的制作。此時還可以將語音擴展模塊，接到機器人上觀察是否可以控制機器人行動。 將機器人放在一特定環(huán)境下，觀察是否可以進行避障行走。如果不能因及時調(diào)整 軟件算法來改變這一狀況。至此，整個機器人系統(tǒng)的軟件、硬件設(shè)計就完成了。第六章設(shè)計總結(jié)及技術(shù)展望雙足行走機器人是未來發(fā)展的趨勢，這次設(shè)計僅僅是很簡單的一個雙足機器 人模型，離真正意義上的雙足行走還有很大的差距。 設(shè)計時才用的大腳板可以使 機器人行走穩(wěn)定，這只是從結(jié)構(gòu)方面來解決了平衡性問題。 要想真正解決平衡性 問題還有很長的路要走，就像我們從嬰兒學(xué)步一樣我們僅僅邁出了第一步。本設(shè)計雖然

41、簡單，但基本滿足了雙足行走的基本要求， 并實現(xiàn)了一定的簡單 功能，也讓我基本了解了雙足機器人行走的方式，及控制方法。 以后可以通過增 加關(guān)節(jié)數(shù)量，使用更多的傳感設(shè)備，來模仿人類的行走方式。隨著未來科技的發(fā)展，這種類關(guān)節(jié)運動還可以模仿手臂，頭部等活動方式。 制造高精度的機械手臂來幫助人們做一些很難做到的事。仿人雙足步行是生物界 難度最高的步行動作，但其步行性能卻是其它步行結(jié)構(gòu)所無法比擬的。 雙足步行 機器人是工程上罕有的高階、非線性、非完整約束的多自由度系統(tǒng)這對機器人的 運動學(xué)、動力學(xué)及控制理論的研究給予了一個非常理想的實驗平臺 12。此外，雙 足步行機器人的研究還可以促進仿生學(xué)、人工智能、計算

42、機圖形、通訊等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。研究雙足步行機器人的另外一重要意義就是為了更好的了解人類和其 他動物的行走機理，并為下肢癱瘓者提供較理想的假肢。此外，動物行走機理的研究和步行機器人的開發(fā)是雙向互惠的13。一旦對動物行走機理有了正確的理 解，便可以反過來更有效地引導(dǎo)步行機器人的研究和開發(fā)。因此，雙足步行機器人的研制具有十分重大的價值和意義。參考文獻1 趙欣工業(yè)機器人：“中國制造”必然之選J.科技智囊，2013,08:32-37.2 田陽.小型雙足仿人機器人的設(shè)計與研發(fā)D.中國海洋大學(xué),2013.3 孫付春.步行機器人的行走控制D.成都理工大學(xué),2006.4 劉海濤.工業(yè)機器人的高速高精度控制方法研

43、究D.華南理工大學(xué),2012.趙大偉.雙足機器人的步態(tài)規(guī)劃與仿真研究D.北京郵電大學(xué),2009.6 唐矯燕.載人兩足步行椅機器人穩(wěn)定性分析與控制策略D.上海交通大學(xué),2011.7 姚麗萍.雙足步行機器人的設(shè)計與研究D.江南大學(xué),2007.8 趙旦譜.非結(jié)構(gòu)地形輪足式移動機器人設(shè)計與步態(tài)規(guī)劃研究D.清華大學(xué),2010.9 自動化技術(shù)、計算機技術(shù)J.中國無線電電子學(xué)文摘，2011,05:167-246.10 E.J.Herrera-L cpez,B. Castillo-Toledo,R. Femat. Fuzzy servo controller for CSTBwith substrate in

44、hibition kineticsJ. Journal of Process Control,2012,226:.11 陳淑芳.基于51單片機的教學(xué)實驗系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)D.中國海洋大學(xué),2011.12 M. Xie,Z.W. Zhong,L. Zhang,L.B. Xian,L. Wang,H.J. Yang,C.S. Song,J. Li. Adeterm ini stic way of pla nning and con trolli ng biped walk ing of LOCH huma noid robotJ. Industrial Robot: An International

45、 Journal,2009,364:.13 SYBIL E FARMER. Key factors in the development of lower limb co-ordination:implicationsfor the acquisitionof walking in children with cerebral palsyJ.Disability & Rehabilitatio n,2003,2514:.附1:部分元器件清單附錄舵機控制器、STC89C52紅外傳感器等附2:程序清單#i nclude <REG52.H>un sig ned char t;un

46、signed int i;/動作判斷1行走2跳舞3測試4檢測到障礙回頭sbit xin gzou=P2A0;sbit tiaowu=P2A1；sbit ceshi=P2A2;sbit csb=P2A7; void sys_i ni t() _TMOD=0x20;TH1=0xFd;SCON=0x50;PCON=0x00;RI=0;TI=0;TR1=1;/串口初始化根據(jù)實際情況進行設(shè)置/定時器1方式2/11.0592MHz晶振/串口方式1/9600void delay (un sig ned int dt)/un sig ned int i,j;for(i=0;i<dt;i+) for(j=

47、0;j<1000;j+);通用延時程序void action(const char *p)/while(*p!=0)SBUF=*p;p+;while(TI!=1); /TI=0;/舵機串口發(fā)送函數(shù)等待發(fā)送完畢清標(biāo)志void zha nli() / 站立actio n("#16A89!");actio n("#31A86!");actio n("#22A86!");actio n("#25A86!");前進仞片 *void qianji n()/*actio n( "#25A76!");de

48、lay ;actio n("#22A76!");delay(4);actio n( "#25A70!");delay ;actio n("#22A70!");delay(4);actio n( "#25A66!");delay ;actio n("#22A66!");delay(4); /*跨步 */actio n("#31A66!");delay(4); actio n( H#16A69!");delay(4);actio n( H#31A76!");d

49、elay(4); actio n( H#16A79!");delay(4);actio n( H#31A86!");delay(4);actio n( H#16A89!");delay(4);actio n( H#31A96!");delay(4);actio n( H#16A99!");delay(4);actio n("#31A106!");dela y;actio n("#16A109!");delay(4);action("#31A116!");delay;action(H#1

50、6A119!");delay(4);/*I 回正 */actio n( "#25A70!");delay ;actio n("#22A70!");delay(4);actio n( "#25A76!");delay ;actio n("#22A76!");delay(4);actio n( "#25A86!");delay ;actio n("#22A86!");delay(4);/*/actio n("#22A96!");dela y;acti

51、o n("#25A96!");delay(4);actio n("#22A100!");dela y;actio n("#25A100!");delay(4);*/actio n("#16A109!");delay;actio n( H#16A99!");delay(4); actio n("#16A89!");delay(4);actio n( H#16A79!");delay(4); actio n( H#16A69!");delay(4);actio n(&q

52、uot;#16A59!");delay(4);actio n("#22A106!");delay(4); actio n( H#25A106!");delay(4); /*跨.步actio n( H#31A106!");delay(4);actio n("#31A96!");delay(4);actio n("#31A86!");delay(4);actio n("#31A76!");delay(4);actio n("#31A66!");delay(4);acti

53、o n("#31A56!");delay(4);/*回I正 */actio n("#22A100!");dela y;actio n("#25A100!");delay(4);actio n("#22A96!");dela y;actio n("#25A96!");delay(4); actio n("#22A86!");dela y;actio n("#25A86!");delay(4);void diaotou() /*/向后轉(zhuǎn)仞片 */actio n

54、( "#25A76!");delay ;actio n("#22A76!");delay(4);actio n( "#25A70!");delay ;actio n("#22A70!");delay(4);actio n( "#25A66!");delay ;actio n("#22A66!");delay(4); /*跨步 */actio n("#31A66!");delay(4); actio n( "#16A69!");delay

55、(4);actio n( "#31A76!");delay(4); actio n( "#16A79!");delay(4);actio n( "#31A86!");delay(4);actio n( "#16A89!");delay(4);actio n( "#31A96!");delay(4);actio n( "#16A99!");delay(4);actio n("#31A106!");dela y;actio n("#16A109!&q

56、uot;);delay(4);action("#31A116!");delay;action("#16A119!");delay(4);/*回 I 正 */actio n( "#25A70!");delay ;actio n("#22A70!");delay(4);actio n( "#25A76!");delay ;actio n("#22A76!");delay(4);actio n( "#25A86!");delay ;actio n("#

57、22A86!");delay(4);/* 仞*/actio n("#22A96!");dela y;actio n("#25A96!");delay(4);actio n("#22A100!");dela y;actio n("#25A100!");delay(4);*/actio n("#16A109!");delay;actio n( "#16A99!");delay(4); actio n("#16A89!");delay(4);actio

58、 n( "#16A79!");delay(4); actio n( "#16A69!");delay(4);actio n("#16A59!");delay(4);actio n("#22A106!");delay(4); actio n( "#25A106!");delay(4); /*步actio n( "#31A106!");delay(4);actio n("#31A96!");delay(4);actio n("#31A86!"

59、;);delay(4);actio n("#31A76!");delay(4);actio n("#31A66!");delay(4);actio n("#31A56!");delay(4);/* 回I正 */actio n("#22A100!");dela y;actio n("#25A100!");delay(4); actio n("#22A96!");dela y;actio n("#25A96!");delay(4);actio n( "