舵機控制型機器人設計要點

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1、 課程設計項目說明書 舵機控制型機器人設計 學 院 機械工程學院 專業(yè)班級 2013 級機械創(chuàng)新班 姓 名 吳澤群 王志波 謝嘉恒 袁土良 指導教師 王苗苗 提交日期 2016 年 4 月 1 日 華 南 理 工 大 學 廣 州 學 院 任 務 書

2、 茲發(fā)給 2013 級機械創(chuàng)新 班學生 吳澤群 王志波 謝嘉恒 袁土良 《產品設計項目》課程任務書，內容如下： 1. 題目： 2.應完成的項目：  舵機控制型機器人設計 1.設計舵機機器人并實現(xiàn)運動 2.撰寫機器人說明書 3.參考資料以及說明： [1] 孫桓 . 機械原理 [M]. 北京 . 第六版 ; 高等教育出版社， 2001 [2] 張鐵，李琳，李杞儀 . 創(chuàng)新思維與設計 [M]. 國防工業(yè)出版社， 2005 [3] 周藹如 . 林偉健 .C++程序設計基礎 [M].

3、電子工業(yè)出版社 . 北京 .2012.7 [4] 唐增宏 . 常建娥 . 機械設計課程設計 [M]. 華中科技大學出版社 . 武漢 .2006.4 [5] 李琳 . 李杞儀 . 機械原理 [M]. 中國輕工業(yè)出版社 . 北京 .2009.8 [6] 何庭蕙 . 黃小清 . 陸麗芳 . 工程力學 [M]. 華南理工大學 . 廣州 .2007.1 4.本任務書于 2016 年 2 月 27 日發(fā)出，應于 2016 年 4 月 2 日前完成，然后提交給指導教師進行評定。 指導教師（導師組） 簽發(fā) 2016

4、年 月 日 評語： 總評成績： 指導教師簽字： 年 月 日 目 錄 摘 要 1 第一章 緒論 2 1.1 機器人的定義及應用范圍

5、 2 1.2 舵機對機器人的驅動控制 2 第二章 舵機模塊 3 2.1 舵機 3 2.2 舵機組成 3 2.3 舵機工作原理 4 第三章 總體方案設計與分析 6 3.1 機器人達到的目標動作 6 3.2 設計原則 6 3.3 智能機器人的體系結構 6 3.4 控制系統(tǒng)硬件設計 6 3.4.1 中央控制模塊 7 3.4.2 舵機驅動模塊 7 3.5 機器人腿部整體結構 8 第四章 程序設計 9 4.1 程序流程圖 9 4.2 主要中斷程序 9 4.3 主程序 11 參考文獻 13 附

6、錄 14 一．程序 14 二．硬件圖 17 摘 要 機器人是上個世紀中葉迅速發(fā)展起來的高新技術密集的機電一體化產品， 在發(fā)達國家， 工業(yè)機器人已經得到廣泛的應用。隨著科學技術的發(fā)展，機器人的應用范圍也日益擴大， 遍及工業(yè)、國防、宇宙空間、海洋開發(fā)、醫(yī)療康復等領域。進入 21 世紀，人們已經越來越 親身地感受到機器人的深入生產，深入生活，深入社會的堅實步伐。 機器人技術在不斷發(fā)展提高， 機器人系統(tǒng)中的驅動裝置也在不斷更新， 用以滿足更高 的控制要求。舵機就是在機器人驅動裝置發(fā)展中誕生的新型驅動裝置。 本次

7、課程設計應用 MG995舵機與 C51單片機來對二足機器人完成一系列制定的動作， 用單片機實現(xiàn)了對舵機的控制，概述了程序控制思路。基于舵機實現(xiàn)對二足機器人關節(jié)控 制信號產生，關節(jié)擺動速度和角度還有同步運動的控制，使其能完成如向前行走、向后行 走、蹲下、起立、檢測障礙等一系列動作。次設計可用于學校機器人教學，還可以用于機 器人玩具產品開發(fā)等領域。 關鍵詞 ： 二足機器人； MG995舵機控制；動作設計； C51 單片機

8、 1 第一章 緒論 1.1 機器人的定義及應用范圍 機器人是能自動執(zhí)行工作的機器裝置。既可以接受人類指揮，又可以運行預先編排的 程序，也可以根據(jù)人工智能技術制定的原則行動。 它的任務是協(xié)助或取代人類的一些工作，例如生產業(yè)、建筑業(yè)，或是危險的工作。 國際上對機器人的概念已經逐漸趨近一致。一般說來，人們都可以接受這種說法，即機器人是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器，是一種可編程和多功能的，

9、用來搬運材料、零件、工具的操作機；或是為了執(zhí)行不同的任務而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)?！? 機器人的產生是一個科學技術發(fā)展的綜合結果，也是生產力發(fā)展的必然結果，人們總是期待有種機器能夠代替我們去從事復雜和繁重的體力勞動，社會的發(fā)展總是需要進行大批量的生產制造，需要不斷的提高生產效率，可以說機器人是為了滿足我們的發(fā)展需要而創(chuàng)造出來的。而后發(fā)展的各種各樣的機器人也是由于人類的需要所設計的，隨著人們需求角度的增加，各種各樣的機器人還會在今后問世。 我國的機器人專家從應用環(huán)境出發(fā)，將機器人分為兩大類，即工業(yè)機器人和特種機器人。工業(yè)機器人是面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度機器人。而特

10、種機器人則是除工業(yè)機器人之外的、用于非制造業(yè)并服務于人類的各種先進機器人，包括：服務機器人、水下機器人、娛樂機器人、軍用機器人、農業(yè)機器人等。 1.2 舵機對機器人的驅動控制 機器人上身的手臂結構是由多舵機組成的。舵機是一種位置伺服的驅動器，適用于需 要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。 在機器人機電控制系統(tǒng)中，舵機控制效果是性能的重要影響因素。舵機可以在微機電 系統(tǒng)和航模中作為基本的輸出執(zhí)行機構，其簡單的控制和輸出使得單片機系統(tǒng)非常容易與 之接口。 舵機與外界的連接端口只有三端，其中與單片機的接口只有一端，稱之為控制線，另 外兩

11、端分別接電源與電源地，為電源線與地線。舵機的控制信號是 PWM信號，利用占空比 的變化改變舵機的位置。 本設計的二足機器人的 6 個運動關節(jié)都是用舵機實現(xiàn)，設計機器人的動作其實就是對 結構機器人關節(jié)舵機的一個控制過程。 2 第二章 舵機模塊 2.1 舵機 舵機是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。 其輸入信號為周期為 20Ms，脈寬變化范圍為 0.5Ms 到 2.5Ms 的 PWM波。 PWM信號經過解調后得到一個直流偏置電壓，舵機中的直流電機與一個電位器相連，直流電機的轉動帶動電位器轉動，電

12、位器又可以輸出一個電壓（這是反饋信號），直流偏置電壓與這個電位器得到的電壓經過電壓比較器后得到的電壓差輸入控制芯片中，來完成對對舵機的控制。所以對舵機的控制，即對 PWM波形的控制。 以上說的是位置伺服舵機的原理，其實速度伺服舵機的原理是大同小異的，只不過隨直流電機轉動的電位器變成了事先固定好的電位器或電阻，輸出一個固定的電壓，這個電壓對應的就是使舵機停轉的 PWM信號得到的直流偏置電壓值，所以也可以通過調整這個電壓的值，來調整舵機停轉的 PWM脈寬。 當 PWM的脈寬為 0.5Ms 或 2.5Ms 時，舵機正轉或反轉的速度最快， 當脈寬越接近 1.5Ms 時轉速越慢，當脈

13、寬為 1.5Ms 時舵機停轉 2.2 舵機組成 圖 2-1 舵機內部結構 3 舵機的輸入線共有三條，如圖 2-1 所示，紅色中間，是電源線，一邊黑色的是地線， 這輛根線給舵機提供最基本的能源保證，主要是電機的轉動消耗。電源有兩種規(guī)格，一是 4.8V ，一是 6.0V ，分別對應不同的轉矩標準，即輸出力矩不同，

14、6.0V 對應的要大一些，具 體看應用條件； 另外一根線是控制信號線， Futaba 的一般為白色， JR 的一般為桔黃色。 另 外要注意一點， SANWA的某些型號的舵機引線電源線在邊上而不是中間，需要辨認。但記 住紅色為電源，黑色為地線，一般不會搞錯。本次用的舵機型號為 MG995，接地線為褐色， 控制線為橙色。 2.3 舵機工作原理 控制電路板接受來自信號線的控制信號，控制電機轉動，電機帶動一系列齒輪組，減 速后傳動至輸出舵盤。舵機的輸出軸和位置反饋電位計是相連的，舵盤轉動的同時，帶動 位置反饋電位計，電位計將輸出一個電壓信

15、號到控制電路板，進行反饋，然后控制電路板 根據(jù)所在位置決定電機轉動的方向和速度，從而達到目標停止。其工作流程為：控制信號 →控制電路板→電機轉動→齒輪組減速→舵盤轉動→位置反饋電位計→控制電路板反饋。 流，才可發(fā)揮舵機應有的性能。 舵機的控制信號周期為 20MS的脈寬調制（ PWM）信號，其中脈沖寬度從 0.5-2.5MS, 相 對應的舵盤位置為 0－180 度，呈線性變化。也就是說，給他提供一定的脈寬，它的輸出軸 就會保持一定對應角度上，無論外界轉矩怎么改變，直到給它提供一個另外寬度的脈沖信 號，它才會改變輸出角度到新的對應位置上如圖 7 所求。舵機

16、內部有一個基準電路，產生 周期為 20MS，寬度 1.5MS 的基準信號，有一個比出較器，將外加信號與基準信號相比較， 判斷出方向和大小，從而生產電機的轉動信號。由此可見，舵機是一種位置伺服驅動器， 轉動范圍不能超過 180 度，適用于那些需要不斷變化并可以保持的驅動器中，比如說機器 人的關節(jié)、飛機的舵面等。 4

17、 圖 2-2 舵機輸出轉角與輸出脈沖的關系 5 第三章 總體方案設計與分析 3.1 機器人達到的目標動作 1）外形與人手相似，包括肩、上臂、下臂、手腕及手等幾部分；

18、 2）雙手可以做出各種簡單的動作并實現(xiàn)自主行走的功能 ； 3.2 設計原則 本項目中的機器人， 它不但具有人類的外形特征， 手臂能實現(xiàn)各種不同的動作， 要求成本低廉，功能相對來說也比較單一，因此在保證性能的情況下，我們盡量不要采用高 檔的材料和元器件?；谝陨系目紤]，我們有下面幾條設計原則： 1)經濟性：在滿足功能的前提下盡可能采用簡單的方案，使用常見的、供應豐富的材料和元器件，以降低生產成本： 2)可靠性：機器人的使用環(huán)境比較惡劣，有電機啟制動火花對無線通訊及控制系統(tǒng) 的干擾，有可能遇到的碰撞以及關節(jié)被卡住造成電機堵轉等各種情況，

19、對機器人控制系統(tǒng) 提出了一定的要求。 3)易維護性：包括機械維護和控制系統(tǒng)軟硬件維護。 機械上盡可能采用模塊化設計方法，減少零部件種類，提高通用性，便于安裝拆卸，同時也可以提高可靠性和經濟性?？? 制系統(tǒng)軟硬件設計同樣采用模塊化設計，便于檢測調試。 4)強壯性：機器人的手臂都是由各個關節(jié)鏈接起來的，對剛性的要求比較高。在機械設計上，機器人應具有較好的剛性和較小的傳動間隙，不至于發(fā)生嚴重的機械變形，各種 接插件不能松動、脫落。 3.3 智能機器人的體系結構 機器人的體系結構是定義一個智能機器人系統(tǒng)各部分之間相互關系和功能分配 ,確定

20、一個智能機器人或多個智能機器人的信息流通關系和邏輯上的結構。本設計的控制系統(tǒng)是 以微處理器為基礎 ,采用二級結構 ,即協(xié)調級和執(zhí)行級。協(xié)調級實現(xiàn)和外界環(huán)境的信息交換功 能 ,包括人 2 機信息交換、外界環(huán)境信息的獲取和處理、生成控制指令等功能 ;執(zhí)行級實現(xiàn) 對各個關節(jié)進行伺服控制 ,將接受的控制指令 ,分解成各關節(jié)的坐標 ,并對執(zhí)行器進行伺服控制。 3.4 控制系統(tǒng)硬件設計 按照機器人控制系統(tǒng)結構 , 設計控制系統(tǒng)硬件結構由中央控制模塊、舵機驅動模塊組 6 成。 3.4.1 中央控

21、制模塊 該模塊是整個控制系統(tǒng)的核心 , 采用微處理器 AT89S52 為核心構成 , 負責輸入數(shù)據(jù)處理、舵機協(xié)調動作處理和顯示數(shù)據(jù)處理等功能。 機器人控制系統(tǒng)是一種典型的多軸實時運動控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的機器人控制系統(tǒng)基本上是設計者基于自己的獨立結構和生產目的而開發(fā)，它采用了專用計算機、專用機器人語言、專用微處理器的封閉式體系結構。這種結構的控制器存在制造和使用成本高，開發(fā) 周期長，升級換代困難， 無法添加系統(tǒng)的新功能等一系列缺點。 該系統(tǒng)基于 TRIO運動控制卡的開放式結構機器人控制系統(tǒng)，采用 IPC+DSP的結構來實現(xiàn)機器人的控制。這種機器人控制系統(tǒng)采用開放式硬件、軟件

22、結構，可以根據(jù)需要方便地擴展功能，具有良好的開放性 和擴展性，能適應于不同類型機器人或機器人自動生產線。通過運動控制卡在工業(yè)機器人控制系統(tǒng)中的應用，根據(jù)運動控制的相關理論和直流伺服電機的具有不易受干擾、易于用微機實現(xiàn)數(shù)字控制、無積累誤差等特性以及其動作迅速、反映快、維護簡單、可實現(xiàn)過載 自動保護等特點作為相關背景的基礎之上提出了基于 TRIO 運動控制卡的自動化程度和定位精度均較高的工業(yè)機器人控制系統(tǒng)。這種機器人控制系統(tǒng)的重要特點在于它采用通用個人計算機加 DSP—多控制回路的開放式體系結構以及它的網(wǎng)絡控制特性。

23、 圖 3-1 51 單片機最小系統(tǒng) 3.4.2 舵機驅動模塊 舵機是一種位置伺服的驅動器。 控制電路板接受來自信號線的控制信號 ,控制電機轉動機帶動一系列齒輪組 ,減速后傳動至輸出舵盤。 舵機的輸出軸和位置反饋電位計是相連的舵 7 盤轉動的同時 ,帶動位置反饋電位計 ,電位計將輸出一個電壓信號到控制電路板 ,進行反饋。然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機轉動的方向和速度，從而達到目標停止。其工作流程為控制信號→控制電路板→電機轉動→齒輪組減速→舵

24、盤轉動→位置反饋電位計→控制 電路板反饋。 才可發(fā)揮舵機應有的性能?？刂菩盘栍山邮諜C的通道進入信號調制芯片 ,獲得 直流偏置電壓。它內部有一個基準電路 ,產生周期為 20ms,寬度為 1.5ms 的基準信號 ,將獲得 的直流偏置電壓與電位器的電壓比較 獲得電壓差輸出。最后 電壓差的正負輸出到電機 驅動芯片決定電機的正反轉。 當電機轉速一定時 ,通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉 ,使得電 壓差為 0，電機停止轉動。當然我們可以不用去了解它的具體工作原理 ,知道它的控制原理 就夠了。就象我們使用晶體管一樣 ,知道可以拿它來做開關管或放大管就行了 ,至于管內的電子具體

25、怎么流動是可以完全不用去考慮的。 （1）電機參數(shù)：空心杯電機； 金屬齒輪結構； 雙滾珠軸承； 連接線長度 30 厘米；（2）技術參數(shù) : 尺寸：40mmX20mmX36.5mm 重量：62g 技術參數(shù)：無負載速度 0.17 秒 /60 度(4.8V) 0.13 秒/60 度 (6.0V) 扭矩： 13KG 使用溫度 :-30~~+60 攝氏度 死區(qū)設定 :4 微秒 工作電壓 :3.0V-7.2V； 3.5 機器人腿部整體結構

26、 圖 3-2 機器人下半部分共有 4 個舵機，其中腳部兩個，主要實現(xiàn)抬腿功能；腿部兩個，主要實現(xiàn)向前前進功能。 8 第四章 程序設計 4.1 程序流程圖 圖 4-1 4.2

27、主要中斷程序 void tt1() interrupt 1 { // 右腳邁出 if (k

28、 { a5=0; a6=0; } if (c==10000) { k=0; x4=16; } if(c==15000) { k=0; x3=10; x5=13; 10 } //2 秒后左腳邁出 if (c==20000) { k=0; x1=12; } if(c==25000) { x3=8; } //3 秒循環(huán)一次 if(c==30000) { k=0; c

29、=0; x1=22; x4=13; x5=22; } k++; c++; } 本次設計機器人行走的思路主要是模仿人走路。中斷函數(shù)設定為 0.1 毫秒執(zhí)行一次。 因此，給 K 一定的值便可以實現(xiàn)舵機轉一定的角度， K 的變化范圍為 5

30、6; 11 TL0=156;// 定時 0.1 毫秒 EA=1; ET0=1; TR0=1; while(1); } 函數(shù)采用定時器 2 計時方式，定時 0.1 毫秒，計算方式為 256-100=156，高四位和低四位都為 156。

31、 12 參考文獻 [1] 孫桓 .機械原理 [M]. 北京 .第六版 ; 高等教育出版社， 2001 [2] 張鐵，李琳，李杞儀 .創(chuàng)新思維與設計 [M]. 國防工業(yè)出版社， 2005 [3] 周藹如 . 林偉健 .C++程序設計基礎 [M]. 電子工業(yè)出版社 . 北京 .2012.7 [4] 唐增宏 . 常建娥 . 機械設計課程設計 [M] . 華中科技大學出版社 . 武漢 .2006.4 [5] 李琳 . 李杞儀 . 機械原理 [M

32、] . 中國輕工業(yè)出版社 . 北京 .2009.8 [6] 何庭蕙 . 黃小清 . 陸麗芳 . 工程力學 [M] . 華南理工大學 . 廣州 .2007.1 13 附錄 一．程序

33、 # include # define uint unsigned int # define uchar unsigned char uint c=0; uchar x1=22,k=0,x3=8,x4=13,x5=22; sbit a1=P1^1;// 右腿 sbit a2=P1^2;// 左腿 sbit a3=P1^3;// 左腳 sbit a4=P1^4;// 右腳 sbit a5=P1^5;// 左手 sbit a6=P1^6;// 右手 void main() // 主函數(shù) {

34、TMOD=0x02; TH0=156; TL0=156;// 定時 0.1 毫秒 EA=1; ET0=1; TR0=1; while(1); } void tt1() interrupt 1 // 中斷函數(shù) { // 右腳邁出 if (k

35、 if (k

36、1=12; } if(c==25000) { x3=8; } //3 秒循環(huán)一次 if(c==30000) { k=0; c=0; x1=22; x4=13; x5=22; } k++; c++; } 16 二．硬件圖

37、 圖 1 電路板 17 三．整體圖 18