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1、word设计题目：机器人关节的设计与实现学生某某： * 所在院系： 信息工程学院 所学专业： 计算机科学与技术 导师某某： * 完成时间： * 摘 要机器人关节是机器人的根底部件,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开展，机器人关节也在不断开展。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，在设计中参加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展了简要说明，并详细介绍
2、了软硬件主要模块的设计和实现过程，以与重要模块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，能够完成在水平和竖直方向的比拟准确的控制。关键词 舵机，机器人关节，脉冲信号Abstract Robots joint, is a basic part of robot, whose performance will directly affect a robot. With the development of electronic technology such as digital servo, the technology of robot joint i
3、s developing continually. This paper studies the robot joint design and implementation based on digital servo. In this paper, the following work to plete:In order to achieve activities Joint accurate positioning and fine-tune based on the input angle, the design adding a matrix keyboard to control t
4、he system. Hardware structures designed 2-way pulse hardware control based on STC89C52 circuit system. Then, the paper briefly describes the editing software and debugging tools by the system. This paper introduces the design and implementation of the main modules of hardware and software, and impor
5、tant part of the specific process of debugging and simulation. Finally, according to the results of software and hardware design, produced a polar structure of the robot joints which can plete in the horizontal and vertical directions, respectively, the more precise control.Key words Servo, Robot jo
6、int，Pulse signal / 目 录33455666777891010101011121212131414141516161718致 谢19参考文献20附录121附录2211. 引言从一战以来，机器人学和飞机、火箭、计算机等一样，也日益开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。1.1 课题背景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也都各不一样。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。工业
7、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。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如此其关节可以分为上肢关节和下肢关节。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、多指灵巧手与手臂和灵巧手的组合。仿人双足型主要研究步行机构与步行特性，下肢关节结构是步行质量好坏的关键。微型机器人如此是利用集成电路微细加工，将驱动器，关节传动装置以与传感器控制器和电源等集成在很小
8、的多晶硅上。工业机器人与仿人机器人的肩、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。总体来看机器人关节呈现出大力矩，高精度，反响灵敏，小型化，标准化和模块化的趋势和开展。1.2 舵机简介在机器人关节的设计中，电机是至关重要的一局部，电机就像是机器人关节的肌肉，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；步进电机如此是通电后主轴
9、转动某一个角度后，然后停止。直流电机和步进电机都是开环反响系统，也就是在电机转动的过程中并不知道电机终究转过了多少角度。伺服电机是一种比拟特殊的连续转动电机类型。伺服电机转动的角度可以通过控制电路反响，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。伺服电机是一种闭环反响系统，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。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
10、，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拟，如果电压信号不正确就会产生误差信号。该误差信号与电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。图1-1 周期为20ms的脉冲信号的高电平持续时间在12ms之间变化可以控制舵机的输出轴位置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。舵机的应用场合，主要有多自由度机器
11、人设计，多路伺服航模控制，电动遥控飞机,遥控飞机，航海模型，高档遥控仿真车等。1.3 本文研究的工作通过对电机类型的结构和原理进展分析与比拟，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。系统主要包括硬件设计和软件设计，以与最终硬件的制作。硬件设计主要包括液晶显示模块，矩阵键盘模块和舵机与单片机的接口模块，以与最后的机器人关节外形设计。与硬件设计相对应的，软件设计主要包括液晶显示模块，矩阵键盘模块和舵机的脉冲形成模块。在本文的下面一些章节会详细介绍软硬件各局部的设计过程。2. 系统的总体设计系统的总体设计分别包括
12、系统的硬件设计和软件设计。硬件设计主要是指完成系统工作所必须的硬件局部电路设计以与硬件组装设计；软件设计主要是指单片机的程序设计。硬件设计主要包含液晶显示，矩阵键盘和舵机接口三大局部。图2-1为系统框图。图2-1 系统框图3. 硬件的设计与实现硬件是系统运行的根底，硬件设计是系统设计中的重要组成局部。本系统中的硬件设计主要包括系统工作电源电路设计，1602液晶显示电路设计，矩阵键盘和舵机与系统接口的电路设计等。3.1 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，工作电压4.87.2V，工作温度为055，角度X围090度等。图 3-1 TowerP
13、ro MG9953.1.2 STC89C52由于51系列单片机在国内广泛使用，技术比拟成熟，而且相关的开发工具也比拟普与，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，足以承当系统的设计需要。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考虑硬件电路设计，硬件局部所要提供的功能有液晶显示、矩阵
14、键盘、舵机接口，所以硬件电路设计主要包含这几个局部的功能。除此之外还有系统工作的电压电路，以与机器人关节的外形设计等。下面详细介绍重要功能模块的设计。3.2.1 工作电源控制电路设计为了给系统各局部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。图3-2是为系统电源控制电路图。12V的直流电压经过7805后转换为稳定的5V电压后，供给整个电路的电源系统。为了防止电路回时电流过大对7805造成损害，在电路中选用二极管保护7805。图3-2 电源控制电路图3.2.2 1602显示控制电路设计系统选用1602SPI16
15、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，采用电路模块封装，控制器大局部为HD44780，带有标准的SIP14引脚无背光或SIP16引脚带背光，芯片和背光电路工作电压与单片机兼容引脚分为电源、通信数据和控制三局部，可以很方便的可以与单片机进展连接。数据命令选择端(H/L)RS，读/写选择端H/LRW，使能信号端E。上拉电阻局部RP1具有限流的作用。图3-3为1602与STC89C52的接口电路图。图3-3 1602显示电路图3.2.3 矩阵键盘控制电路设计本系统的矩阵键盘主要是用于定位调整和加减微调舵机角度两项功能。电路图3-4为矩阵键盘的控制电路。选用STC98C52单片机的P2口作为矩阵键盘的控制端口。按键09为数字按键，主要用于定位舵机角度的输入。键D1+，D1，D2+，D2分别控制舵机1和舵机2微调。确定键，当输入舵机需要定位的角度后，按下确认键后，舵机开始运转。取消键，用于取消输入的定位角度未按确定键前。图3-4 矩阵键盘电
