【正文】 — 復(fù)合空間波，產(chǎn)生螺旋側(cè)移等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)方式； 鑒于機(jī)器蛇實(shí)現(xiàn)的便利性，我們選擇了蠕動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方式，如圖 210 所示。比較適用于凸凹不平的地面。這種運(yùn)動(dòng)方式是身軀比較龐大的蛇在非緊急情況下的運(yùn)動(dòng)方式，在比較平的地面上行進(jìn)時(shí)較佳，如圖 26 所示 。 5 1 單 片 機(jī)液 晶 顯示上 位 機(jī)超 聲 波 測(cè)距9 0 5 無(wú)線 傳 輸 9 圖 24 51 單片機(jī)控制框圖 蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的算法實(shí)現(xiàn) 蛇的運(yùn)動(dòng)方式： （ 1）婉蜒運(yùn)動(dòng) 所有的蛇都可以以這種方式向前爬行。 （ 8） 51 單片機(jī)的外部 程序存儲(chǔ)器 可以 尋址的最大空間為 64kB； （ 9） 邏輯操作具有按位尋址的功能。 8 （ 4）總共有專用 寄存器 21 個(gè) 。上市的許多大型公司都有各自不同版本的 51子系列的向下兼容單片機(jī)型推出在我們學(xué)習(xí)的單片機(jī)中，最為基礎(chǔ)的應(yīng)該算是 51 單片機(jī)了，如圖 23 所示 。 （ 4）定時(shí)計(jì)數(shù)器、脈寬調(diào)制器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘。 PINSEL2 口功能的設(shè)置與 PINSEL0 和 PINSEL1 的兩個(gè)GPIO 口有很大的不同， PINSEL2 擁有 32 位的寄存器，但是在我們的使用中，只用到了PINSEL2[3:2]這 2 位。分為 P0[31:0]和 P1[31:16],其中， 沒(méi)有使用， 僅僅作為輸出口使用。 128 位寬度的存儲(chǔ)器。最后，深入的掌握蛇型機(jī)器人的執(zhí)行模型，從 理論上 為蛇形機(jī)器人作出分析與設(shè)計(jì) 主控制器 本次設(shè)計(jì)的主控制器是 LPC2131 控制舵機(jī)、直流減速電機(jī)、無(wú)線遙控以及紅外避障，51 單片機(jī)主要控制液晶顯示、 NRF905 和超聲波，現(xiàn)將它們分別介紹如下。 第五章：總結(jié)全文，并給出展望。現(xiàn)主要從以下方面進(jìn)行介紹： 本論文總共包括四章內(nèi)容，各個(gè)章節(jié)的順序參照設(shè)計(jì) 工程中 工作 流程 方法 ， 其 大致安排如下： 第二章 ：主控制器簡(jiǎn)介和各模塊理論。就網(wǎng)絡(luò)攝像頭而言，需要提供網(wǎng)絡(luò)，然后將蛇周?chē)那闆r檢測(cè)到后傳輸?shù)诫娔X，打開(kāi)設(shè)計(jì)好的上位機(jī)，顯示出來(lái)。而對(duì)于紅外遙控，當(dāng)前面 30CM 范圍有障礙物時(shí)，電平被拉低，輸送給單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)送指令給 ARM 控制直流減速電機(jī)左轉(zhuǎn)，避開(kāi)障礙物，實(shí)現(xiàn)其功能。 控制部分主要是靠 51 單片機(jī)和 LPC2131 的 ARM 系統(tǒng)來(lái)控制的， 51 單片機(jī)主要通過(guò)對(duì) IO 口的控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì) NRF905 各個(gè)寄存器的配置，以及對(duì)存儲(chǔ)器的 控 制命令，從而對(duì)超聲波模塊測(cè)得距離進(jìn)行無(wú)線傳輸，然后利用 1602 對(duì)超聲波側(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，做到實(shí)時(shí)通訊，實(shí)時(shí)傳輸。近來(lái)，大家對(duì)仿生學(xué)的興趣空前上漲，而仿生機(jī)器學(xué)也隨之而受到在機(jī)器人領(lǐng)域的特別關(guān)注，對(duì)于地震、雪災(zāi)、泥石流、海嘯、火山、有毒氣等危險(xiǎn)的地方和一些地面障礙物比較多、崎嶇不平、以及狹窄難以通過(guò)的地形及環(huán)境，類似于蛇形機(jī)器人的機(jī)器有相當(dāng)大的運(yùn)動(dòng)優(yōu)勢(shì)，可以滿足各種各樣的需求。德國(guó)科學(xué)家發(fā)明了 GMDsnakel，這種機(jī)器人每?jī)蓚€(gè)橡膠關(guān)節(jié)構(gòu)成一個(gè)連接件，每個(gè)連接件可以驅(qū)動(dòng) 8 個(gè)電機(jī)，實(shí) 現(xiàn)蛇形機(jī)器人在水平和垂直方向上的不同角度的彎曲，而且運(yùn)動(dòng)及其靈活，但也存在問(wèn)題，當(dāng)蛇形機(jī)器人做抬頭動(dòng)作時(shí)，由于重力，會(huì)有暫時(shí)的失控現(xiàn)象。 自從東京大學(xué)的教授研制成功了世界上首例蛇形機(jī)器人之后，迄今為止，蛇形機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)成為仿生學(xué)機(jī)器人研究過(guò)程中不可或缺的一部分了。 蛇的身體雖 然只不過(guò)象一條繩子，但具有多種運(yùn)動(dòng)變化方式，功能強(qiáng)大，在前行的時(shí)候可以當(dāng)腿腳，在攀爬的時(shí)候可以當(dāng)手臂，而在攫取東西的時(shí)候又可以當(dāng)手指。這些機(jī)器人的出現(xiàn)并逐步應(yīng)用，使我們能強(qiáng)烈地感受到機(jī)器人應(yīng)用范圍之廣、影響程度之深，并且機(jī)器人的研究領(lǐng)域已經(jīng)從結(jié)構(gòu)環(huán)境下的定點(diǎn)作業(yè)中走出來(lái)，向著非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的自主作業(yè)方向發(fā)展。 論文主 要介紹了蛇形機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的制作方法，各個(gè)功能電路的原理，各模塊的集成設(shè)計(jì)，各部件的選擇及連接方式，各種元件的控制方法，及其實(shí)現(xiàn)的功能，充分展示了制作蛇形機(jī)器人的整個(gè)過(guò)程。蛇的 執(zhí)行 部分主要有直流減速電機(jī) 和 MG955 舵機(jī) 。 I \=論文題目：基于 LPC2131 的蛇形機(jī)器人 硬 件設(shè)計(jì) 專 業(yè)：自動(dòng)化 學(xué) 生： 宋代寧 簽名 ： __________ 指導(dǎo)教師：李紅巖 簽名 ： __________ 摘 要 對(duì)于地震、 瓦斯、 有毒氣或者空間狹小的場(chǎng)所，作為普通的人 ， 我們難以完成 某 些任務(wù)，因此可以去尋找一些人類的替代品。蛇形機(jī)器人分為四個(gè)模塊：電源、控制 器 、機(jī)械模塊和無(wú)線傳輸模塊。無(wú)線控制部分由 NRF905 進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸， 遠(yuǎn)程控制由 無(wú)線式數(shù)字遙控實(shí)現(xiàn)。工業(yè)生產(chǎn)中的用力進(jìn)行超精密加工的并聯(lián)機(jī)器人，海洋勘探領(lǐng)域中的水下機(jī)器人，太空探索領(lǐng)域中的行星探測(cè)器如美國(guó)的火星車(chē)流水線上代替人工的工業(yè)機(jī)器人，類人機(jī)器人和仿生機(jī)器人。步行機(jī)器人有著諸如運(yùn)動(dòng)的速度慢和穩(wěn)定性差等弊端，這就促使人們?nèi)ミM(jìn)一步尋找靈活的運(yùn)動(dòng)模式，而自然界的蛇的運(yùn)動(dòng)是一種“無(wú)肢運(yùn)動(dòng)” ， 它不需要輪子和腿，蛇由于在結(jié)構(gòu)上無(wú)肢可以爬樹(shù)、游水、鉆洞、繞過(guò)障礙物、穿越沙漠、在平坦的地面爬行、更是能達(dá)到行動(dòng)如飛 。 如果開(kāi)發(fā)出多臺(tái)分散的自律機(jī)器蛇，群體協(xié)調(diào)動(dòng)作，這樣不但可以在單純作業(yè)的場(chǎng)合通過(guò)多臺(tái)機(jī)器蛇的并列處理來(lái)提高工作效率，還能減少局部故障對(duì) 整體的影響，并且 2 在開(kāi)發(fā)時(shí)逐漸擴(kuò)展系統(tǒng)，也比較容易使機(jī)器蛇的各關(guān)節(jié)連在一起，后為確保整體的協(xié)調(diào)性需要采用分布式并行計(jì)算機(jī)技術(shù)，并開(kāi)發(fā)運(yùn)動(dòng)控制軟件利用從各種傳感器得到的信息控制其運(yùn)動(dòng)使它躲避障礙物或越過(guò)崎嶇的地形。 NEC 公司結(jié)合多剛體力學(xué)原理，創(chuàng)造出了多剛體關(guān)節(jié)的蛇形機(jī)器人，它可以很容易的實(shí)現(xiàn)三維空間運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用在許多危險(xiǎn)及人不能接受的情況下進(jìn)行搜索和營(yíng)救的工作，但由于蛇形機(jī)器人需要多個(gè)關(guān)節(jié)，而多剛體結(jié)構(gòu)不適合這種運(yùn)動(dòng)，因此，這種多剛體的蛇形機(jī)器人不能夠?qū)嶋H仿真蛇的運(yùn)動(dòng)。中科院開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)金也開(kāi)始了對(duì)蛇形機(jī)器人的研究，并在可重構(gòu)思想的基礎(chǔ)之上提出一種新型的結(jié)構(gòu)；國(guó)防科技大學(xué)也研發(fā)了屬于自己的蛇形機(jī)器人，而且可以在水中實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，雖然蛇形機(jī)器人的研究在我國(guó)起步比較晚，但發(fā)展速度之快， 前所未有。 電源部分，主要采用的是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，可以分別輸出所需要的 5V 和 12V 電壓，且電流均可以達(dá)到 5A，即總共可以輸出 85W 的電能，能夠滿足整個(gè)蛇身運(yùn)動(dòng)所需要的 3 能量，由于舵機(jī)所需要的啟動(dòng)電流特別大，每個(gè)舵機(jī)可以達(dá)到 ，同時(shí)啟動(dòng)的 3 個(gè)舵機(jī)對(duì)電源的穩(wěn)定性有較大的影響，直流減速電機(jī)需要 12V 電壓供電，而直接供電電流達(dá)不到的要求，故采用 L298N 作為驅(qū)動(dòng)，加以外圍電路，實(shí)現(xiàn)直流減速電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，因此給 51 單片機(jī)和 ARM 單片機(jī)的供電另行采用 5V 的蓄電池，這樣可以使整個(gè)系統(tǒng) 處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。同理，對(duì)直流減速電機(jī)進(jìn)行輸出控制，實(shí)現(xiàn)蛇身的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，補(bǔ)充一個(gè)自由度，繼而實(shí)現(xiàn) 3 維運(yùn)動(dòng)。 NRF905 工作在 433MHZ 的頻率范圍內(nèi)，主要有數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、 SPI 接口，需要提供 3V 電壓，最大發(fā)射功率可以達(dá)到 10dBm，在進(jìn)行通訊時(shí)先將數(shù)據(jù)采集到后打包，壓縮至緩存中，然后發(fā)射，待到接收端開(kāi)啟接收模式后，將打包后的數(shù)據(jù)解開(kāi)，之后一位一位顯示出來(lái)。 4 本文的結(jié)構(gòu)安排 本課題以 LPC2131 和 STC51 單片機(jī)為控制芯片，設(shè)計(jì)了多關(guān)節(jié)蛇 形搜尋機(jī)器人。 第四章：通過(guò)硬件檢查，軟件編譯，再聯(lián)合調(diào)試，給出精確度。然后，介紹下生物蛇運(yùn)動(dòng)的思想和各模塊的運(yùn)行原理。 LPC2131 是以實(shí)時(shí)仿真和嵌入式為基礎(chǔ)的的 32/16 位的 ARM7TDMISTM CPU 的微控制器，根據(jù)需要用戶可以更換兼容的 CPU 進(jìn)行仿真調(diào)試，類似的有， LPC213 LPC2138 等，他們帶有 32kb、 64kb 的嵌入式 高速閃存處理器。 LPC2131 的主要部分： （ 1） LPC2131 開(kāi)發(fā)板總共有 47 個(gè) GPIO 口。例如 PINSEL0[1:0]設(shè)置 口為某一狀態(tài)功能， PINSEL0[3:2]設(shè)置 口為哪種功能，其余引腳可以依次進(jìn)行類推下去。其中 31 個(gè) 32 位的寄存器， 6 個(gè)狀態(tài)寄存器。該系列的單片機(jī)源于 8031 系列的單片機(jī)，如今隨著閃存 ROM技術(shù)的進(jìn)一步深入， 8031 單片機(jī)足的發(fā)展令人矚目，成為世界使用最為廣泛的 8 位單片機(jī)之一，其中最具有代表性的型號(hào)是 ATMEL 公司 的為我們平時(shí)所使用的 AT89 子系列。 （ 3）總共有 32 條 I/O 口線，指令有 111 條，其中大部分是單字節(jié)的指令 。 （ 7） 51 單片機(jī)的 外部數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器可以 尋址的空間 為 64Kb。 外圍電路 框圖 如圖 24 所示。 速度可達(dá)幾厘米每秒。肌肉的收縮與伸長(zhǎng)形成的波從頭傳遞到尾部。通過(guò)對(duì)蛇的運(yùn)動(dòng)方式的分析可見(jiàn)：無(wú)論哪一 種運(yùn)動(dòng)方式，蛇的運(yùn)動(dòng)都可以看成是一列行波的傳遞，如圖 28。再利用余弦定理求取關(guān)節(jié)角 ，如圖 21 212 所示 。同時(shí)，調(diào)節(jié)蛇體運(yùn)動(dòng)的水平和垂直的相位差，以及水平面內(nèi)和垂直平面內(nèi)的相位差，我們也可以得到不同的運(yùn)動(dòng)方式。 超聲技術(shù)是通過(guò)超聲波的產(chǎn)生、傳播以及接收的物理過(guò)程完成 的。超聲波在超聲場(chǎng)（被超聲波充滿的范圍）傳播時(shí)，如果超聲波的波長(zhǎng)與超聲 場(chǎng)相比，超聲場(chǎng)很大，超聲波就像處在一種無(wú)限的介質(zhì)中，超聲波自由地向外擴(kuò)散；反之，如果超聲波的波長(zhǎng)與相鄰介質(zhì)的尺寸相近，則超聲波受到界面限制不能自由的向外擴(kuò)散。超聲波的頻率越高，越與光波某些特性相似。 超聲波在固體中的傳播速度分兩種情況： (1)縱波在固體介質(zhì)中的傳播速度 其傳播與介質(zhì)的形狀有關(guān) ，如式 （ 23）、（ 24）、 （ 25） 所示 。 (1) 超聲波的反射和折射 當(dāng)超聲波傳播到兩種特性阻抗不同介質(zhì)的平面分界面上時(shí)，一部分超聲波被反射；另一部分透射過(guò)界面，在相鄰介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播；這樣的兩種情況稱之為超聲波的反射和折射，如圖 213 所示。 如果超聲波斜入射到兩個(gè)固體介質(zhì)面或兩粘滯彈性介質(zhì)面時(shí)，一列斜入射的縱波不僅產(chǎn)生反射縱波和折射縱波，而且還產(chǎn)生反射橫波和折射橫波。若以兩個(gè)頻率相同，振幅 1? 和 2? 不等，波程差為 d 的兩個(gè)波干涉為例，該兩個(gè)波合成振幅為 212122211 )λπ2c osξξ2ξξ(ξ d++= ， 其中 ? 為波長(zhǎng)。 在超聲 波 探測(cè)電路中，發(fā)射端 所要做的是 輸出脈沖 寬度 為 20us 的 一系列方波， 即 為發(fā)射超聲 波 的時(shí)間間隔， 當(dāng) 被測(cè)物 的 距離 距超聲波當(dāng)前的位置遠(yuǎn)時(shí) ，脈沖 的個(gè)數(shù)就越多 ， 而超聲波 輸出的 脈沖個(gè)數(shù)與被測(cè) 物距超聲波的 距離成 線性關(guān)系 。 但在某些情況下， 如果 所要 測(cè)的 距 離的 精度要求 非常 高， 就必須采用 溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?來(lái)對(duì)此進(jìn)行 校正 ，盡可能的減小誤差，以滿足要求 。 假設(shè) X2 是 超 聲波 反射 回 來(lái) 的時(shí)刻， X1 是 超 聲波發(fā) 射的時(shí)刻， 那么 X2X1 將 得出的是 超聲波發(fā)射和接受所需要的時(shí)間差 的絕對(duì)值， 如果21XX =， 就會(huì) 有 340m=。247。直流 12V電源輸入接收器，一路向繼電器供電，另一路經(jīng)三端穩(wěn)壓器件穩(wěn)壓后，輸出 5V 工作電壓，作為無(wú)線接收部分和解碼部分的電源。由各地址、數(shù)據(jù)的不同接腳狀態(tài)決定，編碼從輸出端 Dout 輸出，通過(guò)紅外發(fā)射管發(fā)射出去。而鎖存功能是指，當(dāng)發(fā)射信號(hào)消失時(shí)， PT2272 的數(shù)據(jù)輸出端仍保持原來(lái)的狀態(tài)，直到下次接收到新的信號(hào)輸入。 圖 217 PT2272 接收電路 PT2262/2272 是一對(duì)帶地址、數(shù)據(jù)編碼功能的無(wú)線遙控發(fā)射 /接收芯片 ，如圖 217。 NRF905數(shù)據(jù)傳輸 NRF905 利用 SPI 口實(shí)現(xiàn)與 MCU 的雙向通訊 ， NRF905 的 SPI 總線包括 4 個(gè)引腳：CSN(SPI 使能、 SCK(SPI 時(shí)鐘 )、 MISO (主入從出 )和 MOSI(主出從入 )。這幾種 模式由主控 MCU 通過(guò)控制 NRF905 的 3 個(gè)引腳 PWR_UP、 TRX_CE 和 TX_ EN 的高低電平來(lái)決定。 MCU 通過(guò) SPI 總線配置 NRF905 的內(nèi)部寄存器和收發(fā)數(shù)據(jù)。在進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)比較簡(jiǎn)單， MCU 先把 CSN 拉低，然后在 MOSI 線上輸出寫(xiě)命令字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)即可。 當(dāng)電樞轉(zhuǎn)了 180176。這就保證了每個(gè)極下線圈邊中的電流始終是一個(gè)方向，從而形成一種方向不變的轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)能連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。 方案二：?jiǎn)螛O性工作制。我們采用了定頻調(diào)寬方式，因?yàn)椴捎眠@種方式，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定；并且在采用 單片機(jī)產(chǎn)生 PWM 脈沖的軟件實(shí)現(xiàn)上比較方便。 基于 ARM7有 6路獨(dú)立的 PWM 波，可以滿足本次試驗(yàn)要求，不占用定時(shí)器資源，且對(duì)于舵機(jī)，角度準(zhǔn)確，故采用方案三。 蛇身的整體設(shè)計(jì)及選型 蛇的機(jī)械外殼結(jié)構(gòu)是本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的依托，說(shuō)先介紹下結(jié)構(gòu)的選擇并進(jìn)行生物蛇運(yùn)動(dòng)的模擬： 機(jī)械材料的選擇 （ 1）鋁合金： 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易變形； 缺點(diǎn)：質(zhì)地較硬，難以加工安裝，材料昂貴，伸張性難以準(zhǔn)確把握； （ 2）亞克力板： 優(yōu)點(diǎn)：重量小，易于加工，操作方便； 缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，脆性太差，容易松動(dòng)，不適合高溫寒冷天氣，難以固定； （ 3）給水管子 UPVC