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1、目录第1章序言21.1双足机器人现状21.2技能综合训练意义213技能训练的内容2第2章元件选择、结构设计32.1元件选择32. 2结构设计三维设计图42.2.1零件三位模型以及装配42.2.2装配三维模型7第3章控制系统设计10第4章系统软件编程与仿真12第5章 结论错误!未定义书签。参考文献17第1章序言1.1双足机器人现状随着世界第一台工业机器人1962年在美国诞生，机器人已经有了三 十多年的发展史。三十多年来，机器人由工业机器人到智能机器人，成为 21世纪具有代表性的高新技术之一，其研究涉及的学科涵盖机械、电子、 生物、传感器、驱动与控制等多个领域。世界著名机器人学专家，日本早稻田大学
2、的加藤一郎教授说过：“机 器人应当具有的最大特征之一是步行功能。”双足机器人属于类人机器 人，典型特点是机器人的下肢以刚性构件通过转动副联接，模仿人类的腿 及髓关节、膝关节和踝关节，并以执行装置代替肌肉，实现对身体的支撑 及连续地协调运动，各关节之间可以有一定角度的相对转动。双足机器人不仅具有广阔的工作空间，而且对步行环境要求很低，能 适应各种地面且具有较高的逾越障碍的能力，其步行性能是其它步行结构 无法比拟的。研究双足行走机器人具有重要的意义1.2技能综合训练意义技能训练是在学生修完除毕业设计外全部理论和时间课程以后的一次综 合性时间教学环节，其目的和意义在于：通过技能训练，了解机器人机构及
3、控制系统设计的基础知识； 掌握机器人系统中元部件的正确选择方法和特性参数的确定； 培养学生对所学知识的综合应用，理论联系实际的能力； 培养学生的动手能力和实际操作能力；1.3技能训练的内容1、主要内容：1）、机器人结构设计；2）、控制系统软硬件设计与仿真；3）、八自由度机器人运动控制。2、训练形式学生以小组为单位，集体讨论确定整体方案；指导教师给出实训方 向，技术指标等，协助学生完成训练任务。第2章元件选择、结构设计2.1元件选择2.1.1电机的选择常用的电机有直流电机、步进电机、舵机等。下面我们大概对直流电 机、步进电机、舵机进行一下对比(见表21)表21电机对比电机优点缺点适用重量应用场合
4、直流 电机功率大、接口简 单、容易购得型 号多较难装配、较 贵、控制复杂任何重量 的机器人较大型机器 人步进 电机精确的速度控制 型号多、接口简 单、便宜体积大，较难 装配、功率 小、控制复杂轻型机器 人巡线跟踪机 器人，迷宫 机器人舵机易于安装、接口 简单、功率中等负载能力较低 速度调节范围 较小重至2. 5kg 的 机器人小型机器人，步行机器人所以此处选取XQ-RS313不带两个耳朵全金属齿轮13公斤大扭力舵机作为双足机器人的传动机构。参数说明:XQ-RS313舵机1. 重量：62g2. 尺寸：约 60nuiiX40miiiX3 5.5mm3. 速度：0.17 秒/60 度(4.8V)；
5、0.13 秒/60 度(6.0V)4. 扭矩：13kg cm5. 使用温度:0+55摄氏度6. 工作电压:4.8V-6V2.1.2关节材料及尺寸的选择由于舵机已经选定，则根据加入垫片以后各宽度设计支架的宽度，并 按着人体比例设计大腿、小腿处需要的支架的长度。(如下图标注所示)根据资料查阅，绝大多数小型双足机器人关节材料均选用铝合金作为 材料，整个结构采用1.5mm的铝合金(LY12)银金材料，这种材料重量轻、 硬度高、强度虽不如钢，但却大大高于普通铝合金。且这种材料具有弹性 模量、密度比高的特点。又因为机器总重不超过2.5KG,舵机扭矩为13 kg - emo强度远小于铝合金的抗弯强度。所以符
6、合要求。如图2.1.2。图2-1-2关节初步设计简图2. 2结构设计三维设计221零件三位模型以及装配1、舵机，双足机器人的核心部件，型号XQ-RS313,如图2-2-1/ / / /1 f I图2-2-1舵机2、舵盘，用于连接舵机与铝合金支架的部件，因为舵机左右结构对 称，所以舵盘只有一种：用于连接舵机的齿轮端。如图2-2-2ba图2-2-2花盘3、铝合金支架，用于机器人的腿部主体支撑关节，起着连接舵机与 舵机、舵机与腰部的身体板的重要作用。如图2-2-3图2-2-3铝合金支架4、连接块，在4个面上都有螺纹孔，用于舵机与铝合金关节的连接 以及关节与关节之间的连接，如图2-2-4图2-2-4连
7、接块5、底部机器人脚板，中空设计便于在崎岖不平的道路上行走时提供 足够的摩擦力，如图2-2-5-luuh图2-2-7双足机器人模型如图228为Proe-engineer的双足机器人主视图截图图2.2.8双足机器人主视图如图2-2-9为Proe-engineer的双足机器人左视图截图图2-2-9双足机器人左视图HOWCES7 .JT71? yr；LIffv 皿 M8, ”,6闱. 甬 .第3章控制系统设计舵机的控制信号实质是一个可调宽度的方波信号(PWM)。该方波信号 可由单片机来产生。目前采用单片机做舵机控制器的方案比较多，可以利 用单片机的定时器中断实现PWMo电路设计方案有二种：1、利用5
8、55定时器实现外部中断；2、用单片机内部中断。考虑到制作成本，不宜增加外设，故采用方 案2o方案电路图设计如图3-1所示。ffifengzhea - ISIS Profssi(malEBEI丸弛)套0湍骐IS黜必溯忠跳切跟Q) 01)鼓1季相)翻00dss隹*忡*今? x弟国s401BUTTONOP omtfl COHUM OTSTAL LED-fiFEEN tm3?MlTOMVSERrt) QPTOCfllRERHFW RJLUJP RESRE5fW：5 1(K|!II1Red 血 1桐而顽耍h舵机控制器以80C51单片机为核心，该控制器中单片机可以产生8个 通道的PWM信号，分别由80C5
9、1的P1. 0P1.7端口输出。输出的8路 PWM信号通过光耦隔离传送到下一级电路中。方波信号经过光耦传输后， 前沿和后沿会发生畸变，因此反相器采用40106反相器对光耦传输过来的 信号进行整形，产生标准的PWM方波信号。根据经验舵机在运行过程中要从电源吸纳较大的电流，若舵机与单片 机控制器共用一个电源，则舵机会对单片机产生较大的干扰。因此，舵机 与单片机控制器采用两个电源供电，两者不共地，通过光耦来隔离，并且 给舵机供电的电源最好采用输出功率较大的开关电源。该舵机控制器占用 单片机的个SCI串口。串口用于接收上位机传送过来的控制命令，以调节 每一个通道输出信号的脉冲宽度。MAX232为电平转
10、换器，将上位机的 RS232电平转换成TTL电平。第4章系统软件编程与仿真舵机的控制信号为周期20ms的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度 从0.5ms-2. 5ms,相对应舵盘的位置为0-180度，呈线性变化。也就是说，给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应 的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信 号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上。舵机输出转角与输入信号脉冲宽度的关系如图4-1所示：输入信号脉冲宽度（周期为20ms）舶机输出轴转角0.5ms1ms1.5ms2 ms2.5ms0 00 0-00 0 5 0 3 8 O 4 9 1 1 SSSSS图
11、4-1舵机输出转角与输入信号脉冲宽度的关系测试编程如下(实现45 ,135。的脉冲信号)#iiiclude #define uint unsigned int#define uchar unsigned charuchar a;uiiit b;sbit pwl=POAO;sbit pw2=P0Al;void angle(float Sl_angle,float S2_angle5uint action_time )uint Sl_pw,S2_pw;uchar S l_loop_niim,S2_loop_niun;uchar flag=0;S l_pw=(uint)(500+100*Sl_ang
12、le/9);S2_pw=(uint)(500+100*S2_angle/9);S l_loop_num=S l_pw/20;S2_loop_num=S2_pw/20;TRO=1;while(Iflag)/ipwl=l;while(a!=S l_loop_num);pwl=0;while(!(a=126);a=0;pw2=l;while(a!=S2_loop_num);pw2=0;while(!(a=12);a=0;b+;if(b=action_time)TR0=0;哈尔滨理工大学综合课程设计 flag=l;b=0;I Jvoid main()jIP0=0x00;TMOD=0x02;TH0=23
13、6;TL0=236;EA=1;ETO=1;angle(O05O);angle(45,135,50);void TimeO()interiiipt 1jIa+;ffifaitditti - ISIS Fiofesricud 偷真中殍w宣就)滞2)iM制顺湖仞就w库巍心急电rl7S)图4.245和135。转角时候的示波器波形图4.2 45和135。波形图第5章结论通过这次技能训练主要运用80C51单片机为控制器开发了一个双足机 器人系统，该机器人系统是由6个舵机构成的6自由度的机械系统。在设计时，首先对双足机器人的结构、系统控制电路和应用软件的功 能进行了设计与分析，确定了系统的总体结构和组成。通
14、过这次设计，使我们巩固了机器人设计制造以及单片机的知识，熟 练运用各种制图软件(ProE, AUTOCAD),编程软件(Proteus, Keil)。提 高了我们的动手能力以及团队写作能力。为我们的毕业设计打好坚实的基 础。从实践中体会到了学习研究机器人的乐趣。参考文献1、潘存云、高里基.通用工业机器人运动仿真系统IRKSS.机器人. 19949 94-972、徐爱钧，彭秀华.Keil Cx51 V7.0单片机高级语言编程与U Vision2应 用实践.电子工业出版社.20043、丹尼斯克拉克、迈克尔欧文斯.机器人设计与控制.科学出版 社.20044、黄河、张良、孟祥、朱艾春.小型双足机器人设计概述.中国矿业 大学信息与电气工程学院.江苏徐州.中国科技论文在线 http:/www. paper, edu. cn5、小型双足步行机器人的结构及其控制电路设计.机电论文网 6、解仑、王志良、李华俊.双足步行机器人制作技术.机械工业出版 社，2008
