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(chǎn)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(chǎn)品， 在發(fā)達國家， 工業(yè)機器人已經(jīng)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(jīng)越來越 親身地感受到機器人的深入生產(chǎn)，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?；诙鏅C實現(xiàn)對二足機器人關節(jié)控 制信號產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(jīng)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(chǎn)生是一個科學技術發(fā)展的綜合結果，也是生產(chǎn)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(chǎn)制造，需要不斷的提高生產(chǎn)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(jīng)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(jīng)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(chǎn)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(chǎn)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(jīng)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(chǎn)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(jīng)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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