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1、 设计题目：机器人关节的设计与实现学生姓名： * 所在院系： 信息工程学院 所学专业： 计算机科学与技术 导师姓名： * 完成时间： * 摘 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
2、件主要模块的设计和实现过程，以及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较精确的控制。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 is d
3、eveloping continually. This paper studies the robot joint design and implementation based on digital servo. In this paper, the following work to complete: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 complete in the horizontal and vertical directions, respectively, the more precise control.Key words Servo, Robot
6、 joint，Pulse signal目 录1.引言31.1课题背景31.2舵机简介41.3本文研究的工作52.系统的总体设计53.硬件的设计与实现63.1主要元器件介绍63.1.1舵机63.1.2STC89C5273.2硬件的设计过程73.2.1工作电源控制电路设计73.2.21602显示控制电路设计83.2.3矩阵键盘控制电路设计93.2.4舵机与系统接口电路设计103.2.5机器人关节的外形设计103.3硬件的实现过程103.3.1电路板的设计过程103.3.2硬件的组装过程114.软件的设计与实现124.1系统软件设计流程124.2各模块程序设计124.2.1脉冲信号产生模块134.2
7、.2矩阵键盘控制模块144.3数据处理144.3.1矩阵键盘的散列转换144.3.2脉宽与角度的数据处理155.仿真与调试165.1硬件电路的仿真165.2单片机的程序调试176.总结18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。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相同。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
8、组成，模拟人的肩关节、肘关节和腕关节等的作用。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。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。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。微型机器人则是利用集成电路微细加工，将驱动器，
9、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。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，反应灵敏，小型化，标准化和模块化的趋势和发展。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部分，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
10、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。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。伺服电机是一种比较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
11、为20ms、脉宽为12ms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，一般情况下，舵机能在0.250.5的时间内转过60。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。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
12、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人设计，多路伺服航模控制，电动遥控飞机,遥控飞机
13、，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，以及最终硬件的制作。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，以及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部分的设计过程。2. 系统的总体设计系统的总体设计分别包括系统的硬件设计和软件设计。硬件设计主要是指完成系
14、统工作所必须的硬件部分电路设计以及硬件组装设计；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部分。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TowerPro公司的MG995型号舵机（图3-1）作为本课题的舵机本
15、体。该型号舵机具有力矩大（10kg/cm），输出功率高，价格合理，稳定性好等优点。其他参数还有回转率0.20s/60，工作电压4.87.2V，工作温度为055，角度范围090度等。图 3-1 TowerPro MG9953.1.2 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，硬件部分所要提供的功能有液晶显示、矩阵键盘、舵机接口，所以硬件电路设计主要包含这几个部分的功能。除此之外还有系统工作
