六自由度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制軟硬件設(shè)計(jì)與仿真

1、目錄第1章 序言21.1 雙足機(jī)器人現(xiàn)狀21.2 技能綜合訓(xùn)練意義21.3 技能訓(xùn)練的內(nèi)容2第2章 元件選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)32.1元件選擇32.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三維設(shè)計(jì)圖42.2.1零件三位模型以及裝配42.2.2裝配三維模型7第3章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)9第4章 系統(tǒng)軟件編程與仿真11第5章 結(jié)論17參考文獻(xiàn)18附錄19第1章 序言1.1 雙足機(jī)器人現(xiàn)狀隨著世界第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人1962年在美國誕生，機(jī)器人已經(jīng)有了三十多年的發(fā)展史。三十多年來，機(jī)器人由工業(yè)機(jī)器人到智能機(jī)器人，成為21世紀(jì)具有代表性的高新技術(shù)之一，其研究涉及的學(xué)科涵蓋機(jī)械、電子、生物、傳感器、驅(qū)動(dòng)與控制等多個(gè)領(lǐng)域。世界著名機(jī)器人學(xué)專家，日本早稻田

2、大學(xué)的加藤一郎教授說過：“機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具有的最大特征之一是步行功能?！彪p足機(jī)器人屬于類人機(jī)器人，典型特點(diǎn)是機(jī)器人的下肢以剛性構(gòu)件通過轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接，模仿人類的腿及髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，并以執(zhí)行裝置代替肌肉，實(shí)現(xiàn)對(duì)身體的支撐及連續(xù)地協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，各關(guān)節(jié)之間可以有一定角度的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。雙足機(jī)器人不僅具有廣闊的工作空間，而且對(duì)步行環(huán)境要求很低，能適應(yīng)各種地面且具有較高的逾越障礙的能力，其步行性能是其它步行結(jié)構(gòu)無法比擬的。研究雙足行走機(jī)器人具有重要的意義1.2 技能綜合訓(xùn)練意義 技能訓(xùn)練是在學(xué)生修完除畢業(yè)設(shè)計(jì)外全部理論和時(shí)間課程以后的一次綜合性時(shí)間教學(xué)環(huán)節(jié)，其目的和意義在于：通過技能訓(xùn)練，了解機(jī)器人機(jī)構(gòu)及控制系

3、統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)；掌握機(jī)器人系統(tǒng)中元部件的正確選擇方法和特性參數(shù)的確定；培養(yǎng)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用，理論聯(lián)系實(shí)際的能力；培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)際操作能力；1.3 技能訓(xùn)練的內(nèi)容1、主要內(nèi)容：1）、機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；2）、控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)與仿真；3）、六自由度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制。2、訓(xùn)練形式學(xué)生以小組為單位，集體討論確定整體方案；指導(dǎo)教師給出實(shí)訓(xùn)方向，技術(shù)指標(biāo)等，協(xié)助學(xué)生完成訓(xùn)練任務(wù)。第2章 元件選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1元件選擇2.1.1電機(jī)的選擇常用的電機(jī)有直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)等。下面我們大概對(duì)直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)進(jìn)行一下對(duì)比（見表2-1）表2-1 電機(jī)對(duì)比電機(jī)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)適用重量應(yīng)用場合直流電

4、機(jī)功率大、接口簡單、容易購得型號(hào)多較難裝配、較貴、控制復(fù)雜任何重量的機(jī)器人較大型機(jī)器人步進(jìn)電機(jī)精確的速度控制型號(hào)多、接口簡單、便宜體積大，較難裝配、功率小、控制復(fù)雜輕型機(jī)器人巡線跟蹤機(jī)器人，迷宮機(jī)器人舵機(jī)易于安裝、接口簡單、功率中等負(fù)載能力較低速度調(diào)節(jié)范圍較小重至2.5kg的機(jī)器人小型機(jī)器人，步行機(jī)器人所以此處選取 MG995全金屬齒輪13公斤大扭力舵機(jī)作為雙足機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。參數(shù)說明: MG995舵機(jī)1.重量：60g2.尺寸：約40mmX20mmX36.5mm3.速度：0.17秒/60度(4.8V)；0.13秒/60度(6.0V)4.扭矩：13kg·cm5.使用溫度:0+55攝氏

5、度6.工作電壓:4.8V-7.2V2.1.2關(guān)節(jié)材料及尺寸的選擇由于舵機(jī)已經(jīng)選定，則根據(jù)加入墊片以后各寬度設(shè)計(jì)支架的寬度，并按著人體比例設(shè)計(jì)大腿、小腿處需要的支架的長度。（如下圖標(biāo)注所示）根據(jù)資料查閱，絕大多數(shù)小型雙足機(jī)器人關(guān)節(jié)材料均選用鋁合金作為材料，整個(gè)結(jié)構(gòu)采用1.5mm的鋁合金(LY12)鈑金材料，這種材料重量輕、硬度高、強(qiáng)度雖不如鋼，但卻大大高于普通鋁合金。且這種材料具有彈性模量、密度比高的特點(diǎn)。又因?yàn)闄C(jī)器總重不超過2.5KG，舵機(jī)扭矩為13 kg·cm。強(qiáng)度遠(yuǎn)小于鋁合金的抗彎強(qiáng)度。所以符合要求。如圖2-1-2。圖2-1-2 關(guān)節(jié)初步設(shè)計(jì)簡圖2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三維設(shè)計(jì)圖2.2.1

6、零件三位模型以及裝配1、舵機(jī)，雙足機(jī)器人的核心部件，型號(hào)MG995，如圖2-2-1圖2-2-1 舵機(jī)2、舵盤，用于連接舵機(jī)與鋁合金支架的部件，因?yàn)槎鏅C(jī)左右結(jié)構(gòu)不同，所以舵盤分兩種：舵盤a用于連接舵機(jī)的齒輪端，舵盤b用于配合舵機(jī)的光滑軸端，如圖2-2-2 a b 圖2-2-2 舵盤3、鋁合金支架，用于機(jī)器人的腿部主體支撐關(guān)節(jié)，起著連接舵機(jī)與舵機(jī)、舵機(jī)與腰部的身體板的重要作用。如圖2-2-3圖2-2-3 鋁合金支架4、連接塊，在4個(gè)面上都有螺紋孔，用于舵機(jī)與鋁合金關(guān)節(jié)的連接以及關(guān)節(jié)與關(guān)節(jié)之間的連接，如圖2-2-4圖2-2-4 連接塊5、底部機(jī)器人腳板，中空設(shè)計(jì)便于在崎嶇不平的道路上行走時(shí)提供足夠的

7、摩擦力，如圖2-2-5圖2-2-5 腳底板6、腰部身體板，主要用于連接腿部、放置單片機(jī)和固定蓄電池。如圖2-2-6圖2-2-6 身體板 2.2.2裝配三維模型圖2-2-7 為SolidWorks制作的雙足步行機(jī)器人三維裝配模型。圖2-2-7 雙足機(jī)器人模型如圖2-2-8為SolidWroks模擬的雙足機(jī)器人行走狀態(tài)截圖第3章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舵機(jī)的控制信號(hào)實(shí)質(zhì)是一個(gè)可調(diào)寬度的方波信號(hào)(PWM)。該方波信號(hào)可由單片機(jī)來產(chǎn)生。目前采用單片機(jī)做舵機(jī)控制器的方案比較多，可以利用單片機(jī)的定時(shí)器中斷實(shí)現(xiàn)PWM。電路設(shè)計(jì)方案有二種：1、利用555定時(shí)器實(shí)現(xiàn)外部中斷；2、用單片機(jī)內(nèi)部中斷。考慮到制作成本，不宜增加

8、外設(shè)，故采用方案2。方案電路圖設(shè)計(jì)如圖3-1所示。圖3-1 電路圖舵機(jī)控制器以80C51單片機(jī)為核心，該控制器中單片機(jī)可以產(chǎn)生8個(gè)通道的PWM信號(hào)，分別由80C51的P10Pl.7端口輸出。輸出的8路PWM信號(hào)通過光耦隔離傳送到下一級(jí)電路中。方波信號(hào)經(jīng)過光耦傳輸后，前沿和后沿會(huì)發(fā)生畸變，因此反相器采用40106反相器對(duì)光耦傳輸過來的信號(hào)進(jìn)行整形，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的PWM方波信號(hào)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)舵機(jī)在運(yùn)行過程中要從電源吸納較大的電流，若舵機(jī)與單片機(jī)控制器共用一個(gè)電源，則舵機(jī)會(huì)對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生較大的干擾。因此，舵機(jī)與單片機(jī)控制器采用兩個(gè)電源供電，兩者不共地，通過光耦來隔離，并且給舵機(jī)供電的電源最好采用輸出功率較大的

9、開關(guān)電源。該舵機(jī)控制器占用單片機(jī)的個(gè)SCI串口。串口用于接收上位機(jī)傳送過來的控制命令，以調(diào)節(jié)每一個(gè)通道輸出信號(hào)的脈沖寬度。MAX232為電平轉(zhuǎn)換器，將上位機(jī)的RS232電平轉(zhuǎn)換成TTL電平。第4章 系統(tǒng)軟件編程與仿真舵機(jī)的控制信號(hào)為周期20ms 的脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)，其中脈沖寬度從0.5ms-2.5ms，相對(duì)應(yīng)舵盤的位置為0-180 度，呈線性變化。也就是說，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會(huì)保持在一個(gè)相對(duì)應(yīng)的角度上，無論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個(gè)另外寬度的脈沖信號(hào)，它才會(huì)改變輸出角度到新的對(duì)應(yīng)的位置上。舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸入信號(hào)脈沖寬度的關(guān)系如圖4-1所示：圖4-1 舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸

10、入信號(hào)脈沖寬度的關(guān)系測(cè)試編程如下（實(shí)現(xiàn)0°,15°30°的脈沖信號(hào)）#include<reg52.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit P00=P00;sbit P03=P03;void delay(uchar t);void jiaodu0();void jiaodu0_120();uchar a=0; main() TMOD=0x01; TH0=(65536-100)/256; TL0=(65536-100)%256; EA=1; ET0=1; TR0=1; while

11、(1) weizhi0(); delay(1000); weizhi0_120(); void jiaodu0() uchar i0=4;while(i1)if(a=0)P00=1;if(a=5)P00=0;i=0; void jiaodu0_120() uchar i1=4,i2=4,i3=4,i4=4,i5=4，i6=4，i7=4，i8=4，i9=4，i10=4，i11=4，i12=4，i13=4，i14=4；while(i1)if(a=0)P00=1;if(a=6)P00=0;i=0; delay(100);while(i2)if(a=0)P00=1;if(a=7)P00=0;j=0;

12、delay(100);while(i3)if(a=0)P00=1;if(a=8)P00=0;k=0; delay(100);while(i4)if(a=0)P00=1;if(a=9)P00=0;m=0; delay(100);while(i5)if(a=0)P00=1;if(a=10)P00=0;n=0; delay(100); while(i6)if(a=0)P00=1;if(a=11)P00=0;i=0; delay(100);while(i7)if(a=0)P00=1;if(a=12)P00=0;j=0; delay(100);while(i8)if(a=0)P00=1;if(a=13)

13、P00=0;k=0; delay(100);while(i9)if(a=0)P00=1;if(a=14)P00=0;m=0; delay(100);while(i10)if(a=0)P00=1;if(a=15)P00=0; delay(100)； while(11)if(a=0)P00=1;if(a=16)P00=0;i=0; delay(100);while(i12)if(a=0)P00=1;if(a=17)P00=0;j=0; delay(100);while(i13)if(a=0)P00=1;if(a=18)P00=0;k=0; delay(100);while(i14)if(a=0)P

14、00=1;if(a=19)P00=0;m=0; delay(100);void delay(uchar t) uchar i,j;for(i=t;i>0;i-)for(j=250;j>0;j-);void timer0() interrupt 1 0.1msTH0=(65536-100)/256; TL0=(65536-100)%256;a+;if(a=200)a=0; a 40°轉(zhuǎn)角時(shí)候的示波器波形b 80°轉(zhuǎn)角時(shí)候的示波器波形c 120°轉(zhuǎn)角時(shí)候的示波器波形圖4-2 0°、15、°30°波形圖本次設(shè)計(jì)調(diào)速模式40

15、76;delay（120）80°delay（120）120°，具體程序見附錄。第5章 結(jié)論通過這次技能訓(xùn)練主要運(yùn)用80C51單片機(jī)為控制器開發(fā)了一個(gè)雙足機(jī)器人系統(tǒng)，該機(jī)器人系統(tǒng)是由6 個(gè)舵機(jī)構(gòu)成的6 自由度的機(jī)械系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)時(shí)，首先對(duì)雙足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)控制電路和應(yīng)用軟件的功能進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析，確定了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和組成。通過這次設(shè)計(jì)，使我們鞏固了機(jī)器人設(shè)計(jì)制造以及單片機(jī)的知識(shí)，熟練運(yùn)用各種制圖軟件（SolidWorks，ProE，AUTOCAD），編程軟件（Proteus，Keil）。提高了我們的動(dòng)手能力以及團(tuán)隊(duì)寫作能力。為我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。從實(shí)踐中體會(huì)到了

16、學(xué)習(xí)研究機(jī)器人的樂趣。參考文獻(xiàn)1、 潘存云、高里基. 通用工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng) IRKSS. 機(jī)器人. 19949(2) 94-972、 徐愛鈞，彭秀華Keil Cx51 V7.0單片機(jī)高級(jí)語言編程與 Vision2應(yīng)用實(shí)踐電子工業(yè)出版社2004 3、 丹尼斯.克拉克、邁克爾.歐文斯機(jī)器人設(shè)計(jì)與控制科學(xué)出版社20044、 黃河、張良、孟祥、朱艾春小型雙足機(jī)器人設(shè)計(jì)概述中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院江蘇徐州中國科技論文在線5、 小型雙足步行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及其控制電路設(shè)計(jì)機(jī)電論文網(wǎng)6、 解侖、王志良、李華俊雙足步行機(jī)器人制作技術(shù)機(jī)械工業(yè)出版社，2008 附錄T1000 #0P1500S400#8P

17、1500S400#15P1444S400#16P1500S400#24P1500S400#31P1216S400T1000 #0P1500S400#8P1500S400#15P1219S400#16P1500S400#24P1500S400#31P1216S400T1000 #0P1500S400#8P1500S400#15P1219S400#16P1500S400#24P1500S400#31P1586S400T1000 #0P1500S400#8P1500S400#15P1444S400#16P1191S400#24P1265S400#31P1586S400T1000 #0P1500S40

18、0#8P1500S400#15P1376S400#16P1191S400#24P1265S400#31P1586S400T1000 #0P1500S400#8P1500S400#15P1489S400#16P1191S400#24P1265S400#31P1759S400T1000 #0P1500S400#8P1500S400#15P1489S400#16P1414S400#24P1414S400#31P1759S400T1000 #0P1736S400#8P1759S400#15P1421S400#16P1500S400#24P1500S400#31P1611S400T1000 #0P139

19、9S400#8P1500S400#15P1241S400#16P1500S400#24P1500S400#31P1414S400T1000 #0P1399S400#8P1421S400#15P1241S400#16P1500S400#24P1500S400#31P1414S400T1000 #0P1399S400#8P1421S400#15P1421S400#16P1500S400#24P1500S400#31P1414S400T1000 #0P1500S400#8P1500S400#15P1444S400#16P1500S400#24P1500S400#31P1216S400T1000 #0P1500S400#8P1500S400#15P1219S400#16P150