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1、 河南科技学院河南科技学院 20112011 届本科毕业论文 设计 届本科毕业论文 设计 论文 设计 题目 论文 设计 题目 机器人关节的设计与实现机器人关节的设计与实现 学生姓名 学生姓名 周周 涵涵 所在院系 所在院系 信息工程学院信息工程学院 所学专业 所学专业 计算机科学与技术计算机科学与技术 导师姓名 导师姓名 曲培新曲培新 完成时间 完成时间 2011 05 252011 05 25 摘摘 要要 机器人关节是机器人的基础部件 其性能的好坏直接影响机器人的性能 随 着数字伺服技术等电子技术的发展 机器人关节也在不断发展 本文主要研究 基于舵机的机器人关节的设计与实现 本文主要了完成以
2、下工作 采用定时器控制方法产生舵机控制的脉冲信号 为了能实现活动关节根据 输入角度准确定位和微调 设计加入了矩阵键盘调控系统 在硬件搭建方面 设计了基于 STC89C52 的 2 路脉冲信号的舵机硬件控制电路系统 之后对系统 所使用的编辑软件和调试工具进行了简要说明 并详细介绍了软硬件的主要模 块的设计和实现过程 以及重要部分的调试和仿真的具体过程 最后 根据软 硬件设计结果 制作了一个极坐标结构的机器人关节 能够完成分别在水平和 竖直方向的比较精确的控制 关键词关键词 舵机 机器人关节设计 Abstract Robots joint is a basic part of robot whos
3、e performance will directly affect a robot With the development of electronic technology such as digital servo the technology of robot joint is developing continually This paper is studying how to designed and 实现 a two 自由度 robot joint based on digital servo Key words cellular phone virus loopholes B
4、luetooth 目目 录录 1 绪 论 5 1 1 课题背景 5 1 2 舵机简介 5 1 3 本文研究的工作 7 2 系统的总体设计思路 7 3 硬件设计与实现 8 3 1 主要元器件介绍 8 3 1 1 舵机 8 3 1 2 STC89C52 8 3 2 硬件的设计过程 8 3 2 1 工作电源控制电路 9 3 2 2 1602 显示控制电路 9 3 2 3 矩阵键盘的设计电路 10 3 2 4 舵机与系统接口电路 11 3 2 5 机器人关节的外形设计 11 3 3 硬件的实现过程 11 3 3 1 电路板的设计过程 11 3 3 2 硬件的组装过程 12 4 软件的设计与实现 12
5、4 1 单片机的 C 语言及其开发工具 12 4 2 各模块程序设计 13 4 2 1 脉冲信号产生模块 13 4 2 2 矩阵键盘控制模块 14 4 3 数据处理 15 5 仿真与调试 16 5 1 硬件电路的仿真设计 16 5 2 单片机的程序调试 16 6 总结 16 致 谢 17 附录 1 17 附录 2 18 附录 3 19 1 绪绪 论论 1 1 课题背景课题背景 从一战以来 机器人学和飞机 火箭 计算机等一样 也日益发展成为我 们日常生活不可或缺的科学技术 机器人的应用广泛 从传统的自动化制造领 域 到人类的日常生活 再到茫茫星系的探索 都已经离不开机器人 机器人关节是机器人的基
6、础部件 其性能的好坏直接影响机器人的性能 机 器人关节的种类有很多 根据机器人的功能不同 关节的配置和运动系统的形 式叶都各不相同 工业机器人关节根据输出运动形式的不同分为移动关节和转 动关节 根据传动机构的不同可以分为齿轮传动 连杆传动和摆线针轮减速传 动 根据驱动器形式的不同可以分为电驱动关节 气压驱动关节 液压驱动关 节和特种驱动关节等等 仿人机器人也是当今机器人爱好者研究的热点之一 仿人机器人因为外型类人则其关节可以分为上肢关节和下肢关节 微型机器人 则是利用集成电路微细加工 将驱动器 关节传动装置以及传感器控制器和电 源等集成在很小的多晶硅上 总体来看机器人关节呈现出大力矩 高精度
7、反 应灵敏 小型化 标准化和模块化的趋势和发展 工业机器人常见的关节形式有移动关节和转动关节 应用最多的工业机器 人是多关节机器人 它主要是由多个回转关节和连杆组成 模拟人的肩关节 肘关节和腕关节等的作用 其关节与仿人机器人的肩 肘 髋关节不同的是自 由度的个数 通常工业机器人的肩肘髋的关节的自由度为 1 仿人机器人主要分为仿人手臂型和仿人双足型 仿人手臂型主要是研究 7 自由度手臂和多自由度操作臂 多指灵巧手及手臂和灵巧手的组合 仿人双足 型主要研究步行机构及步行特性 下肢关节结构是步行质量好坏的关键 1 2 舵机简介舵机简介 在机器人关节的设计中 电机是至关重要的一部分 电机就像是机器人关
8、 节的肌肉 只有正确的配置和使用电机才能使机器人关节正常运转起来 常见的电机主要有直 交流电机 而直流电机一直在机器人设计中占有主 导地位 直流电机可以分为连续转动电机和步进电机 2 种 主要区别是连续转 动的电机在通电后主轴连续转动 只有当断电或者电机提供的驱动力无法驱动 负载时 主轴才停止转动或这阻塞 步进电机则是通电后主轴转动某一个角度 后 然后停止 伺服电机是一种比较特殊的连续转动电机类型 直流电机和步进电机都是开环反馈系统 也就是在电机转动的过程中并不 知道电机究竟转过了多少角度 而伺服电机是一种闭环反馈系统 内部主要有 一个控制电路 一个电机 一个齿轮箱和一个电位计组成 伺服电机转
9、动的角 度可以通过控制电路反馈 并且控制电路不断的修正转动角度的误差 直到电 机转动要预期位置 舵机是一种伺服电机 它具有伺服电机的优点 即在接收到控制信号后可 以转过相对准确的位置 这使舵机在机器人设计 航模 船模等有着广泛的应 用 比如用来控制机器人的转动方向等 舵机的控制方法 舵机的定位是利用脉宽调制的方法实现的 舵机可以根 据周期内高电平的持续时间 即脉宽 来完成定位 一般的舵机控制电路能够 接收周期为 20ms 脉宽为 1 2ms 的脉冲信号 脉冲的准确长度决定了舵机轴 转动的准确位置 图 1 1 目前普遍使用 PWM 占空比 即高电平在 20ms 周 期内的持续时间所占的比例来描述
10、脉宽 当舵机接收到的 1ms 的脉宽时 舵机 向某一个极限位置转动 当接收到脉宽为 2ms 的时候 舵机向另一个方向极限 位置转动 也可以说舵机的角位移与接收到的脉宽成正比 一般来说 舵机能 在 0 25 0 5 的时间内转过 60 舵机的控制原理 电位计的作用是检测舵机的输出轴是否已经转到期望位 置 电位计与舵机的输出轴相连接 这样分压计能够非常准确的反映出舵机输 出轴的当前位置 电位计输出为一个电压信号 当舵机的输出轴的位置变换时 控制电路就会从分压器接收到不同的电压信号 舵机中的控制电路将电位计的 输出的电压信号和控制脉冲信号定时比较 如果电压信号不正确就会产生误差 信号 该误差信号与电
11、位计的位置和可能告知脉冲的差值成正比 当存在误差 信号时 电机就会保持转动 直到电位计输出的电压信号和控制脉冲信号相匹 配时 误差信号被移除 电机停转 舵机的主要技术参数有力矩 回转率 工作电压 工作温度 死区等 20ms 1 2ms 图 1 1 周期为 20ms 的脉冲信号的高电平持续时间在 1 2ms 之间变化可以控制舵机的输出轴位置 舵机的应用场合 主要有多自由度机器人设计 多路伺服航模控制 电动 遥控飞机 油动遥控飞机 航海模型 高档遥控仿真车等 1 3 本文研究的工作本文研究的工作 通过对电机类型的结构和原理进行分析与比较 本课题选用舵机作为机器 人关节的本体原件 来完成的机器人关节
12、的设计与实现 以达到可以在水平和 竖直两个方向上控制机器人关节的活动效果 主要包括系统的软件和硬件设计 以及最终硬件的制作 在本文的下面一些章节会详细介绍各部分的设计过程 通过对舵机的结构原理 控制特性与机械特性的综合分析与研究 最终选 择 TowerProMG995 型号舵机 图 1 2 作为本课题的舵机本体 该型号的舵机 具有力矩大 10KG cm 输出功率高 价格合理 稳定性好等优点 图 1 2 TowerProMG995 2 系统的总体设计思路系统的总体设计思路 系统的总体设计分别包括系统的硬件设计和软件设计 下图 图 2 1 为总 的流程图 单片机 液晶显示 矩阵键盘 舵机接口 2路
13、PWM 按键处理 角度信息 图图 2 12 1 系统流程图系统流程图 3 硬件设计与实现硬件设计与实现 硬件是系统运行的基础 硬件设计是系统设计中的重要组成部分 本系统 中的硬件设计主要包括系统工作电源 液晶显示 矩阵键盘和脉冲信号产生的 电路设计过程等 3 1 主要元器件介绍主要元器件介绍 下面主要对硬件中使用的一些重要的元器件的电气特征作一下介绍 3 1 1 舵机 名 称 TowerPro MG995 外 形 40 7 19 7 42 9mm 力 矩 10kg cm 回 转 率 0 20s 60 工作电压 4 8 7 2v 温度范围 0 55 工作死区 10us 角度范围 0 90 脉宽范
14、围 1ms 2ms 3 1 2 STC89C52 由于 51 系列单片机在国内广泛使用 技术比较成熟 而且相关的开发工具 也比较普及 性能优越 所以在此也选择 51 系列的 STC89C52 单片机作为控制 机器人关节的单片机 STC89C5 系列单片机不仅性能优越 而且控制简单 价 格合理 该型号的单片机片内 EPROM 达到 8K 同时有 2 个定时器 足以承担 系统的设计需要 其他的选用的主要器件还有稳压器 7805 液晶显示器 1602 电容和电阻等 一系列电器元件 3 2 硬件的设计过程硬件的设计过程 硬件的设计过程包括硬件的电路设计和机器人关节的外形设计 根据系统将要完成的几项功能
15、考虑硬件电路设计 硬件部分所要提供的功 能有液晶显示 矩阵键盘 舵机接口 所以电路设计主要包含这几个部分以及 要完成系统工作的电压 单片机的最小系统 复位和晶振 等电路设计 下面 主要介绍重要功能模块的设计电路 3 2 1 工作电源控制电路 为了给系统各部分提供稳定可靠的直流电压 在控制系统中选用了稳压器 7805 完成对工作电压的稳定控制工作 7805 具有体积小 重量轻 可靠性好等 特点 下图 图 3 1 是为系统电源控制电路图 key 7805 12V C1C2 1 2 3 R1 5V LED 图图 3 13 1 电源控制电路图电源控制电路图 12V 的直流电压经过 7805 后转换为稳
16、定的 5V 电压后 供应整个电路的电 源系统 LED 的作用是保护 7805 防止电路回时电流过大对 7805 造成损害 3 2 2 1602 显示控制电路 系统选用 1602 SPI16 引脚 作为数据显示器件 主要用于显示舵机的当 前角度和调整角度 1602 是一种 16 2 字符型液晶显示器 引脚分为电源 通 信数据和控制三部分 可以很方便的可以与单片机进行连接 下图 图 3 2 为 1602 与 STC89C51 的接口电路图 P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 P3 2 P3 3 P3 4 GND VCC RP1 LM016L VSS VDD VEE RW E D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 RS 2 3 4 5 6 7 8 91 STC89C52 VCC 图图 3 23 2 16021602 显示电路图显示电路图 选用单片机的 P0 口作为 1602 的数据输入端口 D0 D7 P3 2 P3 3 P3 4 分别作为数据命令选择端 H L RS 读 写选择端 H L RW 使能信号端 E 上拉电阻部分 RP1 具有
