【正文】 ................................................39 總程序 ........................................................................................................................................39 附錄 4 .........................................................................................................................................43 關于 2590芯片的說明 ..................................................................................................................43 附錄 5 .........................................................................................................................................45 AT89C51/AT89S52性能簡介 ..........................................................................................................45 附錄 6 .........................................................................................................................................47 遙控介紹 .....................................................................................................................................47 夢想科技社區(qū) 科技改變生活 引言 目前，隨著現(xiàn)代科學技術的進步，一方面機器人作為人類有力的工具正向高級智能化方向發(fā)展。另一方面，隨著機器人的相關支撐技術的不斷完善，如新型傳感器、新材料和新的通信方法等技術的應用，機器人應用 領域也不斷擴大。機器人在未來的發(fā)展中將會有如下的特征： 機器人將更廣泛的代替人從事各種生產(chǎn)作業(yè)，成為人類社會生產(chǎn)活動的“主勞動力”，人類將從繁重的、重復單調(diào)的有害健康和危險的生產(chǎn)勞動中解放出來，從而有更多的時間去學習、研究和創(chuàng)造。 機器人將成為人類探索與開發(fā)宇宙、海洋和地下未知世界的有力工具 機器人將在未來戰(zhàn)爭中發(fā)揮重要作用，如：機器人坦克、自主式地面車輛、掃雷機器人等，還有各種的武器管理系統(tǒng)或裝置，他們的作用不是人類能夠勝任的。 機器人將用于提高人類的健康水平與生活質(zhì)量，各種家政服務、園藝 、導購機器人的應用將會更廣泛，使得人類的生活更豐富多彩。 圖 Y1 美國火星探測機器人 圖 Y1 為美國研究的火星探測機器人，太陽能供電，能夠采集標本，收發(fā)信號還有個最大的特點是它能夠檢測障礙物，六個車輪都能夠飛別升降，當遇到障礙物時，輪子能夠沿著障礙物露出地面的輪廓運動，使得該機器人能夠在惡劣的地形進行探測任務。它是人類一個外星球著陸探索的里程碑，也是人類機器人研究的智慧結晶，同時預示著機器人研究的無限前景。 夢想科技社區(qū) 科技改變生活 1 設計概述 作品特性 A）機器人為類人機器人； B）機器人的雙腳 能夠模仿?lián)魟\動員的基本運動； C）腰部能夠轉(zhuǎn)動； D）上肢能夠自動的做一系列擊劍防守動作； E）能夠用遙控來運行和停止； F）電源部分帶智能警報； G）能邊放音樂邊表演； 系統(tǒng)概述 整個類人機器人開說關節(jié)主要有膝關節(jié)，大腿關節(jié)，腰部關節(jié)，頸部關節(jié)，肩膀關節(jié)和肘部關節(jié)，但對于擊劍機器人，手部的運動部分較多，身體和腳部的移動較少分機械運動，而頸部、頭部的運動可以忽略，故在驅(qū)動分配時用三個電機控制單臂的運動，雙腳兩個電機控制。 由于電機的轉(zhuǎn)速受電源的電壓影響比較嚴重，而對于類人表演機 器人來說大多數(shù)都是靠蓄電池提供電機驅(qū)動電壓和驅(qū)動芯片電壓。所以帶改機器人電路中含有電源智能報警功能是非常有必要的。 控制原理設計 如 圖所示，左邊的是只是輸入開關信號讓機器人開機，然后機器人按照已經(jīng)編好的程序自己做一系列表演的簡單的框架圖。右邊的框架圖是可以用遙控器給機器人輸入想要的運動指令，然后機器人照做；遙控可采用如無線遙控模塊采用微小型、低功耗、高速率 無線收發(fā)數(shù)傳 MODEM PTR2021。該無線收發(fā)模塊主要有以下特性： 1． 接收發(fā)射合一，體積微小，約 40mm*27mm*5mm。 2． 工作頻率為國際通用 433MHz，抗干擾能力強，工作電壓 ~，功耗小。 3． 工作最高速率可達 20k bit/s。 4．具有兩個頻道，滿足需要多信道工作的特殊場合。 PTR2021 模塊共有七個引腳，分別定義如下： VCC：正電源，接 ~ CS：頻道選擇， CS=0 選擇工作頻道 1， 433 .92MHz， CS=1 選擇工作頻道 2， DO：數(shù)據(jù)輸出； DI：數(shù)據(jù)輸入； GND：電源地 PWR：節(jié)能控制， PWR=1 正常 工作狀態(tài)， PWR=0 待機微功耗狀態(tài) TXEN：發(fā)射接收控制， TXEN=1 時模塊為發(fā)射狀態(tài)， TXEN=0 時模塊為接收狀態(tài) 但用遙控的話比線控多兩個收發(fā)模塊，和多一個單片機，兩片收發(fā)模塊一般不少于 100元，故對遙控只做個簡述請看附錄 6，在人工控制方面采用線控方式。 夢想科技社區(qū) 科技改變生活 圖 防守性擊劍機器人的控制原理圖 總體框圖 為了完成防守型機器人的的上述功能，總體框圖如圖 所示： 開關信號 微型計算機 軟件指令 信號識別 控制板 電機驅(qū)動板塊 機器人自動表演方式 接口板塊 電機和各個功能模塊 用遙控來控制機器人方式 控制電路 遙控發(fā)射電路 控制子系統(tǒng)及其它部件 接收電路模塊 夢想科技社區(qū) 科技改變生活 圖 防守 機器人控制的總體框圖 2 硬件設計 對于任何一個軟件與硬件相結合的系統(tǒng)的設計過程，將其中的硬件設計與軟件設計絕對分開是不可行的，因為它們之間有著密切的聯(lián)系，我們在設計過程中必須把這兩者結合在一起考慮。但要將一個已經(jīng)設計好的系統(tǒng)清楚地介紹給讀者，一個較好的辦法就是把系統(tǒng)分為硬件和軟件兩部分并分別加以介紹。這就是這篇論文所采用的方法。 機械部分 該防守性擊劍機器人一共使用 6 個電機來對一些必要的關節(jié)進行控制，從而能夠達到完成擊劍的一些基本防守動作，大體的機械結構如下圖 所示： 信號輸出模塊 信號的接收與識別 電源部分 AT89S52 電機驅(qū)動電路模塊 M M M M M M 語音控制模塊 夢想科技社區(qū) 科技改變生活 圖 防 守性擊劍機器人總體輪廓圖 擊劍機器人的下肢機械設計 直溜電機 2 飛別是擊劍機器人雙腳的驅(qū)動，單獨控制其中一個電機就是單獨控制該腳的前進與后退。擊劍運動員在擊劍比賽時，雙腳的都是保持馬步的姿勢；而且比賽時前后腳基本不交換位置，尤其是防守方；因為前后腳交換位置需要的時間較多，雖然能夠移動很大的距離，但在移動雙腳交換的移動中卻使得身體的靈活性失去；然而靈活性在擊劍比賽中是勝敗的決定性因素。故對本類人擊劍機器人的雙腳設計的構思是這樣的：電機 1 所在的腳作為扎馬步的前腳，故膝蓋的關節(jié)是向前曲起；電機 2 所在 的腳為扎馬步的后腳；膝關節(jié)自然的彎曲，如我們跑步時用力蹬地的那條腿一樣。具體如圖 所示： 夢想科技社區(qū) 科技改變生活 圖 防守性擊劍機器人下肢機械圖 現(xiàn)實中，保持馬步的情況下，前進與后退的方法是這樣的：前進時，后腳出力，前腳向前踏出一小步，然后后腳跟上；后退的時候是，前腳出力，后腳向后移動一小步，然后前腳也跟著后退，繼續(xù)保持原來馬步的形狀。故對于此次設計的擊 防守性擊劍機器人雙腳的運動設計 前進的時候，直流電機 1 前進（設為正轉(zhuǎn)），然后直流電機 1 停止，直流電機 2 正轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度與直流電機 1 一致時停止；后退的 時候，直流電機 2 向后，即反轉(zhuǎn)，然后直流電機 2 停止，直流電機 1 反轉(zhuǎn)，跟上同直流電機 2 同樣的旋轉(zhuǎn)角度。具體如圖 （ a）到 （ h）所示： 擊劍機器人前進步驟： 圖 （ a） 前進步驟 1 夢想科技社區(qū) 科技改變生活 圖 （ b） 前進步驟 2 圖 （ c） 前進步驟 3 圖 （ d） 前進步驟 4 擊劍機器人后退的步驟，如圖 （ e）到 （ h）所示： 圖 （ e） 后退步驟 1 夢想科技社區(qū) 科技改變生活 圖 （ f） 后退步驟 2 圖 （ g） 后退步驟 3 圖 （ h） 后退步驟 4 下肢關節(jié)的設計 圖 （ a） 下肢關節(jié)設計圖 夢想科技社區(qū) 科技改變生活 機器人的下肢主要起到支撐和轉(zhuǎn)動的作用，如果要模仿人類的下肢關節(jié)就如圖 （ a）所示。但仔細研究后發(fā)現(xiàn)，由于無限制的關節(jié)有 4 個之多，如果再加上直流電機 2 的轉(zhuǎn)動軸，那么就會造成太多的移動可能。經(jīng)過考慮后把關節(jié) 3，關節(jié) 4 固定，這樣可活動的點就剩下 ,關節(jié) 1，關節(jié) 2，直流電機 1 的軸心和直流電機 2 的軸心，其中直流電機 1 和 2 的軸心連線永遠比關節(jié) 1 和 2 的連線要大的多的，腳上再加兩個萬向輪，同時上部的重量都加在關節(jié) 1 和 2 的中心位置上， 直流電機 1 和直流電機 2 的軸心位置由于地面和輪面的摩擦力的作用所以可以看成是固定的，那么整個下肢的支撐系統(tǒng)就構成一個類似金字塔形或梯臺形如圖 （ b）所示： 圖 （ b） 下肢支持系統(tǒng) 這就做成了一個穩(wěn)定的下肢支撐系統(tǒng)了。 腰部轉(zhuǎn)動的設計 圖 防守性擊劍機器人的腰部機械圖 腰部的設計思路是，作為人形機器人的腰部，主要做要是承接了上部的重量，設計 夢想科技社區(qū) 科技改變生活 的時候腰部能做到水平的轉(zhuǎn)動最好，如果不能將會極大地影響整個機器人的平衡；所以盡量減少 可變的環(huán)節(jié)，故在腰部轉(zhuǎn)動的設計中不采用電機再經(jīng)傳動其他機構最后帶動腰部的轉(zhuǎn)動方式，而用電機直接轉(zhuǎn)動腰部的設計如圖 所示，但其中仍有可變環(huán)節(jié)：直流電機 3 的轉(zhuǎn)軸和電機定子之間有一定的縫隙，這是可變環(huán)節(jié)一，還有就是直流電機3 的轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)軸套筒也存在間隙。故腰部以上的轉(zhuǎn)動是不可能完全的與髖部平行轉(zhuǎn)動的，但對于我們這種表演性的擊劍機器人來說穩(wěn)定是足夠的。 上身即手臂的設計 圖 防守性擊劍機器人的上身機械圖 如圖 所示防守性擊劍機器人的上身設計中，直流電機 4 的作用是讓整個手臂能上下 的運動，直流電機 5 的作用是使得整個手臂能夠向內(nèi)向外的運動，直流電機 6 的作用是讓劍能夠曲起和出擊。 電氣部分 電氣部分的設計主要是根據(jù)所要實現(xiàn)的功能考慮系統(tǒng)的可實現(xiàn)性、復雜性、費用以及如何對將要運行在其上的程序提供支持。一般來說，電氣設計要和軟件設計一起考慮，使其具有軟件可實現(xiàn)性。當然，在這個環(huán)節(jié)沒有必要將軟件結構搞得十分清楚，這樣會浪費大量的精力。我們可以只考慮將要與單片機外部交換數(shù)據(jù)的程序，比如有顯示的話考慮顯示子程序而先不必考慮 PID 子程序，因為它不直接和外部打交道。具體來說，硬件設計將完成對 本控制系統(tǒng)各個框圖的物理實現(xiàn)，以及如何分配單片機的 I/O 端口從而保證系統(tǒng)各個部分能夠協(xié)調(diào)地工作。通常我們應先了解構建系統(tǒng)所需的器件的參數(shù)和性能指標。 控制板 控制板的設計原則就是性能穩(wěn)定，易于使用，便于擴展，方便調(diào)試。其設計首先要根據(jù)運行其上的程序的復雜性選擇適當?shù)奈⒖刂破鳎热绠a(chǎn)生的代碼很多的話就要選擇 夢想科技社區(qū) 科技改變生活 存儲空間大的微控制器，或者考慮擴展存儲器。然后選擇適當?shù)奶幚硭俣?，注意越高的速度越耗電。其次要選擇基本的外圍電路，比如電源電路、復位電路、顯示電路、鍵盤電路以及用于擴充的接口電路等。 最小系統(tǒng) 本次設計采用 Atmel89s51 作為控制器，這是艾特梅爾公司生產(chǎn)的廣為人知的At89c51 的替代品， At89c51 已經(jīng)停產(chǎn)。 Atmel89s51 與 89c51 完全兼容，并且支持更高的處理速度。 89S51 有較多的 I/O 口線，有兩個定時