按摩机器人扭腰系统的结构设计与控制.doc

1、按摩机器人扭腰系统的结构设 计与控制.doc洛阳理工学院毕业设计（论文）按摩机器人扭腰系统的结构设计与控制摘要本设计分析了当今国内外按摩机器人的发展现状及应用前景，主要研究与设 计了腰椎按摩机器人腰部扭动的结构与控制系统。根据扭腰结构的工作原理完成 扭腰系统的总体结构设计，设计了各个零件的尺寸大小及材料选择。对主要结构 的承重及结构自身重量进行分析，并对部分结构进行强度计算，完成强度校核。 设计了电机的安装位置及行程速度，选择合适的推杆电机，使之能够满足系统的 动力要求。通过Pro/ENGINNEER软件绘制出产品的三维图。通过分析扭腰系统 的控制要求，结合单片机及计算机控制技术等相关知识，选

2、择合适的元器件，设 计出控制推杆电机的电路，通过Proteus仿真软件绘制出控制电机的电路图，运用 C语言在Keil uVisioiU软件上对控制程序进行编写，将编写的程序导入到Proteus 软件中进行仿真调试。关键词：按摩机器人，推杆电机,单片机，程序洛阳理工学院毕业设计（论文）Structure Design and Control of Robot Waist MassageSystemABSTRACTThis design analyzes the current development of massage robot at home and abroad present situ

3、ation and application prospect, research and design the structure of the lumbar massage robot waist twisting and control system. According to the working principle of twisting the waist structure finish wriggled system overall structure design; design the size of each part and material selection. Th

4、e bearing of main structure and structure of its own weight to carry on the analysis, and the parts structure strength calculation, complete intensity. Design the installation position of the motor and travel speed, choose the Linear Actuator, can satisfy the system's power requirement. Through

5、the Pro/ENGINNEER software to map the products 3 d figure. Analysis wriggled system control requirements, combined with SCM and computer control technology and other related knowledge, choosing the right components designed putter motor control circuit, through the Proteus simulation software to dra

6、w out the motor control circuit, using C language software in Keil uVision4 to write a control program a program written into the Proteus simulation software debugging.KEYWORDS: massage robot, linear actuator, microcontroller, programii洛阳理工学院毕业设计（论文）前言第1章绪论11按摩机器人的背景分析12按摩机器人设计的意义13研究的基本内容与拟解决的问题131

7、按摩机器人扭腰系统研究的基本内容132设计拟解决的主要问题133设计的主要技术要求第2章 按摩机器人扭腰系统的研究方案21研究方案2丄1按摩机器人扭腰功能的实现212按摩机器人其他功能的实现2.2研究内容23研究步骤第3章 按摩机器人扭腰系统的结构设计31按摩机器人总体结构设计32按摩机器人扭腰系统的结构设计3.2.1活动板结构设计101214322轴结构设计323推杆电机的选型324按摩机器人扭腰系统的整体结构第4章 按摩机器人控制系统设计41按摩机器人控制器选择411单片机的选择412驱动芯片的选择1515151742按摩机器人控制系统电路设计421电机的驱动电路422电源电路423晶振电

8、路18181920洛阳理工学院毕业设计（论文）4.2.4复位电路21第5章 按摩机器人扭腰系统程序设计2251扭腰系统程序设计概述2252扭腰系统程序介绍225.2.1操作流程介绍225.2.2控制系统流程235.2.3系统的仿真模拟28结论30谢辞31参考文献32附录33-翻译40V洛阳理工学院毕业设计（论文）按摩机器人是近年来出现的一种新型机器人，它作为一种自动化设备, 可以帮助患者进行科学而有效的康复训练，使患者的运动技能得到很好的 恢复。目前，按摩机器人的研究主要集中在康复机器手、医院机器人系统、 智能轮椅、下肢康复机器人和按摩治疗机器人等几个方面。随着社会的发 展和人们生活水平的提高

9、，人们对按摩的需要越来越多，对按摩产品的要 求也越来越高，单纯依靠人工按摩已经不能满足社会的需要。因此按摩产 品的出现与不断更新成为开发热点。目前国内在该领域的研究相对比较局限，生产的产品功能比较匮乏， 针对腰椎的按摩产品并不多见。而且，现有产品的智能化程度并不高，自 动化程度较高的医疗设备大多数为进口设备，成品较高。按摩机器人的各种功能是由不同的结构组成实现的。本设计主要对按 摩机器人扭腰系统的结构与控制进行分析与设计，设计的产品主要治疗人 体腰椎方面的疾病。设计主要包括机器人主体结构、腰部扭动机构、驱动 机构、扭腰控制部分。本文首先分析了按摩机器人在国内外的发展及其前 景，根据人体工学原理

10、对扭腰机构进行了合理的设计；对驱动机构进行了 计算与选型，对机构荷载进行计算分析，选择合适的推杆电机，确保其能 提供机构所需要的动力；对控制系统也进行了研究与设计，控制部分主要 是控制腰部扭动角度及速度的控制，通过C语言编写相应的程序，使单片 机能控制腰部扭动所需要达到的角度及速度要求。通过仿真软件对设计的 电路图和程序进行仿真调试。本设计在研究的过程中参考了大量的文献资料，并得到了指导老师和 同学的指导和帮助，但是由于本人能力有限，在设计过程中必定会出现错 误，设计所完成的任务也未能达到设计的理想目标，敬请大家批评指正。洛阳理工学院毕业设计（论文）1.1按摩机器人的背景分析随着现代社会科技文

11、化的不断发展，人们生活压力的增大和人们水平 的不断提高，如何能在有限的空闲时间内使身体从疲惫中得到放松，并保 持身体健康已成为现代社会人们关注的热点。按摩是一种很有效的保健、 放松、治疗的手段，是传统中医治疗腰腿疼痛、关节炎症等老年性身体疾 病的有效手段，具有悠久的历史。但是由于专业按摩花费很高而且专业按 摩师人数有限，单纯依靠人工按摩不能满足社会需要。因此按摩产品的出 现与不断更新成为开发的热点。据统计，现在全世界按摩产品的销售额己 达数百亿亿美金，每年仍以30%速度增长，因此按摩机械市场的前景巨大。按摩机器人是近几年出现的一种新型机器人，它的主要作用有两方面, 一种是帮助由于生病而造成瘫痪

12、，或者因意外造成肢体运动障碍的人恢复 提高运动能力，称为按摩训练机器人。另一种是作为一种辅助装置代替失 去运动能力的肢体完成一部分动作，称为机器人假肢。按摩机器人在原理 上和工业机器人有很大的区别，它也不同于一般的体育运动训练器材。它 直接作用于人体，与人在同一个作业空间工作，人与机器人作为一个整体 而协调的运动机构。按摩机器人技术得以传化为产品对于提高患者康复质 量，减少患者的病痛，减轻社会负担具有重要的实际意义。由于各种原因 而患有一侧肢体运动障碍的患者人数很多，随着生活水平的提高对康复治 疗的需求也会越来很大，按摩机器人将有很好的市场前景。这项技术在欧 美等国家自得到普遍重视，按摩机器人

13、成果的转化可能会带动一个新兴的 机器人产业的发展，这将对国民经济的发展发挥非常重要作用，对人们的 生活水平的提高也将会起到推动性的作用。我国的设计人员在按摩机器人方面也做了不少的研究，研究的侧重点 大多都在机械的结构设计和机器人的按摩手法上。江苏大学和厦门集美大学联合研制了一种新型的医用推拿机器人。以 两个方向的平移和固定转动三个自由度的并联机构为主体，将整个机构用 移动副与固定机架相连，在平台上安装有垂直于该平台的转动副，实现了洛阳理工学院毕业设计（论文）五自由度的并联机构。如果在这个转动副的轴上安装一只“按摩手”，可完 成中医推拿的几种按摩手法。该项研究偏重于机器人的结构设计，对控制 部分

14、的研究不多。并联机构的刚度大，运动惯量小，精度高，但是工作空 间和灵活性收到了限制，对组成部件的性能要求高。1987年，英国Mike Topping公司研制成功了Handy 1康复机器人样机， 它是目前世界上最成功的一种低价、市售的康复机器人系统，目前正在生 产的Handyl机器人由5自由度机器人手臂和新型控制器组成，具有话音识 别、语音合成、传感器输人、手柄控制以及步进电机控制能力。Handyl具 有很强的通话能力，它可以在操作过程中为护理人员及用户提供有用的信 息，所提供的信息可以是简单的操作指令或有益的指示，可以用任何一种 欧洲语言表达出来。这种装置可以大大提高Handyl方便用户的能力

15、，而且 有助于突破语言的障碍。MANUS是另外一种进人市场的康复机器人，由荷 兰Exact Dynamics公司开发，该手臂具有7个自由度，包括6个旋转自由度 和1个机械手。国外关于医学机器人的研究虽然已取得了不少成就，但离生 物机器人还有相当的距离，因此还有很多工作要做。1.2按摩机器人设计的意义中医按摩是缓解和治疗各种慢性疼痛病最为有效的手段之一，按摩在 我国的医学发展史上具有悠久的历史，许多知名专家、学者通过长期的研 究与临床实践，总结了许多行之有效的按摩手法与临床经验，这些都是我 国医学界乃至全世界的宝贵资源。将中医按摩理论与现代科技结合起来设计和开发按摩机器人已经引起 了很多人的关注

16、，通过按摩机器人对人体的各个部位进行刺激，来实现增 强人体免疫系统预防疾病的能力，治疗腰腿疼痛等疾病，从而实现治疗与 预防的目的。按摩机器人扭腰系统是按摩机器人的重要组成部分，因为腰椎占据着 人体的主要部分，保持着人体的生理曲度，一旦腰椎发生疾病，就会影响 到我们正常的生活和工作，腰椎疾病的预防和调理是至关重要的。随着社会不断的发展，现在人们的生活压力越来越大，高负荷的工作 给人们带来精神压力的同时，人们的身体也遭受到了考验。经常久坐办公洛阳理工学院毕业设计（论文）室、疲劳工作的人们腰部疾病越来越多；并且，现在青少年上网时间越来 越长，腰部疾病也在逐步增加；还有老年人，老年人的腰椎疾病是经常有

17、 的。越来越多的人们开始重视个人的健康与养生，腰椎机械按摩治疗己成 为许多人的选择。由此可见，本课题研究的扭腰按摩机器人恢复人体腰部的疾病，适应 了社会的需求，对社会的发展具有重要的意义。1.3研究的基本内容与拟解决的问题1.3.1按摩机器人扭腰系统研究的基本内容本设计主要是针对腰椎的按摩机器人扭腰系统的结构设计与控制，也 就是按摩机器人扭腰结构的设计，确定结构参数和尺寸，完成推杆电机的 选型，进行结构设计，完成结构强度校核。确定零部件尺寸和总体尺寸。 分析控制系统的需求，选择合适的元器件，完成单片机的编程与调试。1.3.2设计拟解决的主要问题1. 完成按摩机器人应用调研，机器人设计方法的研究

18、；2. 进行扭腰系统结构参数和尺寸性能设计；3根据结构的重量选择合适的推杆电机；4. 进行运动控制系统选型、设计；5. 单片机程序的编写、调试。133设计的主要技术要求扭腰角度30。30° ,速度5 rad /s,釆用推杆电机驱动，上半身重 量 50kg。第2章 按摩机器人扭腰系统的研究方案洛阳理工学院毕业设计（论文）2.1研究方案2.1.1按摩机器人扭腰功能的实现随着机器人技术的不断发展，机器人的标准化、规范化程度也在不断 的提高。按摩机器人腰部工作原理是本次机器人扭腰结构设计的基础，本 节深入分析扭腰系统的工作原理，对按摩机器人扭腰系统进行设计，确保 扭腰结构的正常工作。本设计主

19、要研究针对腰椎按摩的按摩机器人的扭腰系统，本次设计用 到一个推杆电机推动腰部机构的扭动，也就是通过控制推杆电机的运动， 使人体随着结构完成一定程度的扭转，从而达到腰部按摩的目的。以下主 要详细介绍按摩机器人的扭腰动作。扭腰动作的实现主要是通过单片机控 制推杆电机，推杆电机在曲轴和活动板之间连接。当推杆电机在单片机的 控制下运动时，推杆电机推动活动板围绕活动板中间的固定轴转动一定的 角度，为使患者能够得到舒适的治疗过程，扭动角度的大小需要控制在要 求的范围内，防止因角度过大而对患者造成身体损伤或过小而达不到预期 的效果。所以在推杆电机的速度与行程都要在合理的范围内。本次研究的 课题扭腰摆动角度3

20、0。30。,角速度5度/秒，采用推杆电机驱动，上身 重量50kgo扭腰角度及速度通过单片机控制推杆电机来设定，使机器人能 够更加人性化。当角度达到最大值时，单片机有延时程序及时控制推杆电 机停止转动再进行反向运动。2.1.2按摩机器人其他功能的实现本次按摩机器人的设计共分为五部分，一共五个功能，其他四个功能 由同组的其他四名同学设计，分别是摆腰动作控制、抬腿动作控制、分腿 动作控制和拉腿动作的控制。其各自的功能如下：摆腰动作的控制：其主要功能是控制腰部的左右摆动，从而达到治疗 疾病的目的。其需要通过一个推杆电机控制患者上半身的左右摆动，使患 者的腰部扭动一定的角度。其电机安装在曲轴上，另一端固

21、定在上身的支 撑架上。通过单片机的控制，电机以适当的速度运行一定的距离，使腰部 摆动一定的角度，促进腰部的活动，从而达到按摩的目的。抬腿动作的控制：其由步进电机提供驱动力来实现功能的，设计用到洛阳理工学院毕业设计（论文）两个步进电机，分别控制两腿，使腿部能够完成上下运动。步进电机的运 动是靠单片机来控制实现的，步进电机经过减速器后在轴的一端安装上齿 轮，齿轮与下肢支撑固定座连接。通过单片机的控制，步进电机运动能实 现下肢的上下运动。从而达到对腰部及腿部的按摩目的。分腿动作的控制：分腿动作是由推杆电机提供驱动力来完成的，设计 用到两个推杆电机来控制两腿的左右运动。推杆电机安装在腰部下方的支 撑底

22、座上，另一端固定在下肢的支撑架上，两个推杆电机分别向外推动下 肢支撐座，来实现两腿的分开与合拢。由单片机来控制推杆电机的行程及 行程时间，使下肢运动一定的角度，从而达到对腰部及腿部按摩的目的。拉腿动作的控制：拉腿动作是由步进电机作为驱动动力来实现的，设 计用到两个步进电机来控制俩腿的拉腿动作。步进电机安装在下肢支撑座 上，通过拉绳经滑轮来实现拉腿动作。步进电机由单片机来控制的，运动 时拉绳拉紧腿部，通过腰部的固定来实现腿部及腰部关节的伸展，从而达 到按摩的目的。2.2研究内容本设计是针对腰椎按摩的按摩机器人，对按摩机器人扭腰系统的结构 与控制系统进行设计，主要进行按摩机器人应用调研和设计控制过

23、程的研 究，査阅相关文献资料和标准，制定扭腰结构和控制的设计方案。进行腰 部结构设计，确定参数和尺寸性能，结合其他同学的设计，确保按摩机器 人各项功能都能正常运行的同时，完成按摩机器人的整体结构设计，。本设 计要完成结构设计，结构强度计算。确定零部件尺寸和总体尺寸。然后再 进行推杆电机的选型，首先要计算出机构的负载，选择合适推力的推杆电 机。对于控制系统的设计，首先要研究分析腰部按摩所要完成的技术要求, 选择合适的单片机元器件进行编程调试，确保程序能够使电机完成所需要 的动作。完成控制主程序编程，调试所编写的程序能否满足控制需求。2.3研究步骤査阅相关资料，对机器人的发展进行调研，了解按摩机器

24、人的发展状洛阳理工学院毕业设计（论文）况。了解类似按摩机器人的模型结构，设计按摩机器人的结构，用CAD绘制 出按摩机器人的整体形状结构，描绘出各个部件的结构，结合人体的形态 结构，计算出各个部件的大小和主要尺寸，做到节约材料、合理利用资源, 同时也要做到能够满足设计需要的结构，用Pro/E画出各个零件的结构，完 成各个零部件之间的模拟组装，确保每个零件，机构之间能够合理连接起 来。结合机械设计机械原理等资料，对机器人整体机构和各个部件 的结构进行详细设计，对各部分的结构进行强度计算、校核。确定零部件 尺寸和机器人的整体结构尺寸。并绘制出各主要零件的零件图和整体结构 装配图。査找资料，并结合所计

25、算的驱动力等各方面的要求，选择合适的推杆 电机，使其能够满足机构运动所需要的驱动力。运用Keil uVisioiU软件，编写单片机控制推杆电机的程序，通过Proteus 仿真软件进行调试，以确保其能满足系统控制的需要，完成整体机构的设 计和整个设计的仿真。11洛阳理工学院毕业设计（论文）第3章 按摩机器人扭腰系统的结构设计3.1按摩机器人总体结构设计在扭腰机器人的整体结构设计中。根据扭腰机器人的用途进行造型设 计是十分重要的。合理的整体结构造型能给人们带来一定的舒适感，并且 能够使扭腰机器人的功能发挥得更好。本课题所研究的按摩机器人扭腰系统的主要作用是帮助人们治疗和缓 解腰部的关节疾病，其功能

26、要求是能够使腰部左右扭动30度，为了使设备 能够给人们带来更大的方便，根据人体高度和宽度等可以将结构设计成床 体结构，从腰部分开。上半身为活动板结构，在固定架上安装一根固定轴。 使活动板能够绕着固定轴转动。为了使本课题的结构设计能和同组其他同学的结构结合起来，经过本 组五个成员的共同研究、协商，最终确定了按摩机器人的整体结构，用Pro/E 绘出结构的三维实体图，如图31：图3-1按摩机器洛阳理工学院毕业设计(论文)人整体三维图该结构图即为本次设计的按摩机器人的总体结构图，其床体分为前、 中、后三段，病人可以平躺在上面。前段床体是上身支撑板，可以用固定 带将病人的上半身固定起来，是实现按摩机器人

27、完成扭腰和摆腰动作的工 作平台；中段床身只起到支撑臀部的作用，它在按摩过程中不进行任何运 动，主要起到支撐作用；后段床体分为左右两部分，分别支撐两腿，是按 摩机器人实现拉腿、分腿、抬腿动作的工作平台，脚踝处有固定带来固定 腿部，使患者腿部进行各种运动时能保持固定。3.2按摩机器人扭腰系统的结构设计3.2.1活动板结构设计活动板结构主要功能是承载按摩患者的上身重量，在结构设计时要做 到能够满足上半身的重量的载荷的同时，需要考虑选材的节省，结构的合 理。因此设计时选用角铁及方管，角铁又称角钢，是两边相互垂直成直角 的长条钢材。它的主要用途就是按结构的不同，根据需要组成各种不同的 受力构件，也可用作

28、构件之间的连接件。根据设计需要，参照角铁的国家 标准(GB/T97871988),选择边长50 mm,厚3 mm的角铁。方管就是方形体 的管，方管可以由很多材料做成，结合方管的国家标准(GBT30942000), 根据本设计需要，选用的的材质为Q235,选择边长为50 mm,壁厚为3 mm 的方管。结合人体上身的大致长度及宽度，男士肩膀出的宽度大约为了 520 mm, 女士肩膀的宽度大约为420 nm；人体上半身的长度从肚脐划分的话，上半 身与下半身的比例约为1 ：1.618,所以可取平均长度约为700皿。考虑到其 他因素的影响，将活动板的结构设计成长度为760 mm,宽度为680 mm。选

29、取5根长度为680 urn的角铁，其中4根角铁的中间钻直径为31的圆孔，用 来安装固定轴。其结构如图32所示：根据结构设计，用Pro/E绘制出活动板的三维图，运用Pro/E当中的 质量属性计算出该活动板的质量约等于23 kg。洛阳理工学院毕业设计（论文）心图3-2活动板结构图3.2.2轴结构设计固定轴主要是承载活动板及上身的重量，同时还要起到固定活动板的 作用，并且使活动板能在绕此轴自由转动。结合其他同学设计的按摩机器 人摆腰结构，可以将轴安装在摆腰结构设计中的曲轴上，这样既满足了本 设计的要求又不影响按摩机器人摆腰系统的运动。轴的一端设计有开口销 槽，其作用是防止固定轴在轴槽内前后移动，以免

30、影响整个支撑结构的正 常运动，固定轴结图如图33所示：洛阳理工学院毕业设计（论文）图33定轴结构图轴的主要作用是承受上边活动板以及接受按摩治疗的患者上半身的质 量的总和，由活动板结构设计一节得知轴所承受的质量为M=50+23=73 kg。 考虑到其他因素的影响，总质量定为75 kg。轴与活动板和轴支座之间的连 接是将轴穿过活动板与轴支座的孔中，并用开口销固定。其安装方式如图 34所示：AL1UT 1 754()230-II图34轴安装图由图可知，轴受到活动板四个截面的向下的压力，下面轴支座的两个 支撑力，先计算轴所受的压力：F=mg=75X10=750No由此可算出轴的抗剪强度为：4t =75

31、0X 4/ ( jt X302) =1.06MPa< t =113MPa 故满足要求。洛阳理工学院毕业设计（论文）3.2.3推杆电机的选型推杆电机又称电动推杆，它是一种将电动机的旋转运动转变成推杆的 直线往复运动的电机驱动装置。推杆电机由驱动电机、减速齿轮、螺杆、 螺母、导套、推杆、滑座、外壳及涡轮等组成，是一种新型的电动执行机 构，能够做到远距离控制和集中控制。推杆电机的应用虽然越来越广泛，但是目前它仍然属于非标准加工行 业，各厂家的产品成型系列也都是模糊的，因为大多数的客户需求不同， 例如：行程、推力、速度等。因此选择推杆电机时必须结合自己的需求进 行选择。因为推杆电机属非标准加工行

32、业，可以根据自身需求订做。根据本设 计的要求可知，腰部扭动的速度为5rad/s,扭腰的角度为30。到30。，结 合活动板结构设计可选选择电机的安装位置距中心轴的距离为150mm,则 电机的行程为170mm,要满足设计要求，速度需要到达：v“70*12 14mm/s<>根据设计书中的技术要求，人体的上半身重量假定为50 kg。由活动板 结构设计可知，活动板的质量为23 kg。根据负载选择合适的推杆电机，经 多方选择和分析选用电机为深圳市高博世科技有限公司的微型推杆电机。 该种电机的主要功能是带动其他的物体做推、拉，升、降。该电机的功率 为60W,推力1500N,该推杆电机实物图见图3

33、4：洛阳理工学院毕业设计(论文)图3-4电机实物图根据设计机构的质量以及假定患者上体质量M=25 kg+50 kg=75 kg可 知，推动此结构所需要的理论功率为：Po=MgXv=750X0.014= 10.5w；小于 电机的额定功率，所以选择该电机可以满足设计所需要的负载驱动。该推杆电机的主要参数见表3-1：3-1电机主要参数产品名称产品型号输入电压(VDC)载1F速度(min/s)行程(mm)保护等级环境 温度(°C)微型推杆电机TG-300C12150014180mmIP65-20 +70推杆电机的安装，在摆腰结构曲柄上焊接一个电机支架，用一螺栓将 电机的底电机支架上査机械设计

34、手册选取螺栓为M6X80 (GB/T5782),推 杆电机的上端用一双头螺柱与活动板连接，査阅机械设计手册选用螺柱为 M6X130 (GB/T901)。根据所承受力的大小对螺栓和螺柱进行强度校核。m - d2洛阳理工学院毕业设计(论文)抗剪强度校核公式为：所以可计算螺栓的抗剪强度为：t =1000X4/ (62X n ) =35MPa < t =113MPa;双头螺柱的抗剪强度为：t =1000X4/ (62X n ) =35MPa< t =113MPa<>所以可知选择的螺栓和双头螺柱均可满足设计的强度要求。3.2.4按摩机器人扭腰系统的整体结构根据上述几节对扭腰机构各

35、个零部件的设计，通过AutoCAD绘出扭腰系统的整体结构图，如图3-5为结构的主视图，图3-6为整体结构的侧视图:3801111 1 11-图3-5整体结构主视图#洛阳理工学院毕业设计（论文）g CI1 ftO8图36整体结构侧视图由图可以直观的看出整个扭腰系统的工作原理，活动板通过主轴与轴 支座连接在一起。推杆电机的底座安装在曲轴上，上端与活动板直接连接, 通过控制推杆电机的运动来完成按摩机器人的腰部扭动。第4章按摩机器人控制系统设计4.1按摩机器人控制器选择本设计所选用的推杆电机属于直流电机，直流电机控制器的种类有很 多，但人们用的较多的是单片机和电机驱动芯片，此二者组合在一起，外 部再加

36、上相应的元器件，组成电机的控制电路，可完成对电机的控制。4.1.1单片机的选择目前市场上流行最多的当属Intel公司的MCS-51系列单片机,MCS-51 以其典型的结构、完善的总线、SFR的集中管理模式、位操作系统和棉线15洛阳理工学院毕业设计（论文）控制功能的丰富指令系统，为单片机的发展奠定了良好的基础。在众多的 MCS-51单片机及各种增强型、扩展型等衍生品种的兼容机中，美国ATMEL 公司推出的AT89C5X系列。尤其是该系列中的AT89C51单片机在我国目 前8位单片机应用中占有相当大的市场份额。本设计所选用的为80C51中的AT89C51单片机，该单片机具有8051 内核的各种型号

37、单片机的基础，具有典型性、代表性，它也是各种增强型、 扩展型等衍生品种的基础。因此该单片机在自动控制中的应用也最为广泛。 AT89C51单片机的引脚图如图4-1所示：SOllZ> XT AL 4P0.Q/AD0XTAL2P0.1/AD1PO 2/AD2PO 3/AD3RSTPO 4/AD4 P0.5/AD5PO &AD6PO 7/AD7PSENP2 OfAG P2 1W9 P2.2/A10 P2.3/A11ALEP2.4/A12FAP2.5/A13AT89S52P2.6/A14PACKGE=DIL40P1.0P2.7/A15P3.0/RXDP1.1P3.1/TXDP1.2P3.2

38、/INT0P1.3P3.3/INT1P1.4P3.4/T0P1.5P3.5/T1P1.6P3.6/WRP1.7P3.7/RDU12Q2223837笳-J22.ZL10ll12 n14佗图4-1 AT89C51引脚图1. 其功能部件特性： 与MCS-51兼容 4K字节可编程FLASH存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年 全静态工作：0Hz24MHz 三级程序存储器锁定 128x8位内部RAM洛阳理工学院毕业设计（论文） 32可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路4.1.2驱动芯片的选择在选择电动机驱动芯

39、片时，可以选用TMS320F2407A或场效应管 IRF530,效果都还可以。但是为了使电路简化，更趋向于选择使用集成有 桥式电路的电动机专用驱动芯片，如L198N、L193D、LMD18200. ULN200 等，。这些芯片在市场上使用者较多，它们的性能比较稳定，在使用当中更 加可靠。L298N是专用驱动集成电路，属于H桥集成电路，与L293D的差别是 其输出电流较大，功率增强。其输出电流为2A,最大电流为4A,最高工作 电压为50V,是其输入端可以与单片机直接相连，从而能更方便地受单片 机的控制。L298N的引脚图如图42所示：图4-2 L298N引脚图4.2按摩机器人控制系统电路设计4.

40、2.1电机的驱动电路直流电动机驱动电路采用的是使用最广泛的“H”形全桥式电路，这种 驱动电路可以很方便实现直流电机的四象运行，分别对应正转、反转等制 动。H桥驱动电路如图43：图4-3 H桥电路图全桥式驱动电路的4只开关管都工作在斩波状态。Qi、Q4为一组，Q2、 Q3为另一组，两组的状态互补，一组导通则另一组必须关断。当Qi、Q4 导通时，Q2、Q3关断，电动机两端加正向电压，可以实现电动机的正转或 反转制动；当Q2、Q3导通时，Qi、Q4关断，电动机两端为反向电压，电 动机反转或正转制动。由选择的电机驱动芯片和所选择的“H”桥形电路可设计合理的电机驱 动电路，电机驱动电路如图44所示：图4

41、-4电机驱动电路图4.2.2电源电路整个电源供电模块是一个输出直流12V和直流5V的稳压电源电路，LM78XX系列是目前市场上非常常见的三段稳压器件。一般使用的是 T0-220 #装，本设计采用的是LM7805、LM7812,分别可以提供直流5V和 直流12V的输出电压。我们需要把交流220V转化为直流电压，直流稳压组成常有：整流变压 器、整流电路、滤波器、滤波电路和负载组成。由于我们要得到正、负电源，故我们选择变压器时，选择如图45变压 器。220V-15V图4-5变压器19洛阳理工学院毕业设计（论文）整流电路是把交流电压转成直流电压的电路，本次设计采用单相桥式 整流电路。整流电路虽然可以把

42、交流转换成直流，但是得到的输出电压时 单项脉动电压，这种电压在大多数的电子产品中是不能被接受的，因此整 流电路中要加上滤波器来改变输出电压的脉动程度。滤波器主要是有电感、电容等储能元件组成的。它的作用是尽可能地 将单项脉动电压中的脉动成分消除掉，使输出电压变为比较稳定的直流电 压。稳压电路的作用是釆取一些必要的措施，使输出的直流电压在负载电 流变化时保持稳定。通过Proteus软件，根据设计选择相应的元器件，连接电路，可以得到 电源的电路图如图46所示：图4-6电源电路图4.2.3晶振电路单片机各功能部件的正常工作离不开准确的时钟信号，都是以时钟控 制信号为基准，它控制着单片机的工作节奏。单片

43、机的CPU就是通过复杂 的时序电路来实现不同指令的功能。AT89C51的时钟信号由两种方式产 生：一种是利用芯片内部的震荡电路来产生时钟信号；另一种是由外部引 入的时钟信号。本设计所设计的振荡电路的具体连接方法如图47所示，选择的晶振频 率为12MHz,两个电容器为晶振的负载电容，分别接在晶振的两个脚上和 对地的电容，一般选择都是在几十皮法，它能影响到晶振的谐振频率和输洛阳理工学院毕业设计（论文）出幅度。本设计选取30pF。图4-7晶振电路图4.2.4复位电路复位是单片机的初始化操作，只需给AT89C51单片机的复位引脚RST 加上大于两个机器周期的高电平就可使AT89C51单片机复位。复位是

44、为确保单片机系统中电路稳定可靠的工作，单片机电路正常工 作需要供电电源一般为5V±5%,也就是4. 75V5.25V。因为单片机是时序 数字电路，它需要有稳定的时钟信号，因此在通电时，只有当VCC超过4. 75V 低于5. 25V以及晶振器稳定工作时，复位信号才被撤销，单片机电路开始 正常工作。复位电路的连接方式如图4-8所示，VCC上电时，电容充电，在10K电 阻上出现电压，使得单片一机复位；几个亳秒后，电容充满，10K电阻上电 流降为0,电压也为0,使得单片机进入工作状态。RSPS AU EA图4-8复位电路图洛阳理工学院毕业设计（论文）第5章按摩机器人扭腰系统程序设计5.1扭腰

45、系统程序设计概述硬件是控制系统的载体，程序才是控制系统的主体。系统的控制方法 与控制步骤都是通过程序来控制实现的，上一章介绍了系统的各个硬件及 其性能结构，本章将对系统的控制程序做出介绍。本次设计程序的编写是 通过Keil uVision4编写软件进行编译，本次程序的编写运用C语言汇编。 程序编写完成后，导入到Proteus仿真软件中进行调试。5.2扭腰系统程序介绍5.2.1操作流程介绍控制部分主要通过以单片机为核心的控制模块来实现系统对单片机的 控制，通过按钮开关给给单片机输入指令，单片机根据系统程序输出指令 到驱动芯片上，驱动芯片再控制推杆电机的运行。控制系统的操作示意图如图5-1所示，控

46、制开关25电动推杆洛阳理工学院毕业设计(论文)图5-1操作示意图5.2.2控制系统流程在控制系统主程序编写过程中先对单片机的各个端口进行设定，设定P2T为启动按钮，P2M为停止按钮，P1AO为正转信号，P1A1为反转信号, P1A2为PWM占空比可调节脉冲信号。设定系统初始化程序，先设定延时子程序，用来控制电机正反转的时 间。delay(BYTE ms)BYTE 1;while(ms-)for(i = 0; i< 250; 1+)_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();系统的初始化函数。void init_sys(vold)洛阳理工学院毕业设计(论文)TMOD=0

47、x01;THO=Oxff;TL0=0xf6;ETO=1;EA=1;zz=O;ff=O;pwm=O;n=0;接着编写主程序，控制电机的启动与停止。main()init_sys();ZKB=5;zz=l;ff=O;while(l)jf(s3=0)TR0=l;if (!s5)delay(30);if (!s5)TR0=0;zz=O,ff=O;洛阳理工学院毕业设计（论文）编写中断程序，计时器计算到设定的时间时给电机不同的信号使电机 自动正反转。void timerO(void) interrupt 1 using 1THO=OXFF;TL0=56;+cllck;+t;if (t>=1250) /

48、0.25 秒t=0;+n;+m;if(n>=12)zz=O;ff=O;if(n>=18)zz=O;ff=l; m=0; if(m>=40)zz=O;ff=O;if(m>=46)zz=l;ff=0;n=-28;完整程序详见附录，系统的主程序流程图与中断程序流程图如图5-2 和图5-3所示：33图5 2主程序流程图终端出现重装初值图5-3中断程序流程图5.2.3系统的仿真模拟在Keil uVision4中完成程序的编写后，将生成的.hex文件导入到Proteus软件中进行模拟仿真，仿真效果如图54所示，通过仿真模拟可以 看出，所编写的程序能够满足系统所设定的要求。tAL_&

49、gt;XTAL1XTAL2RSTPQ.TD?PSEN ALE EAATB&SS2PACkftGE-OILUlIDIS ITU31NUU?4D1$119C218IQpF0:33 口31 aC3PQ.IDI P 0202 PQ3WD3 PO.CWDi. POJ&ftDS39吏3T363531吏32R510cEH 0EHA3P2J1 P2.1J(K9P22mUP23A11P2.12叱朋43P2J6W14P2/7 炉 1SP51JRXDP3.1/TXDP32NTa P3JWNTFP3.4HTP3srriP361唾p?.?/r7»2122 曰23 J32£B26门2?

50、1112131115SENSB SEM&ft36NDD2OUT4.0UT20UT1133UOUT?1NUU7D3 rD1J1NUUTD4iNwnr图5-4仿真模拟图本文主要设计了腰椎按摩机器人扭腰结构和控制系统，在对腰椎按摩 机器人的发展应用和相关按摩机械的研究上，完成了按摩机器人扭腰结构 的设计和控制系统的设计。对按摩机器人扭腰结构设计时，根据人体腰部的转动习惯选择了腰部 转动30。的设计，利用了轴与活动板之间的转动结构，把这种转动机构设 计为扭腰结构的基础。结合推杆电机的运动特点来实现腰部的扭动，为了 适应人体的扭腰习惯，扭腰的角速度设定为5rad/s。根据负载的大小选择 确定了电

51、机的推力为1000N,根据设定的推杆电机的安装位置计算出推杆 电机的行程与速度。综合上述所有的技术要求，选择相应的电动机型号， 校核电机负载等，得出所选电机满足设计要求。本设计主要研究了扭腰系统的控制部分，控制部分的主体是对推杆电 机的行程和转动时间的控制，结合所选推杆电机的速度和行程，设计出对 推杆电机的控制电路和控制程序。本设计采用了单片机AT89C51和L298N 电机驱动芯片，用Proteus仿真软件绘制出相应的控制电路原理图和电源电 路原理图。用C语言通过Keil i】Vision4软件编写控制系统的程序。将此程 序导入到Proteus仿真软件中进行模拟仿真，仿真的结果是程序能使电机

52、完 成设计所要求的功能。洛阳理工学院毕业设计论文本设计的顺利完成离不开指导老师刘和平教授的悉心指导和大力支 持。从设计的选题、设计方案的分析和确定到论文的撰写，都离不开刘老 师的悉心指导和谆谆教诲。刘老师以严谨的治学态度、活跃的科研思想和 一丝不苟的工作作风，不断激励着我努力学习和工作。渐渐地也让我养成 了良好的治学态度，并掌握了许多行之有效的研究思路，增强了我对本专 业领域更丰富的研究方法，使我受益匪浅，这些都将是我终身的财富。在 此向敬爱的刘老师表示衷心的感谢。其次，感谢与我同一组的其他几位同学，在设计研究及论文撰写过程 中，得到了雷鸣、王晨阳、李德超、张曼等同学的各种帮助，还得到了我 室友们的大力帮助，在这段时间的设计过程中，他们在生活和工作上都给 了我非常无私的帮助，在此我对他们及我的各位同学表示衷心的感谢。特别感谢我的家人给予我的关心、理解和帮助，是他们的支持和鼓励, 才是我得以顺利完成学业。最后，感谢所有关心支持我的老师和朋友们！41参考文献1 濮良贵，纪名刚.机械设计M北京：高等教育出版社,20062 孙训方，方孝淑，关来泰.材料力学（I ） M.北京：高等教育出 版社，20093