舵机控制型机器人设计

1、-课程设计工程说明书舵机控制型机器人设计学 院 机械工程学院专业班级 2021级机械创新班姓 名 吴泽群 王志波 嘉恒 袁土良 指导教师 王苗苗 提交日期 2021年4 月1日 . z-华 南 理 工 大 学 广 州 学 院任 务 书兹发给 2021级机械创新 班学生吴泽群 王志波 嘉恒 袁土良 ?产品设计工程?课程任务书，容如下： 1. 题目： 舵机控制型机器人设计2.应完成的工程： 1.设计舵机机器人并实现运动 2.撰写机器人说明书 3.参考资料以及说明：1 桓.机械原理M.第六版;高等教育，20012 铁，琳，杞仪.创新思维与设计M.国防工业，20053 周蔼如.林伟健.C+程序设计根底

2、M.电子工业.2021.7 4 唐增宏.常建娥.机械设计课程设计M.华中科技大学.2006.4 5 琳.杞仪.机械原理M.中国轻工业.2021.8 6 何庭蕙.黄小清.陆丽芳.工程力学M.华南理工大学.2007.1 4.本任务书于 2021 年 2 月 27 日发出，应于 2021 年 4月 2 日前完成，然后提交给指导教师进展评定。 指导教师导师组签发 2021年 月 日. z-评语：总评成绩：指导教师签字：年 月 日. z-目 录摘 要1第一章 绪论21.1机器人的定义及应用围21.2舵机对机器人的驱动控制2第二章 舵机模块32.1舵机32.2舵机组成32.3舵机工作原理4第三章 总体方案

3、设计与分析63.1 机器人到达的目标动作63.2 设计原则63.3 智能机器人的体系构造63.4 控制系统硬件设计63.4.1中央控制模块73.4.2舵机驱动模块73.5机器人腿部整体构造8第四章 程序设计94.1程序流程图94.2主要中断程序94.3主程序11参考文献13附录14一程序14二硬件图17. z-摘 要机器人是上个世纪中叶迅速开展起来的高新技术密集的机电一体化产品，在兴旺国家，工业机器人已经得到广泛的应用。随着科学技术的开展，机器人的应用围也日益扩大，普及工业、国防、宇宙空间、海洋开发、医疗康复等领域。进入21世纪，人们已经越来越亲身地感受到机器人的深入生产，深入生活，深入社会的

4、坚实步伐。 机器人技术在不断开展提高，机器人系统中的驱动装置也在不断更新，用以满足更高的控制要求。舵机就是在机器人驱动装置开展中诞生的新型驱动装置。 本次课程设计应用MG995舵机与C51单片机来对二足机器人完成一系列制定的动作，用单片机实现了对舵机的控制，概述了程序控制思路。基于舵机实现对二足机器人关节控制信号产生，关节摆动速度和角度还有同步运动的控制，使其能完成如向前行走、向后行走、蹲下、起立、检测障碍等一系列动作。次设计可用于学校机器人教学，还可以用于机器人玩具产品开发等领域。关键词：二足机器人；MG995舵机控制；动作设计；C51单片机第一章 绪论1.1机器人的定义及应用围机器人是能自

5、动执行工作的机器装置。既可以承受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据人工智能技术制定的原则行动。它的任务是协助或取代人类的一些工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。 国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般说来，人们都可以承受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器，是一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。机器人的产生是一个科学技术开展的综合结果，也是生产力开展的必然结果，人们总是期待有种机器能够代替我们去从事复杂和繁重的体力劳动，社会的开展总是需要进展大批量的生产制造，需要不断

6、的提高生产效率，可以说机器人是为了满足我们的开展需要而创造出来的。而后开展的各种各样的机器人也是由于人类的需要所设计的，随着人们需求角度的增加，各种各样的机器人还会在今后问世。 我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并效劳于人类的各种先进机器人，包括：效劳机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人等。1.2舵机对机器人的驱动控制机器人上身的手臂构造是由多舵机组成的。舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于需要角度不断变化并可以保持的控制系统。在机

7、器人机电控制系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。舵机可以在微机电系统和航模中作为根本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。舵机与外界的连接端口只有三端，其中与单片机的接口只有一端，称之为控制线，另外两端分别接电源与电源地，为电源线与地线。舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。本设计的二足机器人的6个运动关节都是用舵机实现，设计机器人的动作其实就是对构造机器人关节舵机的一个控制过程。第二章 舵机模块2.1舵机舵机是一个闭环控制系统。其输入信号为周期为20Ms，脉宽变化围为0.5Ms到2.5Ms的PWM波。PWM信号经过解调后得到一个直流偏置

8、电压，舵机中的直流电机与一个电位器相连，直流电机的转动带动电位器转动，电位器又可以输出一个电压这是反响信号，直流偏置电压与这个电位器得到的电压经过电压比较器后得到的电压差输入控制芯片中，来完成对对舵机的控制。所以对舵机的控制，即对PWM波形的控制。以上说的是位置伺服舵机的原理，其实速度伺服舵机的原理是小异的，只不过随直流电机转动的电位器变成了事先固定好的电位器或电阻，输出一个固定的电压，这个电压对应的就是使舵机停转的PWM信号得到的直流偏置电压值，所以也可以通过调整这个电压的值，来调整舵机停转的PWM脉宽。 当PWM的脉宽为0.5Ms或2.5Ms时，舵机正转或反转的速度最快，当脉宽越接近1.5

9、Ms时转速越慢，当脉宽为1.5Ms时舵机停转2.2舵机组成图2-1舵机部构造舵机的输入线共有三条，如图2-1所示，红色中间，是电源线，一边黑色的是地线，这辆根线给舵机提供最根本的能源保证，主要是电机的转动消耗。电源有两种规格，一是4.8V，一是6.0V，分别对应不同的转矩标准，即输出力矩不同，6.0V对应的要大一些，具体看应用条件；另外一根线是控制信号线，Futaba的一般为白色，JR的一般为桔黄色。另外要注意一点，SANWA的*些型号的舵机引线电源线在边上而不是中间，需要识别。但记住红色为电源，黑色为地线，一般不会搞错。本次用的舵机型号为MG995，接地线为褐色，控制线为橙色。2.3舵机工作

10、原理控制电路板承受来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反响电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反响电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进展反响，然后控制电路板根据所在位置决定电机转动的方向和速度，从而到达目标停顿。其工作流程为：控制信号控制电路板电机转动齿轮组减速舵盘转动位置反响电位计控制电路板反响。流，才可发挥舵机应有的性能。舵机的控制信号周期为20MS的脉宽调制PWM信号，其中脉冲宽度从0.5-2.5MS,相对应的舵盘位置为0180度，呈线性变化。也就是说，给他提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持一定对应角度上，无论

11、外界转矩怎么改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应位置上如图7所求。舵机部有一个基准电路，产生周期为20MS，宽度1.5MS的基准信号，有一个比出较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而生产电机的转动信号。由此可见，舵机是一种位置伺服驱动器，转动围不能超过180度，适用于那些需要不断变化并可以保持的驱动器中，比方说机器人的关节、飞机的舵面等。图2-2 舵机输出转角与输出脉冲的关系第三章 总体方案设计与分析3.1 机器人到达的目标动作1） 外形与人手相似，包括肩、上臂、下臂、手腕及手等几局部；2） 双手可以做出各种简单的动作并实现自主行走的功能；3

12、.2 设计原则本工程中的机器人，它不但具有人类的外形特征，手臂能实现各种不同的动作，要求本钱低廉，功能相对来说也比较单一，因此在保证性能的情况下，我们尽量不要采用高档的材料和元器件。基于以上的考虑，我们有下面几条设计原则： 1)经济性：在满足功能的前提下尽可能采用简单的方案，使用常见的、供应丰富的材料和元器件，以降低生产本钱： 2)可靠性：机器人的使用环境比较恶劣，有电机启制动火花对无线通讯及控制系统的干扰，有可能遇到的碰撞以及关节被卡住造成电机堵转等各种情况，对机器人控制系统提出了一定的要求。 3)易维护性：包括机械维护和控制系统软硬件维护。机械上尽可能采用模块化设计方法，减少零部件种类，提

13、高通用性，便于安装拆卸，同时也可以提高可靠性和经济性。控制系统软硬件设计同样采用模块化设计，便于检测调试。 4)强壮性：机器人的手臂都是由各个关节起来的，对刚性的要求比较高。在机械设计上，机器人应具有较好的刚性和较小的传动间隙，不至于发生严重的机械变形，各种接插件不能松动、脱落。3.3 智能机器人的体系构造机器人的体系构造是定义一个智能机器人系统各局部之间相互关系和功能分配,确定一个智能机器人或多个智能机器人的信息流通关系和逻辑上的构造。本设计的控制系统是以微处理器为根底,采用二级构造,即协调级和执行级。协调级实现和外界环境的信息交换功能,包括人2机信息交换、外界环境信息的获取和处理、生成控制

14、指令等功能;执行级实现对各个关节进展伺服控制,将承受的控制指令,分解成各关节的坐标,并对执行器进展伺服控制。3.4 控制系统硬件设计按照机器人控制系统构造,设计控制系统硬件构造由中央控制模块、舵机驱动模块组成。3.4.1中央控制模块该模块是整个控制系统的核心,采用微处理器AT89S52为核心构成,负责输入数据处理、舵机协调动作处理和显示数据处理等功能。 机器人控制系统是一种典型的多轴实时运动控制系统。传统的机器人控制系统根本上是设计者基于自己的独立构造和生产目的而开发，它采用了专用计算机、专用机器人语言、专用微处理器的封闭式体系构造。这种构造的控制器存在制造和使用本钱高，开发周期长，升级换代困

15、难，无法添加系统的新功能等一系列缺点。该系统基于TRIO运动控制卡的开放式构造机器人控制系统，采用IPC+DSP的构造来实现机器人的控制。这种机器人控制系统采用开放式硬件、软件构造，可以根据需要方便地扩展功能，具有良好的开放性和扩展性，能适应于不同类型机器人或机器人自动生产线。通过运动控制卡在工业机器人控制系统中的应用，根据运动控制的相关理论和直流伺服电机的具有不易受干扰、易于用微机实现数字控制、无积累误差等特性以及其动作迅速、反映快、维护简单、可实现过载自动保护等特点作为相关背景的根底之上提出了基于TRIO运动控制卡的自动化程度和定位精度均较高的工业机器人控制系统。这种机器人控制系统的重要特

16、点在于它采用通用个人计算机加DSP多控制回路的开放式体系构造以及它的网络控制特性。图3-1 51单片机最小系统3.4.2舵机驱动模块舵机是一种位置伺服的驱动器。控制电路板承受来自信号线的控制信号,控制电机转动机带动一系列齿轮组,减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反响电位计是相连的舵盘转动的同时,带动位置反响电位计,电位计将输出一个电压信号到控制电路板,进展反响。然后控制电路板根据所在位置决定电机转动的方向和速度，从而到达目标停顿。其工作流程为控制信号控制电路板电机转动齿轮组减速舵盘转动位置反响电位计控制电路板反响。才可发挥舵机应有的性能。控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片,获得直流偏

17、置电压。它部有一个基准电路,产生周期为20ms,宽度为1.5ms的基准信号,将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较获得电压差输出。最后电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时,通过级联减速齿轮带动电位器旋转,使得电压差为0，电机停顿转动。当然我们可以不用去了解它的具体工作原理,知道它的控制原理就够了。就象我们使用晶体管一样,知道可以拿它来做开关管或放大管就行了,至于管的电子具体怎么流动是可以完全不用去考虑的。1电机参数：空心杯电机； 金属齿轮构造； 双滚珠轴承； 连接线长度30厘米； 2技术参数: 尺寸：40mm*20mm*36.5mm 重量：62g 技术参数：无负载速

18、度0.17秒/60度(4.8V) 0.13秒/60度(6.0V) 扭矩：13KG 使用温度:-30+60摄氏度 死区设定:4微秒 工作电压:3.0V-7.2V；3.5机器人腿部整体构造图3-2机器人下半局部共有4个舵机，其中脚部两个，主要实现抬腿功能；腿部两个，主要实现向前前进功能。第四章 程序设计4.1程序流程图图4-14.2主要中断程序void tt1() interrupt 1 /右脚迈出 if (k<*1) a1=1; a2=1; else a1=0; a2=0; /左脚抬起 if(k<*3) a3=1; else a3=0; /右脚抬起 if (k<*4) a4=1

19、; else a4=0; /手部动作 if(k<*5) a5=1; a6=1; else a5=0; a6=0; if (c=10000) k=0; *4=16; if(c=15000) k=0;*3=10;*5=13; /2秒后左脚迈出 if (c=20000) k=0;*1=12; if(c=25000) *3=8; /3秒循环一次 if(c=30000) k=0; c=0; *1=22; *4=13; *5=22; k+; c+;本次设计机器人行走的思路主要是模仿人走路。中断函数设定为0.1毫秒执行一次。因此，给K一定的值便可以实现舵机转一定的角度，K的变化围为5<k<

20、25。由于走路时，需要两脚与地面的摩擦力不同，才能带动身体前行，因此，当迈出一只脚时，需要同时抬起脚，才能实现走路，否则机器人只会在原地踏步。机器人行走的过程中，手部也不停摇摆。4.3主程序void main() TMOD=0*02; TH0=156; TL0=156;/定时0.1毫秒 EA=1; ET0=1; TR0=1; while(1);函数采用定时器2计时方式，定时0.1毫秒，计算方式为256-100=156，高四位和低四位都为156。参考文献1 桓.机械原理M.第六版;高等教育，20012 铁，琳，杞仪.创新思维与设计M.国防工业，20053 周蔼如.林伟健.C+程序设计根底M.电子工业.2021.74 唐增宏.常建娥.机械设计课程设计M.华中科技大学.2006.45 琳.杞仪.机械原理M.中国轻工业.2021.86 何庭蕙.黄小清.陆丽芳.工程力学M.华南理工大学.2007