野外重载圆形铁甲机器人控制系统设计.docx

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野外重载圆形铁甲机器人控制系统设计

摘要

步行机器人研究是一个多学科的综合领域，涉及机器设计和制造、传感器、控制与规划、电子电气、计算机与信息处理、通讯、能源、材料、系统工程。

六足机器人相比于四足有更好的稳定性，本设计的对象野外圆形重载铁甲机器人是一种爬行机器人，每条腿有三个自由度（垂直电机及水平电机及脚踝电机），共18个电机控制腿部的运动，使用AT89S52单片机及舵机原理及控制，具有一定的负重能力，即可进行仿生机器人的行为控制和步态研究，又可作为复杂机电系统的控制学习与嵌入式控制创新应用的对象。

本论文可以分为五个部分：

第一部分为绪论，综合论述机器人的定义、分类、发展概况，本研究的意义及内容：

第二部分为机器人的控制系统设计，包括单片机，舵机等等；第三部分为原理图及PCB图；第四部分为步态及程序分析；最后一部分是结语，总结研究内容并对课题中需要进一步研究、完善的重点进行了一定的探讨、分析和展望。

关键词：

机器人；控制系统；单片机

ABSTRACT

Walkingrobotresearchisamultidisciplinaryfield,relatestothemachinedesignandmanufacturing,sensor,controlandplanning,electricalandelectronic,computerandinformationprocessing,communication,energy,materials,systemsengineering.Sixleggedrobotcomparedtothequadrupedhasbetterstability,thedesignoffieldroundheavyarmoredrobotisakindofcrawlingrobot,eachleghasthreedegreesoffreedom（verticalandhorizontalelectricmotorandanklemotor）,atotalof18motorcontrollegmovement,usingtheprincipleandcontrolofAT89S52microcontrollerandthesteeringgear,hasacertainweightbearingability,behaviorcontrolandgaitresearchcanbebionicrobot,andcanbeusedasacomplexelectromechanicalsystemcontrollearningandinnovativeapplicationofembeddedcontrolobject.

Thisthesiscanbedividedintofiveparts:

thefirstpartistheintroduction,development,definition,classificationofacomprehensivediscussionoftherobot,themeaningandcontentofthisstudy:

secondpartofdesign,therobot'scontrolsystemcomprisesasinglechip,steeringgearandsoon;thethirdpartistheschematicdiagramandPCBdiagram;thefourthpartistheanalysisofthegaitandprocedures;thelastpartistheconclusion,summarizestheresearchcontentandfurtherstudy,theemphasisisdiscussed,andProspectofthesubjectinneed.

Keywords:

robot;navar;singlechip

目录

前言1

第一章绪论2

1.1机器人的简介2

1.1.1机器人的分类2

1.1.2机器人未来的发展趋势3

1.2选择本课题的意义5

1.3本课题的研究内容5

第二章控制系统设计6

2.1单片机系统的选择及应用6

2.2AT89S52各引脚功能7

2.3舵机原理及控制8

2.3多路PWM波的产生9

2.4小结10

第三章设计原理图及PCB图11

3.1PROTEL99SE简介11

3.2电路原理图的绘制11

3.3PCB图的绘制14

3.4小结15

第四章步态分析及程序16

4.1步态分析16

4.2程序设计17

结束语23

致谢24

参考文献25

前言

从1920年,“机器人”一词诞生；到1962年，真正意义上的工业机器人出现；再到1980年，工业机器人广泛的应用于工业现场；直至二十一世纪的今天，与人类发展的漫长历史相比，机器人的发展经历了近百年的时间，但对人类的影响却超乎人类历史上的任何一个百年。

随着机器人技术的逐步完善，适于特殊作业的机器人种类也日益增多。

近年来，作为科技技术发展的一个重要分支，机器人成为十分活跃的研究领域。

未来的机器人将在人类不能或难以到达的已知或未知环境里为人类工作。

国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006～2020）中明确提出了我国智能服务机器人的发展战略，明确提出“智能服务机器人是在非结构环境下为人类提供必要服务的多种高技术集成的智能化装备”。

以服务机器人和危险作业机器人应用需求为重点，研究设计方法、制造工艺、智能控制和应用系统集成等共性基础技术。

此次课题野外圆形重载机器人是一种基于仿生学原理研制开发的新型足式机器人，针对所开发野外圆形重载机器人的控制系统功能要求，需要提出了一种模块化分散递阶控制的设计方案，克服了传统控制理论被控模型难以建立，且适应能力较差的缺点。

然而步态是步行机器人的迈步方式，是步机器人各腿协调运动的规律，是其它控制算法实现的基础，每个腿安装有水平和垂直方向运动的电机，具有三个自由度。

它是基于微处理器AT89S52的运动控制器，采用双定时器多舵机分时控制方法，对18个舵机进行独立控制，六足机器人可接受移动指令，以典型步态协调运动。

本设计的主要内容：

机器人的简介，野外圆形重载铁甲机器人的控制系统设计，包括单片机介绍、舵机原理及控制、多路PWM波的产生、利用PROTEL99画电路原理和PCB图、机器人的步态和程序等。

第一章绪论

1.1机器人的简介

机器人技术是在二战以后才发展起来的一项新技术。

1958年美国的ConsolLidated公司制作出了世界上第一台工业机器人，由此揭开了机器人发展的序幕。

1967年日本川崎重工公司从美国购买了机器人的生产许可证，日本从此开始了对机器人的制造和开发热潮。

机器人的定义在科技界，科学家会给每一个科技术语一个明确的定义，但机器人的定义却至今没有统一。

原因之一是机器人还在发展，根本原因则是机器人涉及到了人的概念，使之成为难以回答的哲学问题。

早在1967年日本召开的第一届机器人学术会议上，就有专家提出了两个有代表性的定义，之后又不断涌现新的见解。

我国科学家对机器人的定义是：

“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力﹑动作能力、和协同能力，是一种具有高度协同性的自动化机器”。

仿生步行机器人是一种多连杆、多自由度的特种机器人，其运动学、动力学特性十分复杂。

这类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、教育及娱乐等许多行业都有着非常广阔的应用前景长期以来，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。

然而尽管步行机器人技术有了很大的发展，但制约多足步行机器人进一步朝实用化发展的一些基础理论问题和关键性技术还没有得到根本的解决。

目前的步行机器人存在的主要局限性有：

（1）自由度少，灵活性差；

（2）大多为仿昆虫结构，越障能力差；（3）承受能力弱，实用性不强此外。

六足机器人对复杂地形的适应，还需要步态与传感器及其信号处理技术、人工智能技术等多领域的其同发展和结合能真正实现。

这也意味着在众多研究人员面前，还有很长的路要走。

1.1.1机器人的分类

诞生于科幻小说之中一样，人们对机器人充满了幻想。

也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的想象和创造空间。

家务型机器人：

能帮助人们打理生活，做简单的家务活。

操作型机器人：

能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。

程控型机器人：

按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。

示教再现型机器人：

通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业。

数控型机器人：

不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业。

感觉控制型机器人：

利用传感器获取的信息控制机器人的动作。

适应控制型机器人：

能适应环境的变化，控制其自身的行动。

学习控制型机器人：

能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中。

智能机器人：

以人工智能决定其行动的机器人。

我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。

所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。

而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：

服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。

在特种机器人中，有些分支发展很快，有独立成体系的趋势，如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。

目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：

制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和我国的分类是一致的。

空中机器人又叫无人机器，近年来在军用机器人家族中，无人机是科研活动最活跃、技术进步最大、研究及采购经费投入最多、实战经验最丰富的领域。

80多年来，世界无人机的发展基本上是以美国为主线向前推进的，无论从技术水平还是无人机的种类和数量来看，美国均居世界之首位。

1.1.2机器人未来的发展趋势

智能化可以说是机器人未来的发展方向，智能机器人是具有感知、思维和行动功能的机器，是机构学、自动控制、计算机、人工智能、微电子学、光学、通讯技术、传感技术、仿生学等多种学科和技术的综合成果。

智能机器人可获取、处理和识别多种信息，自主地完成较为复杂的操作任务，比一般的工业机器人具有更大的灵活性、机动性和更广泛的应用领域。

对于未来意识化智能机器人很可能的几大发展趋势，在这里概括性地分析如下：

一、语言交流功能越来越完美

智能机器人，既然已经被赋予“人”的特殊称义，那当然需要有比较完美的语言功能，这样就能与人类进行一定的，甚至完美的语言交流，所以机器人语言功能的完善是一个非常重要的环节。

对于未来智能机器人的语言交流功能会越来越完美化，是一个必然性趋势，在人类的完美设计程序下，它们能轻松地掌握多个国家的语言，远高于人类的学习能力。

另外，机器人还能进行自我的语言词汇重组能力，就是当人类与之交流时，若遇到语言包程序中没有的语句或词汇时，可以自动地用相关的或相近意思词组，按句子的结构重组成一句新句子来回答，这也相当于类似人类的学习能力和逻辑能力