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1、 毕业设计（论文）中图分类号：无线遥控智能爬行机器人专业名称：光机电一体化学生姓名：导师姓名： 职 称： 武汉科技大学机电工程系 2007年3月 中图分类号： 密级： UDC： 单位代码：10488 无线遥控智能爬行机器人WIRELESS REMOTE INTELLIGENTCRAWILING ROBOT姓 名： 学 制：专 业：光机电一体化 研究方向：导 师： 职 称：讲师论文提交日期：3月1号 论文答辩日期：3月15日武汉科技大学机电工程系摘 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。“无线遥控爬行机器人”是我们设计的第一个机器人，从仿生学
2、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四足行走的动物，该机器人是一个仿生4足行走的机器人，通过对伺服马达的精确控制模拟四足动物的行走步态，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。该系统通过AT89S51、USB100模块、NT-TR01无线传输模块及相应的辅助电路实现智能控制及无线遥控。 PC端通过USB接口与NT-TR01模块连接，远程控制端单片机与NT-TR01模块连接，实现数据的双向传输。 最后进行了系统联合调试，结果表明：系统的软、硬件设计合理可行，为后续的研
3、究工作奠定了基础。 关键词：机器人，仿生学，遥控AbstractRobot is learning institutions, kinematics and control disciplines, such as the level of development of a comprehensive reflection of the current domestic and international hot topic of research. Wireless Remote crawling robot is the design of a robot, from the perspe
4、ctive of bionics, the physical structure and insect behavior is relatively easy to imitate, and we imitate it is a robot quadruped walking animals, the machine Bionic 4 is a walking robot, By precise control of the servo motor simulation quadruped walking gait of animals to achieve walking, running
5、urgency, such as turning gait, and to the environment in a variety of ground under the gait of intelligent adjustment, adaptive smoothing the ground, rough ground, sand ground, Tani of the road surface and adverse environment.AT89S51 through the system, USB100 module, NT-TR01 wireless module and the
6、 corresponding auxiliary circuit of the intelligent control and wireless remote control.PC through the USB interface and end-NT-TR01 modules, remote control-MCU and NT-TR01 modules, the two-way transmission of data.Finally, the joint commissioning of the system, the results showed that: System hardw
7、are and software design reasonable and feasible for the follow-up research work laid the foundation.Key words: Robot, bionics, remote control目录1引言 （1）1.1机器人的发展历程 （6）1.2机器人的未来走向 （8）1.3研究机器人的意义 （9）2机器人机构设计 （10）2.1项目研究（10）2.2肢体的机构设计 （11）2.2.1微型伺服马达的机构 （11）2.2.2爬行机器人的肢体机构设计流程 （13）2.3躯体的机构设计 （17）3步态分析及其实
8、现原理 （20）3.1步态分析 （20）3.2步行原理 （21）3.2.1单足行为 （21）3.2.2四足协作 （22）4通信电路设计 （24）4.1电源选择 （24）4.2USB模块通信电路设计以及其原理 （25）4.2.1USB100模块 （26）4.2.2AT85S51单片机（27）4.3普通COM通信电路设计以及其原理（28）4.3.1MAX232电路转换原理 （29）5技术及软件 （30）参考文献 （31）附录 （32）致谢 （36）1引言1.1机器人的发展历程20世纪20年代，“机器人（Robot）”作为专有名词第一次出现。1920年,捷克作家卡雷尔查陪克编写了一部幻想剧:罗沙姆的
9、万能机器人。剧中描写了一家公司发明并制造了一大批能听命于人,能劳动且形状像人的机器,公司用这些机器从事各种日常劳动,甚至取代了各国工人的工作,后来的研究使这些机器有了感情,进而导致它们发动了反对主人的暴乱。 这个小说在1924年和1927年的时候被纷纷传到了日本、法国和欧洲国家，还变成了一种当时的木偶剧和一些话剧，所以这样的一个机器人的名词就向全世界铺展开来，当时人们还认为是一个科幻小说，还没有把它跟我们日常的学习工作和生产结合起来。但通过这样一个小说，一个罗伯特这样一个名词，它体现了人类长期的一种愿望，这种愿望就是创造出一种机器，能够代替人进行各种工作。这种想法是机器人产生的一种客观的要求，
10、那么真正机器人的发展是在1947年，美国橡树岭国家实验室在研究核燃料的时候，大家知道核燃料，它有X射线对人体是有伤害的，必须有一台机器来完成像搬运和核燃料的处理这样的工作。在1947年产生了世界上第一台主从遥控的机器人，那么1947年以后大家知道，是计算机电子技术发展比较迅速的时期，因此各国已经开始利用当时的一些现代的技术，进行了机器人研究。那么在1962年美国研制成功PUMA通用示教再现型机器人，那么这就标志着机器人走向成熟，应该说第一台可用的机器人在1947年产生，真正意义的机器人在1962年产生。那么相继不久，在英国等国家，也相继研究出一些机器人，那么到了20世纪60年代末，日本人将它的
11、国民经济的汽车工业与机器人进行结合，它购买了美国的专利，在日本进行了再次开发和生产机器人。到20世纪70年代的时候，日本已经将这种示教再现型的机器人进行了工业化，出现了很多公司，现在的像ABB，MOTOMAN，还有安川公司，还有很多机器人公司像OTC等等公司。它们都是已经将机器人进行了工业化，进行了批量生产，而且成功的用于了汽车工业，使机器人正式的走向应用。在20世纪70年代到20世纪80年代初期，工业机器人变成产品以后，得到全世界的普遍应用以后，那么很多研究机构开始研究第二代具有感知功能的机器人，出现了瑞典的ABB公司，德国的KUKA机器人公司，日本几家公司和日本的FUNAC公司，都在工业机
12、器人方面都有很大的作为，同时我们也看到机器人的应用在不断拓宽，它已经从工业上的一些应用，扩展到了服务行业，扩展了它的作业空间，向海洋空间和服务医疗等等行业的使用。所以从这张图可以看出机器人发展的几个过程。 那么总结一下，我们认为，机器人有三个发展阶段，那么也就是说，我们习惯于把机器人分成三类，一种是第一代机器人，那么也叫示教再现型机器人，它是通过一个计算机，来控制一个多自由度的一个机械，通过示教存储程序和信息，工作时把信息读取出来，然后发出指令，这样的话机器人可以重复的根据人当时示教的结果，再现出这种动作，比方说汽车的点焊机器人，它只要把这个点焊的过程示教完以后，它总是重复这样一种工作，它对于
13、外界的环境没有感知，这个力操作力的大小，这个工件存在不存在，焊的好与坏，它并不知道，那么实际上这种从第一代机器人，也就存在它这种缺陷，因此，在20世纪70年代后期，人们开始研究第二代机器人，叫带感觉的机器人，这种带感觉的机器人是类似人在某种功能的感觉，比如说力觉、触觉、滑觉、视觉、听觉和人进行相类比，有了各种各样的感觉，比方说在机器人抓一个物体的时候，它实际上力的大小能感觉出来，它能够通过视觉，能够去感受和识别它的形状、大小、颜色。抓一个鸡蛋，它能通过一个触觉，知道它的力的大小和滑动的情况。 那么第三代机器人，也是我们机器人学中一个理想的所追求的最高级的阶段，叫智能机器人，那么只要告诉它做什么
14、，不用告诉它怎么去做，它就能完成运动，感知思维和人机通讯的这种功能和机能，那么这个目前的发展还是相对的只是在局部有这种智能的概念和含义，但真正完整意义的这种智能机器人实际上并没有存在，而只是随着我们不断的科学技术的发展，智能的概念越来越丰富，它内涵越来越宽。 在我国, 社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。 我国已在“七五”计划中把机器人列人国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究
15、。十几年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。目前，示教再现型机器人技术已基本成熟，并在工厂中推广应用。我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。1986年3月开始的国家863高科技发展规划已列入研究、开发智能机器人的内容。就目前来看，我们应从生产和应用的角度出发，结合我国国情，加快生产结构简单、成本低廉的实用型机器人和某些特种机器人。11.2机器人的未来走向据世界未来学预测：年代更长时间内，世界上将出现十大变化，其中一大变化是：智能机器人将大量出现，今后年内，这种机器人将十分普及，虽然年代还不能普及
16、，但技术上将有突破性进展。因此，智能机器人已成为各国高技术发展的规划的热点。目前基于感觉控制的第二代机器人已进入实用阶段，预计本世纪未以前可望得到普及应用。 目前工厂中使用的机器人，还是一种“体力劳动”的机器人，人们利用它可以建立柔性自动化车间，生产了质量上乘的工业品。在而未来十年内，将出现一种“脑力劳动”的机器人，或称“专家系统”，这种机器人通过电脑工作，可以取代一个或几个专家在高科技领域中从事科研工作。伴随着智能自动化、微电子技术、可视图像处理、信息技术及智能机器人发展的同时，以工厂自动化（）、办公室自动化（）和家务自动化（）为主线的革命及智能系统，正以新的姿态进入高技术领域。人工智能与机
17、器人的结合，将会给机器人技术带来革命性的变化。 被称为“机器人之父”的公司的创始人乔恩格伯杰认为，未来使机器人振兴的是服务行业，特别是与医疗有关的行业具有极大的发展潜力，日本也打算将机器人用于医院、餐厅和家庭等各个领域。乔恩格伯杰领导的公司正率先开发药剂师和医院用的机器人。 继工业机器人发展高潮之后，国外也竞相研制军用机器人。美国、德国、法国和英国等先后装备和研制成几十种不同型号的军用机器人，其中以美国为最多。年海湾战争中，美国的安全爆炸物机器人就参加了“沙漠风暴”作战行动；英国也分别向沙特阿拉伯和科威特政府出售了台和台“手推车”地雷处理机器人，为海湾战争立下了汗马功劳。美国陆军部计划年研制出
18、用于前线修理车轮、排雷、运送弹药和粮食以及作为步兵向导的军用机器人。美国还计划建立一支机器人舰队，准备分三个阶段逐步完善，最后实现无人指挥的全自动舰艇、舰上的机器人可根据情况制订作战计划，军人机器人已展示了它在未来战争中广阔的应用前景。1.3研究机器人的意义为什么要研究机器人呢?那么简单说，有三个方面是我们必要去发展机器人的理由:一个是机器人可以干人类不愿意干的事，把人从有毒的、有害的、高温的或危险的，这样的环境中解放出来，同时机器人可以干不好干的活，比方说在汽车生产线上我们看到工人天天拿着一百多公斤的焊钳,一天焊几千个点，就重复性的劳动，一方面他很累，但是产品的质量仍然很低；另一方面机器人干
19、人干不了的活，这也是非常重要的机器人发展的一个理由，比方说人们对太空的认识，当人上不去的时候，叫机器人上天，上月球，以及到海洋，进入到人体的小机器人，以及在微观环境下，对原子分子进行搬迁的机器人，都是人们不可达的工作。所以说研究机器人对人类的发展有重要作用。2机器人机构设计2.1项目研究仿生机器人（Humanoid Robot）是先进机器人技术的高级发展阶段，它综合体现了高级机器人的机构学、运动与动力学、现代设计理论、信息检测和感知、微电子学、控制理论等诸多方面的研究和发展水平，是一个复杂的综合系统。2图2-1是我本次论文研究的机器人三维模拟图。图2-1 “无线遥控爬行机器人”三维模拟图大学生
20、科研训练计划（Student Research Training Program-SRTP）是我校大力开展本科教育改革，实施理论教学、实践教学、科学研究三位一体教学模式的重要组成部分，其目的是组织学生在教师的指导下，通过自主进行课题研究和探索。了解和掌握基本的科学研究方法和手段，培养大学生严谨的科学态度、创新创业意识和团队合作精神，提高大学生的研究创新能力和综合实践能力。“无线遥控智能爬行机器人”正是武汉科技大学机械项目之一，机器人的开发是来源于学生的兴趣和爱好，在指导老师的制导下完成机器人的开发。2.2肢体的机构设计2.2.1微型伺服马达的机构我们的机器人是由8个微型伺服马达驱动，整个机器人
21、的机构设计也是以微型伺服马达为基础的，所以在介绍机器人的机构设计前我想把微型伺服马达的机构及工作特性作一下介绍。微型的伺服马达在无线电业余爱好者的航模活动中使用已有很长一段历史，而且应用最为广泛，国内亦称之为“舵机”，含义为：“掌舵人操纵的机器”。可见，微型伺服马达主要用作运动方向的控制部件。伺服马达本质上是可定位的马达。当伺服马达接受到一个位置指令，它就会运动到指定的位置。因此，个人机器人模型中也常用到它作为可控的运动关节，这些活动关节我们也常称它为自由度。一个微型伺服马达内部包括：一个小型直流马达；一组变速齿轮组；一个反馈可调电位器；及一块电子控制板。1如图2-2是我们所用微型伺服马达的三
22、维模拟图。图2-2微型伺服马达的三维模拟图其中工作原理是：一个直流电机加上一个减速比为180：1的减速器，同时使输出转矩增加180倍。即高速转动的直流马达提供了原始动力，带动变速（减速）齿轮组，使之产生高扭力的输出，齿轮组的变速比愈大，伺服马达的输出扭力也愈大，也就是说越能承受更大的重量，但转动的速度也愈低。我们正是依靠伺服马达的两个输出转矩作为驱动的来源。同时我们设置一个可调电位器可随时检测输出轴的位置，所以控制板可以将输出轴精确地转至设置的位置并维持在该处。2.2.2爬行机器人的肢体机构设计流程我们的设计是从4足机器人的一个肢体开始的，因为4个肢体的设计是非常相似的。为了能够充分利用伺服马
23、达的输出转矩，我把马达输出的转臂就作为机器人的肢体的组成部分，这样就大大提高了输出功率的利用率。想到四足动物的步行状态，即做上下摆动和前后摇动，我开始把一个肢体的机构设计如下：图2-3肢体的单电机机构我们通过下面电机的转动带动上面齿轮臂的转动，进而带动圆住凸轮的转动并把它的圆周运动转化为上连杆的摆动，再带动其它关节的转动。其结构间图下： 图2-4肢体的单电机运动间图由于此机构的运动比较单一，而且在运动的协调性上不易控制我们最后选取了双电机机构。通过上下两个电机的独立转动带动肢体关节转动，这样在机器人行走的过程中就可以比较协调，而且我们的机器人的自由度也将增加，具体的协调性分析及其行走的步态分析
24、将在下面作详细介绍。图2-5肢体的双电机机构及其机构运动间图这样通过两个宽带调频(PWM)信号分别控制上下两个电机就可以比较轻松的实现一个肢体的“抬高”和“迈进”。那么如何获得最佳PWM呢?高频的PWM信号更不易使电机发生机械共振。低频信号较容易产生共振,使电机振动乃至“唱”（ 一种音频域内的低声）。电机的特性将决定应该使用多高的PWM频率。如果电机绕组的电阻相对于其电感来说较高，则在导通期间电机不会达到最大电流，从而电机的转速也不会达到最快。大多数的电机对电感都没有具体的说明,所以用户不得不人为地假设。另一个限制PWM信号频率的因素是所使用的硬件或软件。事实上软件通常是一个瓶颈。但作者建议P
25、WM的频率无论如何不应该低于1kHz，否则电机将发出很大的噪声。在低频段,当占空比为50%时,电机极容易产生噪声。而较高的频率段（8kHz或更高）将避免这种情况。实际上,作者所测试的绝大多数小型直流电机在1020kHz的频率段运行时,在听觉范围内感觉不到任何噪声。如果能够得到电机的详细参数,就可以通过计算求出被采用的电机所允许的最高PWM信号频率,下面给出相应的计算公式。在该计算公式中必须让不等式的左边项远大于右边项,比如说10倍或以上。否则,电机电流将不足以达到峰值,输出转矩也不会达到最大。2fLR式中,f为频率,L为电钮电感,R为电钮电阻。式中电钮电阻可由万用表测得。但是电感L如果没有专门
26、的电感测量仪器,就无法得知它的具体数值,除非这一参数被事先给定。1图2-6双电机含镜向机构通过4个肢体的协调工作我们就可以控制机器人的行走（前进，后退，转身等）。另外，在我们的考虑到我们的机器人实际工作环境时，想到了如果它在行走的过程中翻身了怎么办？所以在原有双电机的机构基础上我们加以了改进，那就是在原来肢体上再加镜向关节。（如图2-6）这样在机器人翻转180度后依然可以利用上面的镜向图2-6肢体的双电机含镜向关节机构关节行走。最后通过我们小组的讨论，图2-6的机构在可行性上有一定限制（机器人在翻身后未必翻到180度，这样上关节就起不到），即无法充分可靠的利用镜向关节最后我们放弃了这个方案。希
27、望在以后的设计中能够想到更好的方案。所以最后我们采用的还是图 2-5的双电机无镜向关节的机构。2.3肢体的机构设计 躯体是连接四个肢体的关键部分，躯体的结构设计也显得十分重要，我们从电机的结构出发，结合实际四足动物的形体特征，我们的躯体设计经过以下几个阶段：图2-7躯体机构的实际流程图图2-7躯体机构的三维图通过最后的躯体机构我们就可以把四个双电机肢体很好的连接在一起了，并且通过最后改进的躯体梁结构，我们可以让机器人有充分的灵活性，这主要是“中间轴”和两个“铰链”的作用。图2-7整体机构图（主视）最后把躯体和四个肢体通过螺钉紧固在一起，这样机器人的整体机构就组合好了，然后通过控制8个伺服电机就
28、可以让它“行动自如”了。对于连接方式有五种：接线螺母、接线端子、锡焊、接头、印制电路板接线端子。我们可以根据具体连接的情况选取不同的方式。2.4本章小结 本章主要阐述了机器人的组成单元以及各组成成分在机器人运行过程中的作用，然后介绍了躯体的机构设计流程，并对控制系统信号的来源以及控制做了必要的分析！设计的机器人是从仿生学的观念出发，综合机构学、运动与动力学、现代设计理念、信息检测和感知、微电子学、控制理念等方面着手的！3步态分析及其实现原理3.1步态分析观察一下狗和猫的运动，也可以注意一下人类手脚爬行的样子。注意四肢是如何连贯起来运动的。膝关节向前，而肘关节向后。这意味着机器人向前运动的主要动
29、力来自于后腿，前腿只是向前伸展着地。观察四足动物步态时要牢记这一点。四足动物的行动方式包括：爬、走、慢走、快步、慢跑、飞奔等。因此根据我们对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，抽象其四足运动的基本原理，并制作出了一个理论验证模型，可以实现前进、后退、左转、右转、避障等动作。下面介绍一下如何能像四足动物一样快步行走。快步行走时，两条腿支撑地面，两条腿腾空。成对角的两条腿是一组，即左前腿和右后腿这一组离开地面的同时，右前腿和左后腿这一组留在地面上。那么大腿和小腿之间是如何协调运动的呢？DanMichaels对哺乳动物的行动做了研究，认为以下是快步行走的最佳方式。由于机器
30、人没有动态平衡机能，因此抬腿不能太快，在斜线上不能允许出现太大的晃动，否则就必须在机器人中使用大脚掌结构的静态平衡方法。33.2步态原理3.2.1单足行动每一条腿有两种状态：向前走和向后走，对于每一个动作状态来讲，分为两步：迈腿和收腿。这两步连续不断的循环，设其周期 为 T，迈腿的时间为收腿时间的1/3，为整个周期的1/4，这个动作对于每条腿都是一样的：每相邻的两个抬腿动作之间的相位差为1/4周期，由此可得出机器人在行走式的四条腿之间的时序关系，如图3-1所示：图3-1四条腿之间的时序关系3.2.2四足协作机器人要实现稳定的行走，必须保证每时刻都有三条腿着地，而另外一条腿用来行走。全部行走的奥
31、秘在于当一条腿抬起来时，其它三条腿是同时着地并且向后退的，这样，机器人把抬起的腿向前迈一步再放下，就走完了一步，之后轮流迈其它的腿，机器人就可以图3-2四条腿的空间三维模拟图 连续向前走了。各种动作顺序如下（四条腿分别记为右后、右前、左后、左前，每条腿向前迈记为“”，向后迈腿记为“”）：前进：右后 右前 左后 左前；后退：右后 右前 左后 左前；左转：右后 右前 左前 左后；右转：右前 右后 左后 左前。各条腿动作的时序关系如图3-1所示。选择不 同的动作顺序则可以实现不同的行走方式。那么如何协调腿之间的运动呢？如果机器人（或者以这种方式运动的动物）的身体很短，在后腿尚未完成它的发力过程，两条
32、腿就会相撞。如果想让机器人的运动看起来更优美，也需要考虑这个问题。以下是四足步行机器人的步行过程，前提是机器人的一组腿已经开始运动了：（1） 按要求的前行速度移动机器人处于对角的一组腿，控制大腿和小腿张开的角度。一组中的两条腿运动时必须保持同步。（2） 同时，调节处于对角的另一组腿的小腿的角度，使之摆脱地面的约束，并摆动到下一次前行的发力点，为迈出下一步做好准备。（3） 一旦第1步中的一组腿到达推进过程的结束点，将第2步的一组腿的小腿伸开。（4） 调节两组腿的角色，回到第1步，开始下一次循环。显然，为了顺利地移动，对机器人小腿弯曲的瞬间时刻和腿的移动速度进行调整是必要的。大腿和小腿间的夹角不同
33、，机器人表现出来的心情可能也不一样。角度很大，机器人看起来隐秘而小心；角度垂直时显得很开心。当然，这是身体语言的范围，但使机器人看起来更有生命力，这不正是我们的目的吗？如果步行机器人有长长的腿，它在不平整的地面、斜坡或者其他障碍路面（当然应该是机器人能够跨得过去的）前进时的控制性能相对比较良好。13.3本章小结通过上章对机器人的系统分析，本章主要着手分析机器人的运行原理！通过深入分析我们发现机器人向前运动的主要动力来自于后腿，前腿只是向前伸展着地。并且为了实现机器人的正常行走，必须保证每时刻都有三条腿着地，而另外一条腿用来行走。因此我先从单足行动着手，分析它的运行规律，然后在分析了四足协作下的
34、运行状态！4通信电路设计4.1电源选择因为本次设计的机器人是一个小型机器人，因此我们采用单块电池为电机和控制器同时供电。小机器人不需要大电流的电机，从而无须使用高电压值的电池组。比如说，迷你相扑机器人的空间有限，甚至重量也受到相应的限制，在这样的情况下，机器人只能随车携带必要的部件包括电池。单电池供电方式考虑的因素如下：（1）小型机器人在使用的电机，其额定电压通常小于12V（一般为610V）。这一电压范围一般都在较便宜的电压转换器件的有效输入电压范围之内。（2）电机的额定电流一般低于23A，一般可采用L298或有类似电流限制的器件。使用这种器件不会导致严重的电压骤降。（3）允许机器人随机携带部
35、件的空间或重量都受到限制。任何额定电流在100mA或者超过该电流数值的电机，都要求使用镍镉或镍氢电池供电。碱性电池不适合，因为它的内阻很大，带载后端电压会大大下降。电源总线的噪声处理：直流电机，甚至集成驱动芯片或其他数字逻辑器件，都会在电源总线上产生噪声。对此通常采用旁路电容来吸收瞬时脉动。通常的做法是把0.1微法的陶瓷电容零散地放置在电路板上，而且往往布置在像电机驱动器这类容易产生噪声的芯片附近。同时地，因为电机驱动电路中的过冲电流会频繁地流经电源总线，所以应当在其附近放置较大的电容去吸收其多余的电能。通常芯片制造商会推荐这种电解电容的取值，一般它们在47470微法之间。旁路或者防浪涌电容在
36、电路设计中也是非常必要的。我们会发现，所有的电路设计对这方面的问题都有所考虑。34.2USB模块通信电路设计以及其原理计算机的输入/输出接口有三种标准方式可以采用：缓冲接口、隔离接口、串行接口。但我们设计的系统采集的是PWM信号，因此我们采用串行接口。且采用串行接口中的异步串行接口。它是一个双线接口：一根发送数据，而另一根接受数据。如果微控制器只发送数据，那么则仅需要一根I/O线。“握手”的两端需要一致的传输速度，否则它们将无法通信。这是PC机和机器人之间经常采用的一种传输接口。一根单一的I/O线被多次用于传输和接收数据，可以节省一根数据传输线，代价是无法同时接收和发送数据。4故可以把该部分系
37、统主要由USB接口插头、USB100模块、高性能单片机、NT-TR01高速率双向数据传输模块组成，下图是系统电路图。5图4-1系统电路图4.2.1USB100模块USB100模块是基于ASIC设计的，完全兼容USB1.1标准，最高速率8Mbps，八位单片机并行接口。主要引脚及功能VCC +5V输出，提供给外部MCU使用，最大400mAUSBVCC USB接口的电源脚D+ USB数据线D- USB数据线RXF 高表示模块没有数据输出；低表示模块有数据输出，可以读数据TXE 高表示模块发送缓冲区已满；低表示发送缓冲区为空，可以发送数据WR 将八位并行总线上的数据锁存入内部缓冲区RD 允许内部接受缓
38、冲区数据通过八位并行总线读出D0-D7 双向数据总线44.2.2AT89S51单片机 AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存
39、储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。 此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。64.3普通COM通信电路设计以及其原理图4-2RS232RS-23
40、2是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。Max232产品是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。 该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-V TTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。7 1-C1+ 2-VS+ 3-CI- 4-C2+ 5-C2- 6-VS- 7-T
41、2OUT 8-R2IN 9-R2OUT 10-T2IN 11-T1IN 12-R1OUT 13-R1IN 14-T1OUT4.3.1MAX232电路转换原理RS232传输协议标准的电平是：正逻辑是+7v+15v,负逻辑是-7v-15v。 通过MAX232芯片外接的四个电容，把输入的05V信号改变到-15V+15V，通过串口线发送出去。24.4本章小结通过上章对机器人运行状态的分析，本章主要着手分析机器人的控制系统电路！先是考虑到电源的选择，然后通过分析了内部控制体系做出了系统的电路图！最后对个元件进行系统的分析！5技术及软件SUPERICES （G3000爱思仿真开发系统）：初期程序调试。Au
42、toCAD、SOLIDWORKS： 零件图，装配图，三维图的绘制。C语言 、KEIL C51：程序的编写。PROTEL：电路图的设计绘制。SUPERPRO/280、EASY 51PRO：程序的烧制。参考文献1 宗光华，张慧慧.机器人设计与控制.科学出版社2 王耀南.机器人职能控制工程.科学出版社3Jorge Angeles,宋伟刚.机器人机械系统原理理论.机械工业出版社4 张弘.USB接口设计.西安电子科技大学出版社5 苗明川.数字电子技术基础.高等教育出版社6 程光东，赵性初.单片机原理及应用.华中科技大学出版社7 刘振海.单片机应用技术选编.高等教育出版社附录7.1肢体的双电机机构及其机构
43、运动间图图17.2双电机含镜向机构图图2附录8.1 USB 模块电气特性名称功能最小最大单位测试条件VCCOperating Supply Voltage4.45.25VIcc1Operating Supply Current50mANormal OperationIcc2Operating Supply Current250uAUSB SuspendIoh1Digital Io Pins Source Current4mAVoh=VCC-0.5vIoh2Digital Io Pins Sink Current4mAVol=+0.5vVoh1Input Voltage Threshold(Low)0.6vVol1Input Voltage Threshold(High)2.7vVdifUSB Differential Input Sensitivity0.2vVcomUSB Differential Common Mode0.82.5vUrxtUSB Single Ended Rx Threshold0.3vRl=1.5k to 3.6v
