最新版ZigBee压力变送器设计毕业设计.docx

最新版ZigBee压力变送器设计毕业设计.docx

《最新版ZigBee压力变送器设计毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《最新版ZigBee压力变送器设计毕业设计.docx（34页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

最新版ZigBee压力变送器设计毕业设计

摘要

电子计算机的出现,在科学技术上引起了一场深刻的革命。

经过半个世纪的发展，它已广泛应用于工业、农业、国防、能源、商业、金融、交通、文化教育、卫生、军事等各个领域。

对国民经济的发展，及信息化的进程起着积的作用。

随着工业自动化的高速发展，计算机在对生产过程的控制起着越来越重要的作用，单片机作为微型机的一个分支以其独特的结构和优点，已经在工业生产和科学实验的各个部门得到了迅速的推广和应用。

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。

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昆虫，该机器人是一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Cad设计机器人结构零部件的尺寸，及其整体结构尺寸。

本次机器人通过AT89S51、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：

仿生六足爬行机器人；机械结构设计；三角步态；AT89S51单片机；红外遥控

Abstract

Theemergenceofelectroniccomputersinscienceandtechnologyledtoaprofoundrevolution.Afterwidelyusedinindustry,agriculture,nationaldefense,energy,commercial,financial,transportation,culture,education,toplaytheroleofaproduct.Withthe,thecomputerinthecontroloftheproductionprocessisplayingamoreandmoreimportantrole,SCMasabranchofasingle-chipwithitsuniquestructureandadvantages,intheindustrialproductionandscientificexperimentofeachdepartmentgotarapidpromotionandapplication.

srobotmechanisms,kinematics,controltheoryandotherdisciplinesintegratedembodimentofitslevelofdevelopment,isoneofthecurrentresearchimitationofsix-leggedwalkingrobots,therobotisabionicsix-leggedwalkingrobot,basedontheaccuratecontroloftheservomotor,thesimulationofthesixfeetanimalwalkinggait,walking,quickrun,allsortsofgaitbehavior,suchasturningandundertheenvironmentofvariousgroundgaitinligentadjustment,adaptivesmoothground,roughground,sandground,suchaswetmudgroundroadenvironment.

Analysisofsixfootstep,crawlingrobotreferenceentityrobotstructuresizeusingthesoftwareofCaddesignthesizeoftherobotstructurecomponents,anditsoverallstructuresize.

TherobotbyAT89S51,infraredemissionmodule,theinfraredreceivingmoduleandthecorrespondingauxiliarycircuitsystemtorealizethetrianglegait,implementbasicfunctionssuchaswalkstraight,backward,turn.

KeywordsBionicsixfootcrawlingrobot；Themechanicalstructuredesign；TripodgaitAT89S51；MicroprocessorInfraredRemoteControl

第1章绪论

1.1前言

机器人学是一门综合性的科学。

它是机构学、运动学、控制理论等学科发展水平的综合体现，并且，它也是由工程学、神经生理学、生物学、控制论等学科相互渗透结合而成的。

机器人研究的意义和应用价值也越来越为人们所认识和重视。

自二十世纪六十年代第一代工业机器人——通用机器手问世以来，随着测试技术，控制理论的飞速发展，在七十年代发展成为第二代机器人，即由计算机控制的具有多关节，多自由度的机械手或具有简单感觉的机器人。

目前，正在向第三代机器人----智能机器人发展。

就我国而言，通用机械手的研究和开发已达到一定水平，且已在工业生产中广泛应用。

发展和研制具有特殊用途的机器人在我国有较大的现实意义。

例如，对于各种不适于人体工作条件下的危险工作，无人参与的采掘与矿井工作，深水作业，在宇宙空间的活动以及诸如此类的各个方面，采用各种机器人已经是非常迫切的任务，为此，研制了六足步行机。

它是一种依靠足来移动的“自由型”机器人，在起运载作用时，有比轮式或车无法比拟的优越性。

随着车轮转速的提高，它必须依赖平坦的公路行走，这就限制了它的广泛应用。

而步行机的足与有足的生物相似，这样它运动的灵活性大，对复杂环境的适应性强,其应用前景广阔。

比如用于研究月球及其他星体的太空机器人，由于外星体上可能根本没有路，步行方式具有明显的优点。

又如用于检查和抢修核工业,化学工业和冶金工业的高温、强放射性、有毒的反应室，燃烧室的工业机器人，也必须是步行机器人。

从这些用途上可以看出,研究步行机对于机器人工业的发展，对人类社会的进步，都有着及其重要的作用和意义。

人工智能是20世纪科学技术所取得的重大成果之一。

它的诞生与发展对人类文明产生了巨大的影响和效益。

同时也引起了哲学意识与人工智能的理论探讨。

其中最具有代表性的就是机器人技术的诞生与发展。

大千世界，万事万物都遵循着从无到有的，从低级到高级的发展规律，机器人也不例外。

话说早在三千多年前的西周时代，我国就出现了能歌善舞的木偶，称为“倡者”，这可能是世界上最早的“机器人”。

然而真正机器人的出现，或者说它的历史并不算长，直到1959年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，机器人的历史才真正拉开了帷幕。

1.2我国机器人的发展史

中国机器人的发展状况，古代的中国就可找到机器人的影子，如三国时的"木流牛马"，周朝的"歌舞艺人"等。

直到20世纪70年代，现代机器人的研究才在中国起步，并于"七五"期间实施了"863"计划。

短短的二十年，中国的机器人技术在世界已占有一席之地。

在制造业中陆续出现了喷涂，搬运，装配等机器人。

但受市场，资金等因素的制约，目前，装机数量仅1200台，与发达国家相比还存在很大差距。

今后，走产业化道路是推动中国工业机器人发展的动力。

在特种机器人方面，自第一台水下机器人研制成功后，瑞康一号，探索者一号相续诞生。

特别是"CR-01"6000米水下机器人，能在深水中录像，进行海底地势勘察和水文测量，自动记录各种数据等，曾两次在太平洋圆满完成了各项海底调查任务，为中国进入水下机器人的先进行列立下了功劳。

另外，核工业中还研制成功壁面爬行、遥控检查和排险机器人。

中国机器人技术正朝着微型机器人和智能机器人发展。

最近，2毫米微电机制研制成功和第一台"导游小姐"服务机器人的诞生，有利于推动中国机器人的发展与应用。

1.3本论文的目的与实际意义

查阅国内外的相关文献，收集相关资料，解决以下问题：

（1）仿生六足爬行机器人的腿部结构和整体结构设计。

（2）本次设计的控制系统，设计电路控制系统。

（3）驱动器系统模块，怎样才能让电机可以依据自己的意愿转动，怎样控制电机的速度，这是两个必须要解决的问题。

（4）红外遥控系统模块，我通过查阅、搜集国内外相关的资料和文献，来完成对红外遥控系统的设计。

（5）机器人的步态分析、设计及其实现，我们依据天牛类昆虫的行进原理，可以建立起相应的步行运动模型，可以将昆虫的运动进行简化，这样就能抽象出六足运动的基本原理。

仿生六足爬行机器人是模仿动物的线性运动形式，选用腿式结构就可以完成多种移动功能的一中特种机器人。

依据工业机器人的标准定义，我们可以将仿生六足机器人理解成“一种由计算机控制的用足机构推进的地面移动装置”来区别于行走式机械玩具和固定行走模式的机械装置。

我们经常将足数多于或等于四的步行机器人称之为多足步行机器人，这类步行机器人可以在不平的路面上进行稳定地行走，它也可以取代轮式车完成在一些复杂环境中的运输作业，这样就造就了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、艺术及娱乐等许多领域有着极其广阔的应用前景。

自20世纪以来，多足步行机器人技术一直是国内外机器人领域研究的热点之一。

为了探索多足步行机器人技术的研究前沿，为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。

第2章六足仿生机器人系统设计

2.1机器人系统总体的设计方案

具体的如下图2-1所示：

图2-1机器人系统总体框图

2.2本次设计系统方案论证

2.2.1六足仿生机器人的行走方案论证

方案一：

通过市场调研后发现，我们现在常见的六足机器人它们的行走基本是以每个足上有几个舵机来实现它的多自由度的运动，它们行走稳定，并且也可实现多种方式的行走。

但是这种方案花费较大。

并且难度较高

方案二：

我经过查阅大量的国内外相关资料和文献，我找到了以中每个腿只有一个自由度也能实现前进，后退，转弯运动的方案，它的缺点就是不能适应各种地形，并且行走起来姿态不是很好。

经过反复的研究和结合自身的能力，最终选择了第二天方案在本次的设计中。

2.2.2驱动器模块的方案论证

一、选用步进电机来驱动六足机器人的行进，步进电机也称之为脉冲马达，它实际上是一个电脉冲信号转换成角位移的机电装置。

属于机电结构串行式数模转换器。

工作原理是定子按相有节拍的直流励磁，形成电磁铁效应从而可吸附能转动的转子衔铁，并产生转矩去驱动生产机械。

方案一：

用两片单片机芯片控制六路方波输出，一个单片机芯片分别控制三路方波输出，即一片单片机芯片控制步行机一条腿的运行。

整个步行机得用两个单片机控制系统控制。

下图2-2为步行机单腿控制框图。

图2-2步行机单腿控制方框图

这种方案虽然使软件编程大为简化，但是它却远远的加大了硬件电路的复杂程度，因此此种方案不可取。

方案二：

用一片单片机芯片控制整个六路方波输出，即用一片单片机芯片控制整个步行机的运行，如下图2-3为整个步行机单片机控制系统.

图2-3步行机单片机控制系统

这种设计方案硬件电路较为简化，它可以较好的发挥单片机的功能，只是这种方案中，软件编程较为复杂，应选用指令功能强的单片机芯片，而这个问题却比较容易解决。

二、选用直流电机来驱动六足机器人的行进，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，必须加上一个编码盘，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，用一种叫PWM（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。

三、选用微型伺服马达来驱动六足机器人的行进，微型伺服马达也称之为舵机。

微型伺服马达（舵机）的特点就是：

微型伺服马达（舵机）扭力较大，控制较为简单，组装比较灵活，而且相对于其它的驱动器也相对经济，但微型伺服马达（舵机）也有它的不足支出：

例如微型伺服马达（舵机）是一个较为精细的机械部件，再超出了微型伺服马达（舵机）的承受能力之外的力就会导致微型伺服马达（舵机）损坏，其次微型伺服马达（舵机）里面有藏电子控制电路，所以不正确的电子连接将会会导致微型伺服马达（舵机）的损坏，所以，我们很有必要在使用前了解微型伺服马达（舵机）的工作原理，这样可以避免造成没有必要的损失和损坏。

结合自身所掌握的能力，和对以上三个驱动器的认知程度，最终选择采用微型伺服马达（舵机）为本次设计的驱动器。

2.2.3本设计控制器方案论证

我根据照本次谁题目的要求，因为控制器主要用来控制电机，所以红外遥控器将信号传输给控制器，让控制器可以做出相应处理，并最终实现电机的前进、后退和转向。

方案一：

本次设计选用AT89S51单片机芯片来作为系统控制的方案。

AT89S51单片机芯片的算术运算功能较强，它的软件编程灵活、并且自由度大，与此同时51单片机芯片功耗低、体积小并且技术较为成熟。

方案二：

亦可以选用ARM芯片作为系统的控制器，ARM芯片优点就是它的系统功能很强大，ARM芯片上外设集成度搞密度很高，它提高了稳定性，并且ARM芯片系统的处理速度也很高，它非常适合作为大规模实时系统的控制核心。

当然，ARM芯片的难度也较大。

就以上两种方案来说，自己对51单片机较为熟悉，故选取了第一种方案在本次设计中。

2.2.4供电模块的方案论证

本次设计中整个系统需要电源的是，红外接收和发射设备，51单片机芯片，微型伺服马达（舵机）。

微型伺服马达（舵机）所需要电压为5V，所以它需要通过LM7805芯片将12V电压转换成5V来进行供电。

同时在微型伺服马达（舵机）和直流电机工作时，电路中的电流亦会产生较大的波动。

方案一：

选用双电源供电。

我们通过两个相对独立的电源分别对不同的模块去进行供电。

这种方案的优点是，可以减少波动，和单片机稳定性比较好，也可以让机器人能够更好的运动起来，这种方案它的唯一的缺点就是会增加重量。

方案二：

选用单电源供电。

通过单电源来对整个系统进行全面的供电，这种方案的优点是，领域减轻重量，操作较为简单。

但不得不考虑到系统中各个部分它们所需要的电压不一样，则需要通过LM7805来进行转换，但当同时工作时，有可能会产生电流过大，导致烧坏电压转换芯片LM7805，活着烧坏51单片机。

与此同时，较大的电流波动也有可能会影响到51单片机的稳定性。

依据上述两个方案各自的优缺点，我最终选择第一种方案的供电方式在本次设计中。

2.2.5红外遥控器的论证

本次设计是需要机器人能够完成前进、后退和转弯运动，机器人的运动形式比较少，因此我们可以选用简单的四个按键的遥控器就能实现。

2.2.6系统设计的最终方案

（1）本次设计中选用AT89S51单片机芯片作为主控制器。

（2）六足仿生机器人行走的腿部选用微型伺服马达（舵机）进行驱动，并且每个足有且仅有一个自由度。

（3）我选择使用较为简单的红外遥控器来控制六足机器人的线性行走。

（4）本次设计中选用双电源来进行供电，5V干电池供微型伺服马达（舵机）使用，并且12V电压经电源转换芯片LM7805转化为5V后给51单片机芯片使用，

第3章六足仿生机器人步态线性行进的分析与设计

3.1六足仿生机器人的线性行进原理

步行机器人是建立在运动摸型、动力模型、控制模型基础上，经过运动学和控制学的分析综合而得出的。

并且，机器人的步态设计是实现步行的关键之一，为达到较为理想的步行,考虑下列要求:

（1）步行平稳、协调,进退自如,无左右摇晃及前后冲击;

（2）机体和关节间没有较大的冲击,特别是在摆动腿着地时,与地面接触为软着陆;

（3）机体保持与地面平行,且始终以等高运动,没有明显的上下波动;

（4）摆动腿跨步迅速,腿部运动轨迹圆滑,关节速度与加速度轨迹无畸点;

（5）占空系数β的合理取值。

天牛类昆虫一般都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一组，右侧的前、后足和左侧的中足为另一组，分别组成两个三角形支架。

当一组三角形支架中所有的足同时提起时，另一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一组“三角形支架”的三足上，然后再重复前一组的动作，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。

在机器人的行走过程中，足的状态有立足（着地），游足（不着地）两种状态。

在立足状态中，足着地，这一足就有负载，因此运动速度不能太快；而在游足状态中，该足没有负载，可以快速运动，以便节省运动一步所需的时间。

本次设计中选用了三角步态的运动，三角步态示意如下图3-1所示。

其中1,3足联动，4,6足联动，2,5足也是联动。

接触地面的腿（如下图图中黑方块所示），这样就形成了稳定的三角形结构。

这样的模型通常会保持直立平稳的走姿，就不会出现走路时摔跟头的情况。

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3-1六足机器人的三角步态行进法

由图3-1可以看出，一共用了三个舵机，两个分别在两边，一个在中间，每一边的前腿和后腿是联动的，只有一个自由度，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90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180度时，机器人前进或后退。

3.2六足机器人行走时的具体分析

本次设计需要使机器人可以进行前进、后退、左转和右转这四种运动。

下面就以其中的前进和左转来进行详细的分析和叙述。

前进：

第一步，如下图图3-2所示,5足（立足）支撑并抬高4、6足（游足）使机器人离开地面，与此同时2足（游足）离开地面，1、3足（立足）接触地面并开始向后移动动，然后使机体以5足为中心向右转动一定的角度，同时，4、6足推向前摆动一定的角度，这样就实现了半步，紧接着2足（立足）支撑并且抬高1、3足（游足）使它们离开地面，然后同时5足（游足）也离开地面，4、6足（立足）接触地面并向后移动动，然后使机体以2足为中心向左转动一定角度，同时，3、5腿像前摆动一定角度，从而实现了一步。

图3-2机器人前进步态示意图

左转：

第一步，如下图图3-3所示,5足（立足）支撑并同时抬高4、6足（游足）使其离开地面，紧接着2足（游足）离开地面，1、3足（立足）接触地面并且向前移动，然后使机体以5足为中心向左转动一定的角度，同时，4,6足推向前摆动一定的角度，紧接着2足（立足）支撑并且抬高1、3足（游足）使其离开地面，紧接着5足（游足）离开地面，4、6足接触地面并且向后移动，然后让机体以2足为中心向左转动一定的角度，同时，1,3足向后摆动一定的角度，这样就最终实现的机器人的左转，同理可知，当2足（立足）支撑并同时抬高1、3足（游足）使它们离开地面，紧接着5足（游足）也离开地面，4、6足（立足）接触地面并且向前移动，然后使机体以2足为中心向右转动一定的角度，同时，1、3足推向前摆动一定的角度，紧接着5足（立足）支撑并且抬高4、6足（游足）使其离开地面，紧接着2足（游足）离开地面，1、3足接触地面并且向后移动，然后让机体以5足为中心向左转动一定的角度，同时，4、6足向后摆动一定的角度，这样就最终实现的机器人的右转。

图3-3机器人左转步态示意图

3.3六足机器人的线性步态稳定性分析

如下图图3-5所示：

点A、B、C分别是六足机器人的左前腿、右中腿、左后腿在地面上的支撑点。

三角形ABC是由三条支撑腿所构成的一组支撑三角形。

取机器人本体的重心O为坐标原点,Y的正方向为机器人的前进方向,设支撑点A、B、C的水平坐标分别为A（xA,yA）、B（xB,yB）、C（xC,yC）,各点的z坐标都相同,点A′、B′、C′是机器人重心到支撑三角形各边的垂足点,d1、

d2、d3是重心到各边的相应的距离。

直线AB的方程为：

斜率，则直线OA’的斜率。

图3-5三角步态稳定裕量计算题

它的直线方程为：

，以上两直线AB和OA’的交点A’的坐标为：

式中的是线段AB的距离的平方。

线段OA’长：

同理我们也可以求出和。

则六足机器人以三角步态行走时,其最小稳定裕量判据则六足机器人以三角步态行走时,其最小稳定裕量判据为：

d=min{,,}。

我们可以假设步态三角形三点的水平面坐标为A（X，Y），B（X，Y），C（X，Y），而机器人本体重心就在坐标原点上。

机器人朝前进方向运动一个步长L1后，支撑三角形变为，如下图图3-6所示。

然后再向前运动一个步长后，其机器人重心仍落在ABC内，为稳定的步态三角形，否则为不稳定的步态三角形。

在三角形步态中，若步态三角形在运动过程中是不变形的，则称此时的位置是协调的。

这亦是此结构的优点，它虽然简单，但是稳定性良好。

图3-6六足机器人的坐标分析

第4章驱动器模块的设计

4.1微型伺服马达（舵机）的内部结构结施

一个微型伺服马达内部包括了一个小型直流马达；一组变速齿轮组；一个反馈可调电位器；及一块电子控制板。

其中，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。

它的具体内部结构如下图图4-1所示：

图4-1微型伺服马达的内部结构

4.2微型伺服马达（舵机）的工作原理

一个微型伺服马达是一个典型闭环反馈系统，其原理可由下图图4-2表示：

图4-2微型伺服马达的原理图

图4-3机器人专用伺服马达工作原理

减速齿轮组由马达驱动，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动马达正向或反向地转动