基于单片机控制的双足行走机器人的设计

基于单片机控制的双足行走机器人设计摘要：21世纪机器人发展日新月异，从传统的履带式机器人到如今的双足行走机器人，机器人的应用范围越来越广。本系统以单片机（STC89c52）为系统的中央控制器，以单片机（STC12c5410ad）为舵机控制模块。将中央控制器与舵机控制器，舵机，各类传感设备及受控部件等有机结合，构成整个双足行走机器人，达到行走、做动作的目的。单片机中央控制器与舵机控制器以串口通信方式实现。系统的硬件设计中，对主要硬件舵机控制器和STC89C52单片机及其外围电路进行了详细的讲述。硬件包括舵机控制器，STC12C5410AD单片机，按键，各种传感器和数据采集与处理单元。软件包括单片机初始化、主程序、信号采集中断程序、通过串口通讯的接收和发送程序。论文的最后部分以双足行走机器人为基础，结合传感器，外围控制设备组成控制系统，并给出了此系统应用领域的一些探讨和研究。关键词：单片机；舵机控制；STC12C5410AD2BipedalrobotdesignbasedonMCUAbstract：Inthe21stcenturyrobotdevelopmentchangeswitheachpassingday,fromthetraditionalcrawlerrobottonowbipedalrobot,therobot'sapplicationscopeismoreandmorewidely.Thissystembysinglechipmicrocomputer(STC89c52)asthecentralcontrollerinthesystem,STC12c5410adMCUasthesteeringgearcontrolmodule.Thecentralcontrollerandtheservocontroller,Steeringgear,allkindsofsensingandcontrolcomponentssuchasorganiccombination,makeupthewholebipedalrobot,thepurposeoftowalk,dotheaction.Singlechipmicrocomputercentralcontrollerandtheservocontrollertorealizeserialcommunicationway.Systemhardwaredesign,themainhardwareservocontrollerandSTC89C52single-chipmicrocomputerandperipheralcircuitindetail.Hardwareincludingservocontroller,STC12C5410ADmicrocontroller,buttons,allkindsofsensoranddataacquisitionandprocessingunit.SoftwareincludesMCUinitialization,themainprogram,andinterruptsprogramsignalcollection,throughaserialportcommunicationtosendandreceiveprocedures.Thelastpartofthepaperonthebasisofbipedalrobot,combinedwiththesensor,theperipheralcontroldeviceofcontrolsystem,thissystemisalsogivensomediscussionsandresearchinthefieldofapplication.Keywords：MCU;ServoControl;STC12C5410ADI目录第一章绪论........................................................11.1课题背景...................................................11.2课题研究的目的及意义......................................21.3系统设计主要任务..........................................3第二章系统方案设计...............................................42.1机器人自由度选择...........................................42.2机器人结构的设计...........................................42.3驱动方案选型...............................................42.4系统总体设计...............................................5第三章系统硬件电路设计...........................................63.1单片机控制模块.............................................63.2舵机控制模块..............................................73.3传感器模块电路设计........................................83.4按键电路设计..............................................83.5机器人电源及通信系统设计..................................9第四章系统软件设计..............................................114.1程序流程图................................................114.2控制流程图................................................124.3动作数据采集..............................................124.4数据库的建立..............................................13第五章系统整机调试及功能测试...................................145.1舵机控制控制模块调试.....................................145.2舵机调试..................................................145.3红外传感设备调试.........................................155.4按键测试..................................................155.5整机调试..................................................15第六章设计总结及技术展望........................................16II参考文献..........................................................17附录..............................................................171第一章绪论1.1课题背景1920年捷克斯洛伐克作家卡佩克写了一本小说叫《罗萨姆的机器人万能公司》。他幻想并做了一个不吃不喝，不知疲倦的机器人罗伯特（Robot）帮助人们进行工作。人们在产生天天劳动，简单枯燥，于是人们幻想有一种代替人进行工作的机器，这便是罗伯特出现的理由[1]。机器人其实是个自动化装置，他仍然是机器，但是他能够模仿人完成某些特定的工作。为什么要发展机器人技术？简单的说是有三方面原因：1、干人不愿干的事。2、把人从有毒，有害，危险的环境中解放出来。3、保证工作的效率和准确性。人会累，机器不会。这变相的提高了生产力，解放了劳动力。随着时代的发展，机器人技术也是日新月异，从传统的履带式机器人到如今的双足行走机器人，机器人的应用范围越来越广。机器人作为科技产物，如今已经给人们提供了越来越多的方便，他们可以做人类无法做到的事情，也可以代替人去做一些危险的工作。两足直立行走机器人是未来机器人的发展方向。相比较传统的履带式机器人，它们可以更好的，更方便的为人类服务，模仿人类两足行走的特性可以到达更多传统机器人无法到达的地方。双足机器人不但拥有开阔的工作空间，并且对步行环境要求很低，能适应于各类地面且具有较高的夸越障碍的能力，其步行性能是别的步行结构无法比较的[2]。研究双足行走机器人具有重要的意义。仿人双足步行是生物界难度最高的步行动作，但其步行性能却是其它步行结构所无法比拟的。双足步行机器人是工程上少有的高阶、非线性、非完整约束的多自由度系统[3]。给予了对机器人的运动学、动力学及控制理论的研究一个非常理想的实验平台[4]。此外，双足步行机器人的研究还可以促进仿生学、人工智能、计算机图形、通信等相干学科的发展。机器人技术是科学技术发展的一个综合结果，是社会经济发展的起到重要影响的一门学科。是发展生产力的必然需求。一个国家的机器人技术可以衡量一个国家综合技术水平，发展机器人技术是未来的必然趋势。双足仿人行走机器人更是重中之重。通过研究制作双足行走机器人我们能够更好的认识双足行走机器2人，了解其特点，这将为以后的发展，研究打下坚实的基础。1.2课题研究的目的及意义世界著名机器人专家，日本早稻田大学加藤一教授说过：“步行应当是机器人具有的最大特征之一，步行的移动方式是其他运动方式无法比拟的，具有很大的优越性[5]”。1.2.1步行的优越性机器人的移动方式分为履带式、轮式、步行等方式。轮式和履带式机器人虽然在平坦的路面表现很优秀，但是他们一旦到了泥泞、松软的土地上进行移动是就会收到很大的阻碍，而步行的方式就不会存在这一问题。步行能适应更多，更复杂的路况，例如：上楼梯、跨越障碍等。我们生活的地球有很多地方不适合轮式或者履带式机器人行动，但是我们的星球上有那么多步行的动物存在，包括我们人类，可见步行应该是自然进化过程中最适合移动的一种方式，是其他行动方式无法比拟的。1.2.2双足步行机器人的优越性步行机器人又很多，包括和蜘蛛一样的八脚机器人、小一点的四脚或者六脚机器人，以及本课题研究的双足机器人。与其他机器人相比，双足机器人灵活性更好，适应环境能力更强。能够方便的上下台阶，通过窄路面等。并且步行的方式占地面积小，更灵活，在此基础上更容易搭载短小紧凑的机械手臂。这是其他步行方式无法比拟的。1.2.3双足行走研究的意义在步行方式中两足步行是最为复杂、自动化水平最高的动态系统。本课题以对两足行走机器人的行走控制为目的，来研究两足机器人的行走过程[6]。通过对外界环境的判断让机器人处理一些简单的应变。为机器人在以后更为复杂的工作环境稳定工作打下基础。研究双足步行机器人的另外一重要意义就是为了更好的了解人类和其他动物的行走机理，这样在将来可以为下肢瘫痪者提供较理想的假肢[7]。再者，研究动物行走方式和研究步行机器人是双向互惠的。正确的理解动物行走机理，可以3反过来更有效地指导步行机器人的研究和开发[8]。因此，双足步行机器人的研制具有十分重大的价值和意义。1.3系统设计主要任务本文利用舵机控制器与单片机STC89C52和各类传感设备及受控部件、支架设计制作的一款机器人行走控制系统。系统的设计包括：系统硬件的设计与调试和控制软件的编写与调试。1.3.1硬件部分双足行走机