拟人机器人运动设计及制作 - 图文(8)

东北电力大学本科毕业论文 ●创建基准平面。 ●孔加工 ●零件装配

本章主要介绍了三维绘图软件Pro/e的界面和部分模块功能，描述了拟人机器人各部分模型的建模方法并给出了拟人机器人的整体装配造型。

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第4章 机器人的制作

第4章 机器人制作

4.1 材料与型材选择

4.1.1 机器人结构材料的选择

机器人制作前，必须选择用于机器人本体的主要结构材料。在进行机器人

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东北电力大学本科毕业论文 制作时，特别要确定它自身的大小、轻重等，这就需要选择合适的材料来满足要求。对机器人本体材料选择，不仅仅有助于确定它的强度、重量、尺寸，而且确定了整体结构的难度水平、可能需要的特殊工具以及达到可接受结果所需要的技术水平。因此在选择材料时，一般是根据机器人以下原则进行挑选： （1）零部件的形状、大小有何要求 （2）零部件需要多大的强度； （3）要选择多大重量的零部件

机器人的设计和制作要求，所以应在充分掌握机器人特性和各组成部分的基础上，从设计思想出发。机器人本体是被用来支承、连接、固定机器人的各部分，也包括机器人的运动部分。拟人双足机器人腿部是运动的，其整体也是运动的，所以，机器人运动部分的材料质量要轻。拟人双足机器人的结构设计成左右对称，高度适当，比例协调，确保结构紧凑。关节连接件的设计合适，既要保证机器人行动起来灵活自如，动作顺滑平稳，又要具有一定的承受负载能力。

所以选用了密度较小的制作，因为亚克力板易于加工，质量又轻，不会增加机器人的承载负担。

这里简单介绍一下亚克力板，\亚克力\是一个音译词，英文是ACRYLIC。它是一种化学材料。化学名叫做\属丙烯醇类，俗称\经过特殊处理的有机玻璃\，在应用行业亚克力的原材料一般以颗粒、板材、管材等形式出现。亚克力又称特殊处理的有机玻璃，系有机玻璃换代产品。它具有寿命长，抗冲击力强，可塑性强等特点，非常适合机器人的制作。

4.1.2 机器人舵机的选择

舵机，顾名思义，大海航行靠舵手，舵机早期是应用在航模中控制方向的，在航空模型中，飞行器的飞行姿态是通过调整发动机和各个控制多面来实现的，后来有人发现这种机器的体积小、重量轻、扭矩大、精度高，由于具备了这样的优点，很适合应用在机器人身上作为机器人的驱动。

按照舵机的转动角度分有180度舵机和360度舵机。 180度舵机只能在0度到180度之间运动，超过这个范围，舵机就会出现超量程的故障，轻则齿轮打坏，重则烧坏舵机电路或者舵机里面的电机。360度舵机转动的方式和普通的电机类似，可以连续的转动，不过我们可以控制它转动的方向和速度。

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第4章 机器人的制作 市场上机器人的舵机种类繁多，这里我们选择了HITEC HSR-5498SG高级机器人用数字舵机作为本次机器人所使用的舵机。舵机的参数如下： 表4-1 马达类型 轴承类型

速度sec/60（6.0v/7.4v） 扭力kg/cm（6.0v/7.4v）

体积mm 重量kg 三对级 双滚珠轴承 0.22/0.19 11/13.5

39.88x19.81x36.83

59.53 4.1.3 机器人CPU的选择

CPU是整个机器人控制系统的“大脑”,因此选择一款高性能的CPU即是十分有必要的。考虑到机器人尺寸、重量的限制、功耗、价格等各种因素,故选择一个功能较齐全的CPU是比较合适的。定位合理的方案,可使机器人获得较高的性能价格比。

以下是几种备选方案:

方案一 :选用高档次的电机控制专用控制芯片,例如TI公司的2000系列DSP、Intel公司的16位微处理器SXX196MC(MD)等。这些芯片一般都具有很强的扩展能力和运算能力,提供了开发使用复杂算法的可能性,结合一定的外围电路能够完成速度控制。障碍回避和其他一些复杂的功能。

方案二:选用低档次的CPU,例如Intel的8xc51,并结合一些专用芯片例如精密运动控制器LM629,能够实现对电机的PI0控制。

方案三:选用一些具有特殊功能的CPU,例如Atmel公司的AVR单片机,该类单片机基于RICS架构,指令译码采用流水作业,具备在系统编程能力,方便进行程序修改,片内有硬件PWM模块,能够产生适合电机控制的PWM控制信号。

其中,方案一成本较高,开发难度也较大,比较适合于理论研究；方案二比较适合于比赛需要,并具有较高的性价比,但芯片速度较慢；方案三系统集成度高,可充分利用空间。

通过一系列对比，以及对机器人本身所需的考虑，最终选择了ATmage16单片机作为机器人的控制终端。

高性能、低功耗的ATmega16单片机主要特点如下：

（1）先进的RISC结构：131条指令，32个8位通用工作寄存器和外设控

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东北电力大学本科毕业论文 制寄存器，工作于16MHZ时，性能高达16MPS，只需两个时钟周期的硬件乘法器。

（2） 非易失性的程序和数据存储器：16K字节的系统内可编程Flash，512字节的EEPROM，1K字节的内部SRAM。

（3） JTAG接口：遵循JTAG标准的边界扫描功能，支持扩展的内片调试，通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程。

（4） 外设特点：两个具有独立的预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器，两个具有预分频器、比较功能和扑捉功能的16位定时器/计数器，具有独立预分频器的实时时钟计数器，两路8位PWM，4路分辨率可编程(2~16位)的PWM,输出比较调制器，8路10位ADC，面向字节的两线接口I^2C总线，两个可编程的串行USART,可工作于主机/从机模式的SPI串行接口，具有独立片内振荡器的的可编程看门狗定时器，片内模拟比较器。

（5）特殊的处理器特点：上电复位以及可编程的掉电检测，片内经过标定的RC振荡器，片内/片外中断源，6种睡眠模式，可以通过软件进行选择的时钟频率，通过熔丝位可以选择ATmega103兼容模式，全局上拉禁止功能。 （6） I/O和封装：32个可编程I/O口，40引脚PDIP封装、44引脚TOFP封装、44引脚MLF封装。

本芯片是以Atmel 高密度非易失性存储器技术生产的。片内ISP Flash 允许程序存储器通过ISP 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR 内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区(Application Flash Memory)。在更新应用Flash存储区时引导Flash区(Boot Flash Memory)的程序继续运行，实现了RWW 操作。 通过将8 位RISC CPU 与系统内可编程的Flash 集成在一个芯片内， ATmega16 成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。ATmega16 具有一整套的编程与系统开发工具，包括：C 语言 编译器、汇编、 程序调试器/ 软件仿真器、仿真器及评估板。目前止,ATMEL公司己推出30多种型号的AVR单片机,包括ATtiny、AT90、ATmega三大系列,分别对应低档、中档、高档产品。由于AVR单片机所具有的巨大的优点,从而使得它在自动控制、数据采集系统、家用电器、智能仪器仪表等领域得到了广泛的应用

4.2 单片机外围接口电路

单片机外围接口电路由单片机ATmega16与时钟电路、复位电路、I/O端口扩展电路组成,电路如图4-1所示。

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