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1、礼仪机器人控制系统的研究和设计摘要：本文设计研究了一种礼仪机器人的控制系统，该系统基于凌阳16位系列的SPCE061A单片机，整个机器人机构共有7个自由度，采用二相混合式步进电机驱动，并通过二个红外传感器和一个光电传感器来检测信号，从而实现礼仪机器人的各种功能。该系统采用高级语言C语言编程，并在nSP集成开发环境IDE中编辑、编译、链接、调试以及仿真。关键词： 礼仪机器人，控制系统，SPCE061A单片机，步进电机，红外传感器，光电传感器Abstract: A kind of system for formal robot control was studied and designed in
2、 this paper. The system is on the base ofnSP single-chip computerSPCE061A. The robot has seven free degrees and the executive mechanism employ 2-phase hybrid stepping motor. The system for formal robot detects signals, which are based on two infrared sensors and a photoelectric sensor. The formal ro
3、bot system adopts C programming, and is edited ,built, debugged, emulated innSP integrated exploitable condition IDE.Keywords:A control system of formal robot, Single-chip computerSPCE061A, Stepping motor, Infrared sensor, Photoelectric sensor.前 言“机器人”这个词，是捷克斯洛伐克剧作家卡雷洛查普茨在1920年发表的著作罗萨姆万能机器人公司RUR中，首先
4、创造出来的，书中的机器人是一种不能进行思考，只会从事劳动的人。实际上能够代替人在工厂劳动的机器人，是在20世纪60年代出现的。伴随着硬件和软件的不断进步，直到20世纪80年代，机器人才真正获得了普遍的应用。今天，机器人不仅在工厂中，就是在办公室内和家庭中也得到了广泛的应用。由于计算机的不断发展，不能进行思考的机器人也开始具有了学习的能力，逐渐变成了聪明伶俐的机器人。这样，机器人不仅在产业界获得了广泛的应用，而且还渗透到了人们的家庭生活中，支撑机器人的技术，是一种综合性的技术，包括机械工程学电气工程学控制工程学信息工程学甚至人类工程学等广泛的领域。本文从控制的角度，介绍礼仪机器人的控制系统硬件的
5、组成：包括微控制器的选择传感器电动机等，机器人应用程序的编制调试元器件的选择和组装等。本文首先在第一章中介绍了礼仪机器人控制系统的总体设计思路，包括控制系统的概述、控制系统的执行流程、控制系统的结构。第二章中介绍了礼仪机器人控制系统的硬件设计，包括微处理器的选择、人体热释电红外传感器的介绍和设计、漫反射式光电传感器的介绍、接线板电路的设计和焊接、I/O口的分配。第三章中介绍了礼仪机器人控制系统的软件设计，包括IDE集成开发环境、礼仪机器人几个动作的程序设计、控制系统的总程序。在最后一章中写了本文的结论。最后，请允许我向指导老师尹志强老师表示衷心的感谢，同时对礼仪机器人设计过程中所有付出劳动的同
6、学表示深深的敬意。目 录前 言第一章 礼仪机器人控制系统的总体设计思路第一节 控制系统概述第二节 控制系统的组成和执行流程第三节 控制系统的结构第二章 系统硬件设计第一节 微处理器的选择第二节 步进电机和驱动器的选择第三节 人体热释电红外传感器的研究和改造第四节 漫反射式光电传感器的介绍第五节 接线板电路的设计和焊接第六节 I/O口的分配第三章 控制系统的程序编制第一节 集成开发环境第二节 礼仪机器人几个动作的程序设计第三节 控制系统总的调试程序第四章 结 论参 考 文 献致 谢附 图第一章 礼仪机器人控制系统的总体设计思路第一节 控制系统概述随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传
7、统的控制扩展为控制处理数据处理以及数字信号处理(DSP)等领域，凌阳单片机就是为适应这种发展而设计的。它的内核采用凌阳推出的nSP16位微处理器芯片。礼仪机器人的控制系统就是基于凌阳16位单片机SPCE061A，同时采用二个红外传感器，一个光电传感器构成信号检测系统。控制系统的主要内容有：1 功能控制：功能控制是自动读入控制信息，使控制系统确立相应的工作状态，从而控制机器人发生相应的动作。如：机器人问好走向前抬手握手告别以及手动调整功能控制等。2 信号检测处理：信号检测是在系统运行过程中检测人体信号，如：远距离红外人体检测，近距离红外人体检测，握手是光电人体接近信号检测;信号处理就是对系统运行
8、过程中所取得的状态信号进行分析处理，从而控制机器人相应动作，并能实现机器人的各种功能。3 控制系统程序编制：按照控制系统的执行流程，在计算机IDE集成开发环境软件中编制控制系统的程序，并按照计算机PROBE用户目标板三者之间的接线图将计算机与SPCE061A板连起来，完成在线调试，最后将程序下载到SPCE061A板上。第二节 控制系统的组成和执行流程本系统为开环系统，是以SPCE061A高速单片机作为控制单元，以步进电机作为执行单元。整个控制系统由7个步进电机，两个红外传感器，一个光电传感器组成，位置分布如图1-1所示，其中头部有两个电机，一个用于实现点头动作，另一个用于实现摇头动作，右臂中有
9、2个电机，大臂处有一个，小臂处有一个；还有两个步进电机在脚部，用于实现礼仪机器人的行走动作。实物图见附图1和附图2：图1-1电机、传感器的位置分布图首先，按照人体正常的身态动作，在计算机上编制出机器人的信号检测程序，步进电机转动程序，并按照系统的要求组成整个系统程序，然后在计算机上进行编译、调试，并最终下载到SPCE061A板上。整个礼仪机器人的流程动作：首先给机器人上电单片机开始工作初始化程序等待调整(结束)扫描远距离信号检测端口(如果远距离红外传感器检测到有人走进它的检测范围，则向来人问好；如果没有人走进它的检测范围，则一直执行扫描端口)扫描近距离红外信号检测端口(如果来人走进它的检测范围
10、，则机器人走向来人，并抬起右手等待与来人握手，同时对来人说“欢迎光临！” )手部光电传感器信号(如果检测到友人握到了机器人的手，则机器人执行与人握手动作，当人手撤离后，机器人收回手臂，并向人告别)退回到原始位置。整个流程中后一个动作都是以前一个动作已经执行为前提。礼仪机器人的整个流程图如图1-2：图1-2控制系统流程图第三节 控制系统的结构控制系统主要由凌阳16位单片机驱动器步进电机传感器四大部分组成，其结构如图1-3所示：也可分为硬件部分和软件部分。硬件是指凌阳16位单片机SPCE061A本身及外部设备如：接线板步进电机传感器等；软件是指实现礼仪机器人各种功能的专用控制程序，是根据礼仪机器人
11、的功能机械结构尺寸，以及正常人的身态动作在计算机上编制的程序。执行元件是步进电机，它能把单片机存储器中的程序变成礼仪机器人的各种动作。下面分别把硬件软件和执行机构进行详细介绍。图1-3 控制系统结构图在硬件方面，控制系统主要由凌阳16位单片机SPCE061A传感器接线板驱动器及电源组成。凌阳16位单片机是整个控制系统的指挥部，所有机器人的程序都存储在单片机上，单片机根据传感器检测到的信号向步进电机发出相应的各种指令，从而实现机器人的功能。接线板是为了接线方便，把单片机的32个I/O口以及两个高电平，两个低电平引脚从单片机引到一块电路板上，接线板上还有光电隔离电压变换108W的音频功率放大电路，
12、它是单片机和被控对象进行信息交换的必由之路。由于采用四通的步进电机，它自带有步进电机驱动器，并且可以在驱动器上实现转速调整和电流调整等操作。它有A+A-B+B-四个接口与电机相接，有两个电源线接口，还有三个控制口，公共端接高电平，脉冲信号和方向信号线分别与单片机I/O口相接，用于实现单片机对步进电机方向和速度的控制。电源是由市场上购买的三个12V蓄电池串联而成的，总电压为36V。需要12V或24V电源直接从蓄电池上引出去。至于单片机所需要的5V电源有三节干电池提供。传感器主要有三个，一个远距离红外人体感应传感器，一个近距离红外人体感应传感器，它们都是由红外报警装置“电子狗”改造而成。光电传感器
13、是在市场上购买的。图1-4 计算机PROBE用户目标板三者之间的连线图软件是机器人整个控制系统的神经中枢，机器人的所有功能都是在软件的指导下完成的。本控制系统的软件可分为两部分，即机器人的动作部分程序和语音部分程序。机器人动作部分程序是采用C语言按照机器人的功能要求编制的，主要有电机控制程序和信号检测程序，语音部分程序由另外一位同学负责编制。凌阳16位单片机SPCE061A的开发是通过在线调试器PROBE实现的。它既是一个编程器，又是一个实时在线调试器。它利用了SPCE061A芯片内置的在线仿真电路ICE(in-circuit emulator)接口和凌阳公司的在线串行编程技术。PROBE工作
14、于凌阳IDE集成开发环境软件包下，其5芯的仿真头连接到目标电路板上SPCE061A的相应引脚，直接在目标电路板上的CPUSPCE061A上调试，运行用户程序。PROBE的另一头是标准的25针打印机接口，可直接连接到计算机打印口与上位机进行通信，在计算机IDE集成开发环境软件包下，完成在线调试功能，图1-4是计算机PROBE、用户目标板三者之间的连线示意图。本系统采用步进电机作为执行元件，它将单片机发出的每一个脉冲信号变成一定量的角位移，从而完成机器人的各种动作功能。本系统选用步进电机作为执行元件基于以下考虑：1. 步进电机价格低廉，同直流伺服电机相比，步进电机价格要低廉的多。2. 步进电机的步
15、距角不受各种干扰因素的影响，如：电压的大小电流的数值波形和温度的变化等，都不会影响步距角。也就是说转子的速度主要取决于脉冲信号的频率。3. 没有长期累积误差，步进电机每走一步转过的角度(实际步距角)与理论步距角之间总有一定的误差，从某一步到任何一步，即走任意一定的步数后，也总有一定的累积误差，但它每转一周的误差为零，所以步距角的误差不会长期积累下去。4. 一旦停止送脉冲信号，只要维持通过绕组不变，电机就可以保持在其固定的位置上，也就是说，步进电机具有较高的“箱位”能力。5. 转子的转动惯量小，起、停的时间短，一般在信号输入几毫秒至几十毫秒内就能使电机转动，信号切断后，电机立即停止转动。6. 改变输入脉冲频率，电机的转速随之变化。因此可以实现平滑的无级调速。第二章 系统硬件设计第一节 微处理器的选择任何一个控制系统都是由硬件和软件组成。硬件是控制系统的基础，其性能的好环直接影响着整个控制系统的工作性能。本系统的微处理器采用凌阳16位单片机SPCE061A
