基于51单片机类人机器人智能巡线的设计与实现(共9页).doc

《基于51单片机类人机器人智能巡线的设计与实现(共9页).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于51单片机类人机器人智能巡线的设计与实现(共9页).doc（9页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、精选优质文档-倾情为你奉上毕业设计指导课基于51单片机类人机器人智能巡线的设计与实现摘要： 针对类人机器人如何在规定的赛道上实现智能巡线行走的问题，提出采用利用灰度传感器识别赛道，并以51单片机为核心对机器人编程控制的方法，实现该类人机器人通过识别白色光敏带赛道，遇到转弯信号能及时反馈并准确转弯的功能。通过脱机运行、步态调试和现场模拟等实验表明，基本实现类人机器人在规定赛道智能巡线行走，但存在反应调整时间长、速度较慢等问题还未有效解决。经过适当改造之后，该机器人既能克服传统类人机器人结构复杂行走不稳的缺点，又可以在一定程度上模仿人类行走动作，实现在复杂外部环境地形内探测行走的问题。关键词： 智

2、能巡线；灰度传感器；51单片机；类人机器人Design and Implementation of Intelligent Robot Tracking Control System Based on 51 SinglechipAbstract: For how the humanoid robot in the provisions of the track to achieve intelligent patrol line walking problem,proposed to use the gray sensor to identify the track and 51 single

3、-chip as the core of the robot programming control method, To achieve the type of human robot through the identification of white light-sensitive track, encountered turn signal can be timely feedback and accurate turning function. Off-line operation, gait debugging and field simulation experiments s

4、how that the basic realization of the humanoid robot in the provisions of the track intelligent patrol line walking, but there is a long time to adjust the reaction, the speed is slow and other issues have not been effectively resolved. After appropriate modification, the robot can overcome the shor

5、tcomings of the traditional humanoid robot structure complex movement instability, but also to a certain extent, imitate the human walking action, in the complex external environment to detect the problem of walking within the terrain.Keywords: Intelligent inspection line; Gray scale sensor; 51 sing

6、le chip; Humanoid robot目录第一章 引言1.1 选题背景及意义机器人技术是一项有远大前景的技术，不仅在科学、军事、工业、生活领域变得越来重要，而且智能教育机器人的研究也越来越普及。在全国机器人比赛中，主要包括器人比赛、足球机器人比赛和篮球机器人比赛，这些比赛进一步说明国家对机器人发展技术的重视。循迹机器人是机器人研究中最重要最基本的一个研究。本实验就是从机器人循迹这一最基本的方面进行研究，不仅让机器人实现循迹功能，同时让其适应环境的多变性。1.2 国内外研究现状我国从 20 世纪 80 年代中期才开始研究类人机器人，但国内类人机器人的研究在 863 计划和自然科学基金的支

7、持下也持续开展了多年。我国一些高等院校和研究机构也在近几年投入了相当多的人力物力进行类人机器人的研制工作，如清华大学于 2002 年研制的类人机器人 THBIP-1，上海交通大学于 1999 年研制的类人机器人SFHR，等等。在类人机器人的稳定性研究方面，美国的 Hemami 等人曾提出将双足步行系统的稳定性和控制的简化模型看作是一个倒立振子，从而可以将双足步行的前进运动解释为使振子直立移动的问题。为了减小控制的复杂性考虑，Hemami 等人还曾就双足步行机器人的“降阶模型”问题进行了研究。类人机器人的研究虽然取得了很多的研究成果，但目前类人机器人的双足行走速度、稳定性及自适应能力仍不是十分理

8、想。真正意义上的类人机器人不仅要做到形状与人类似，具有移动操作功能、感知功能，更要有记忆和自治能力，能够实现人机交互，甚至表达感情和某些生态上的能力。1.3本文主要研究内容及章节安排本文主要研究类人机器人的智能巡线，通过对智能机器人如何在比较复杂的道路上实现自主行走，设计出了一种利用灰度传感器引导，以51单片机为核心的智能机器人系统。该系统的机器人利用51单片机和传感器，价格低廉。主要包括系统设计、51单片机电路设计1、灰度传感器使用、机器人稳态及步态等的设计。第二章 类人机器人的设计及控制2.1 类人机器人的智能巡线系统设计机器人的机械结构设计非常重要。由于本设计采用的是交叉足方式，所以采用

9、了以下的结构设计。本设计使用的交叉足是由两个交叉的C型框组成，稳定相比窄足来说要高出一个等级，每个宽度约为10厘米。考虑到使用金属制作的C型框表面非常光滑，无法很好的在平常道路上行走。为了解决这个问题，我们先后用过纸、毛巾等摩擦力较大的东西粘在脚底，然而后来发现用纸太容易磨破，而毛巾摩擦力又大，对机器人的运动产生阻碍。最后，本方案选择了生活中常用而且价格便宜的鼠标垫作为粘在脚底的东西。将鼠标垫较为光滑的正面与脚底粘住，而摩擦力较大的背面与地面接触2。经过测试，粘有鼠标垫的机器人走路情况良好。腿部的设计主要是两腿之间的距离。不要小看两腿之间的距离，这距离也会影响机器人整体运动的效果。由于已知C型

10、框的宽度约为10厘米，经过不断的尝试，本设计最后将两腿之间的距离确定为12厘米，这样走起来相对比较稳定，效果比较好。本设计使用4个舵机，其中上面两个舵机直立，下面两个舵机平躺。在这种方式下，下面两个舵机控制脚的上下运动，而通过上面两个舵机则可以控制舵机的前进和转弯。同时，为了节省空间，我们将电池放置在支架之下，机器人的两胳膊之间，利用粘布将其粘贴在支架之上，为了使粘贴更加牢固，我们又将其捆绑上胶带加以固定舵机要求电压为6V7.4V，由于与电池标称电压一致，在中介模块上只需要设计一个转接插针即可3。传感器反馈模块、单片机核心控制模块需要5V的电压供电，本设计从电池连接一个LM7805三端稳压器将

11、电压稳定到5V左右，然后并联一个电容，使电压稳压，连接到多个排针，为以上两个模块供电。为了控制方便，本设计在电容和排针之间设置了一个开关。舵机运动模块，是该机器人的功能实现模块。通过PWM占空比实现舵机的转动，进而实现机器人的前进和转向，这是机器人运动的关键。传感器反馈模块，可以说是机器人的“眼睛”，灰度传感器部分主要检测边界白线位置，为单片机核心控制模块判断是否调整机器人路线做出决定的依据。2.2 系统的优越性智能巡线机器人开始运动的时候，机器人将严格按照所指定的路线前进。由于舵机的设计误差，可能会使机器人产生旋转角度的误差，造成其运动方向偏移，或者到达转弯地点时，传感器将自动将信号传递给单

12、片机，单片机将做出修正机器人运动方向的指令，最终实现机器人按照较为合理的路线实现直行和转弯。类人机器人是一个多自由度机构Error! Reference source not found.，尤其是腿部的自由度数直接决定了双足步态的灵活性。但为了结构上拟人以及控制的简便，应将多个自由度的旋转轴线设计为十字交叉型；考虑到不同用途机器人对不同机器人结构方案的开放性要求，运用模块化设计思想，对机器人结构进行模块化设计。设计体积小和重量轻机器人关，必须使设计的机器人关节像人一样体积小、重量轻，这样真正能实现机器人类人的外形。目前研制的类人机器人还不能摆脱人的控制而独立工作，因此，良好的人机协调系统在机器

13、人的工作中将起到非常重要的作用。故我们设计采用基本的51单片机实现人机协调控制。我们的系统设计，结构简单，体积小，重量轻，稳定性较强，成本低，方便拆卸、组装、改进等。第三章 硬件设计3.1 51单片机的电路设计利用89C51单片机的最小化应用电路Error! Reference source not found.，对舵机的信号控制版和传感器信号进行控制。锂电池给舵机供电时，一定要降压！舵机电压范围最好控制再5-7v之间！锂电池接线示意图是机器人设置好动作后，脱机运行时，一个电池同时给控制板和舵机供电的方法。在初期调试时，控制板芯片已经通过usb进行供电，就不需要锂电池再给控制板芯片供电了！3.

14、2 灰度传感器的使用传感器探测模块采用灰度传感器，可以利用不同颜色的检测面对光的反射程度不同，光敏电阻对不同检测面返回的光其阻值不同进行颜色探测，可分辨不同灰度颜色的线与地面。骑线控制法就是两个灰度传感器分别位于循迹线的两侧，当左边的灰度传感器碰到循迹线，机器人左转；当右边的灰度传感器碰到循迹线，机器人右转；否则机器人前进。压线控制法就是两个灰度传感器分别位于循迹线的两侧，另一个灰度传感器控制在循迹线上。3.3 C型足的设计C型足智能巡线走步机器人系统,以解决现有技术中的类人机器人结构复杂行走不稳的缺点，实现在复杂外部环境地形内可靠探测和稳定行走。为了解决上述技术问题,采用了如下的技术方案：足

15、模块结构为C型结构，可以增大与地面的接触面积，尽可能保证在行走过程中重心落在脚面的内部，又能减少双脚抬升高度便于交替着地，增加行走时的速度。特殊C型有效降低机器人系统重心，既能克服传统类人机器人结构复杂行走不稳的缺点，又可以在一定程度上模仿人类行走动作，实现在复杂外部环境地形内探测行走Error! Reference source not found.的问题。第四章 总结目前,类人型机器人的研究是机器人研究中一个活跃而又重要的分支。其研究涉及仿生学Error! Reference source not found.、机械工程学、人体动力学和控制科学等多门学科。在实际应用中,类人型机器人可用于放

16、射性、危险和其它对人体有害环境中取代人类劳动。类人机器人是一个多自由度机构，尤其是腿部的自由度数直接决定了双足步态的灵活性。但为了结构上拟人以及控制的简便，应将多个自由度的旋转轴线设计为十字交叉型；考虑到不同用途机器人对不同机器人结构方案的开放性要求，运用模块化设计思想，对机器人结构进行模块化设计。类人型机器人最大的特点便是步行,而步行的稳定性则是至关重要的。 在步行过程中,摆动腿落地时对地面产生冲击,造成关节的剧烈振动,影响了机器人行走的稳定性。要提高机器人的步行速度,就必须设法减少冲击振动。基于此，本系统提出一种C型足智能巡线走步类人机器人，采用改变脚面形状的方式实现在复杂外部环境地形内可

17、靠探测和稳定行走。1、足模块结构为C型结构，可以增大与地面的接触面积，尽可能保证在行走过程中重心落在脚面的内部，又能减少双脚抬升高度便于交替着地，增加行走时的速度。2、传感器探测模块采用灰度传感器，可以利用不同颜色的检测面对光的反射程度不同，光敏电阻对不同检测面返回的光其阻值不同进行颜色探测，可分辨不同灰度颜色的线与地面。所述的一种CPU模块，采用单片机及其最小系统控制电路。3、两只二自由度手臂功能拓展模块，可根据实际应用添加不同功能的实用手臂，或增加其自由度，如：添加夹取模块等。4、二自由度腿部行走模块，可以有效降低重心更好的保持系统的稳定性，便于调整步态。类人机器人CPU控制模块封装在一起

18、并与身体主干支架上端相连接，二自由度手臂拓展模块连接在身体主干支架两侧，二自由度腿部行走模块连接在身体主干支架下方，足模块与二自由度腿部行走模块相连接，在足模块同一面上安装有灰度传感器探测模块，在有效的检测距离内，发光二极管发出白光，照射在检测面上，在检测面发生反射，光敏电阻检测反射光线并将其转换为单片机可识别的高低电平输入单片机，单片机根据检测信号控制机器人行走步态，实现巡线行走。随着社会的进步和科技的发展，人类对于科技产品的依赖性日益殷切。在科技尖端的时代，机器人可应用于服务、医疗、娱乐以及教育等领域，机器人未来将成为社会不可或缺的生活伙伴。因为类人型机器人拥有与人类相仿的外表让人更易亲近

19、，同时类人型的移动对于地形起伏或狭窄空间的通过都有较好的适应能力，因此类人型机器人相较之下又更胜于一般轮型或多足机器人Error! Reference source not found.。设计体积小和重量轻机器人关，必须使设计的机器人关节像人一样体积小、重量轻，这样真正能实现机器人类人的外形。目前研制的类人机器人还不能摆脱人的控制而独立工作，因此，良好的人机协调系统在机器人的工作中将起到非常重要的作用。故我们设计采用基本的51单片机实现人机协调控制。我们的系统设计，结构简单，体积小，重量轻，稳定性较强，成本低，方便拆卸、组装、改进等。但是由于步态和机器人结构影响，目前还存在行动缓慢、受场地影响

20、较大、转弯不及时、灵敏度差等问题，仍需要我们深入学习了解，解决这些问题。参考文献1俞萍,刘苗生. 单片机的C语言分析J. 中国科技信息,2013,(18):86+97. 2王琰,郭燕. 基于C51单片机的智能循迹小车设计与实现J. 机电一体化,2013,19(08):72-76. 3耶晓东. 简易机器人寻迹的设计J. 微计算机信息,2008,(32):240-242. 4Dusko Katic, Miomir Vukobratovic.Survey of Intelligent Control Techniques for Humanoid Robots J. Journal of Intel

21、ligent and Robotic Systems, 2003,(6): 117-141.5谢涛,徐建峰,张永学,强文义. 仿人机器人的研究历史、现状及展望J. 机器人,2002,(04):367-374.6彭胜军. 双足机器人跑步运动稳定性分析与协调控制技术研究D.国防科学技术大学,2011.7姜培玉. 两足机器人动态步行研究D.西北工业大学,2004. 8钟秋波. 类人机器人运动规划关键技术研究D.哈尔滨工业大学,2011. 9Huang Q, Peng Z, Zhang W, et al. Design of Humanoid Complicated Dynamic Motion Ba

22、sed on Human Motion CaptureC.IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2005:3536-3541.10宫赤坤,菅坤杰,温新,张智斌. 双足机器人的设计与实现J. 现代制造工程,2014,(12):41-45+58. 11陈超,郑彦宁,江鹏,王玉平,周庆,徐文福. 基于两自由度模块化关节的巡线机器人设计J. 仪器仪表学报,2014,35(S2):28-35.12Y. Ogura, T. Kataoka, H. Aikawa, K. Shimomura, H. Lim,

23、A. Takanishi.Evaluation of Various Walking Patterns of Biped Humanoid Robot.Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation,Barcelona, Spain. 2005: 603-608P.13蔡自兴. 中国的智能机器人研究J. 莆田学院学报,2002,(03):36-39. 14彭朝琴,付永领,赵克,等.基于不稳定度的类人型机器人步态规划方法J.北京航空航天大学学报,2007,33(18):949-95.15姜山,程君实,陈佳品,等.基于遗传算法的两足步行机器人步态优化J.上海交通大学学报,1999,33(10):1280-1283.专心-专注-专业