基于单片机的六足机器人控制软件设计--毕业论文

科教论坛 ScienceandEducationForum234教育前沿 Cutting Edge Education基于STM32的六足机器人系统设计文/刘飞摘要：六足机器人在复杂环境中行走时，由于未知地形容易对机器人的控制系统引入不可预知的扰动，影响机器人的运行平稳性，为了减少机器人因运动的不稳定性对机器人机身结构造成的冲击。

需要采用合适的控制方式控制机器人各关节位姿适应复杂地形。

保证机器人系统具有良好的动态稳定性。

本文以处于复杂多变环境中的六足机器人为研究对象,设计了机器人机身结构,开发了其控制系统,并以其关节运动平稳性、响应快速性和位姿准确性的提高为目的,重点对机器人关节模糊PID控制算法进行了研究。

主要研究内容为：首先,对六足机器人的机身结构进行了优化设计,并对机器人样机进行了运动学分析,得出了机器人足部的运动范围以及关节变量与机器人足部位姿的关系。

其次,在机器人运动学分析的基础上,规划了机器人纵向和横向直行的三角步态，给出了当机器人采用三角步态直行时,能保持机器人静态稳定的步长计算方法，结合机器人行走步长分析了机器人纵向和横向直行步态的稳定性。

当机器人采用三角步态直行时,若其步长小于能保持步态静态稳定的临界步长,机器人的步态是静态稳定的,否则不是静态稳定的。

关键词：六足机器人；系统设计1 六足机器人结构六足机器人的控制分为两大部分。

即硬件控制部分和软件部分。

其中硬控控制部分又分为三个部分。

电源、主控、通信。

软件部分分为原理和射程序设计。

1.1 结构简介本文所研究的六足机器人，在机器人机构学上属于多支链拓扑运动机构。

机器人具有18个驱动关节，具有冗余驱动大于机构自由度6。

为了确定六足机器人关节变量和其足部末端点的位姿的关系，建立对应的运动学模型，得出它们关系的数学模型。

本文所研究六足机器人在运动过程中一种串并联机构交替的复合型机构型，要想精确的对机器人进行运动控制，需要对六足机器人足部末端的位姿以及其运动空间进行正反运动学分析。

摘要本文详细介绍了六脚爬虫机器人的机械结构以及控制程序的编写。

机械结构采用了对称式设计，结构简单；其行走功能由六只脚、18个舵机实现，自由度较高，稳定性、灵活性较好。

控制程序的主体是C语言。

包括基本步态的编写，以及传感器的在机器人上的高级应用，这样，机器人在满足基本行走运动的同时，也能感知外界环境，并通过控制器对接收到的外界信号进行处理，并控制机器人运动。

关键词：对称式结构，舵机控制器，步态，传感器IAbstractThe thesis describes in detail that the mechanic design of Hexcrawler and the compiling of control program.The structure of the robot is in symmetric expression, a simple mechanism; the function of walking is supported by six legs, and eighteen motors, with multiple degrees of freedom. Besides, it is of high stability and flexibility.The program to control the robot is written in C language, including basic gait, the advanced application of sensors. Thereby, the robot can walk in several gaits. At the same time, it can sense the condition around it. Then, it will process the data it received, and control the motion of the robot.Keywords: symmetric expression，PSCU, gait, sensorII目录摘要 (I)Abstract ··························································································································I I 目录·······························································································································I II 1 绪论 ·······················································································································- 1 -1.1课题来源····················································································································· - 1 -1.2本课题的目的及其意义 ····························································································· - 1 -1.3国内外发展现状 ········································································································· - 1 -1.4本课题的研究内容 ·······································································错误！未定义书签。

目录1 引言1.1新型六足机器人研究目的和意义 (1)1.2新型六足机器人研究概况及发展趋势 (1)1.3课题研究内容 (2)2 机械结构与芯片简介2.1机器人机械结构 (3)2.2机器人运动原理 (3)2.3驱动装置选择 (5)2.4机器人实物图 (6)2.5硬件结构介绍 (7)2.6单片机芯片介绍 (8)2.7编码解码芯片介绍 (13)3 控制系统结构设计3.1上位机控制 (16)3.1.1 程序语言及串口通讯 (16)3.1.2 人机交互界面 (17)3.2 基于无线的智能控制 (19)3.2.1 无线发射模块 (19)3.2.2 无线接收模块 (23)4 结论 (29)参考文献 (30)致谢 (31)新型六足机器人1 引言1.1新型六足机器人研究目的和意义本文六足机器人是一种基于仿生学原理研制开发的新型足式机器人。

新型机器人比传统的轮式机器人有更好的移动性，它采用类拟生物的爬行机构进行运动,自动化程度高，具有丰富的动力学特性。

此外，足式机器人相比其它机器人具有更多的优点：它可以较易地跨过比较大的障碍（如沟、坎等），并且机器人足所具有的大量的自由度可以使机器人的运动更加灵活，对凹凸不平的地形的适应能力更强；足式机器人的立足点是离散的，跟地面的接触面积较小，因而可以在可达到的地面上选择最优支撑点，即使在表面极度不规则的情况下，通过严格选择足的支撑点，也能够行走自如。

因此，足式步行机器人的研究已成为机器人学中一个引人注目的研究领域，由于六足机器人强大的运动能力，可以提供给运动学、仿生学和机械构造原理研究有力的工具[1]。

在研究昆虫运动方式、关节承力、稳定姿态调整的过程中，可以运用本机器人对设想的虫体姿态、运动过程进行模拟，最大程度地接近真实，将理论和实践联系起来，从而更好地观察昆虫运动模式的优点，以及探究哪些现象能够运用到机械设计的实践中去。

这对于以上学科的研究和探索都是十分有意义的。

当然，我们还可以作为教学器械，通过研究昆虫爬行时各脚的运动情况，用机械形式表达出来，也可以作为仿生玩具及探险、搜救设备，还可以进入细小管道、地洞中勘察。

摘要随着人类探索自然界步伐的不断加速,各应用领域对具有复杂环境自主移动能力机器人的需求，日趋广泛而深入。

理论上,足式机器人具有比轮式机器人更加卓越的应对复杂地形的能力，因而被给予了巨大的关注，但到目前为止,由于自适应步行控制算法匮乏等原因，足式移动方式在许多实际应用中还无法付诸实践。

另一方面,作为地球上最成功的运动生物，多足昆虫则以其复杂精妙的肢体结构和简易灵巧的运动控制策略，轻易地穿越了各种复杂的自然地形,甚至能在光滑的表面上倒立行走。

因此，将多足昆虫的行为学研究成果，融入到步行机器人的结构设计与控制中,开发具有卓越移动能力的六足仿生机器人，对于足式移动机器人技术的研究与应用具有重要的理论和现实意义。

六足仿生机器人地形适应能力强,具有冗余肢体，可以在失去若干肢体的情况下继续执行一定的工作，适合担当野外侦查、水下搜寻以及太空探测等对自主性、可靠性要求比较高的工作。

关键词:六足机器人，适应能力强，结构设计AbstractWith the increasingly rapid step of human exploration of nature, the demand for robots with autonomous mobility under complex environment has been getting broader and deeper in more and more application areas. Theoretically, legged robot offers more superior performance of dealing with complicated terrain conditions than that provided by wheeled robot and therefore has been given great concern, however up to now，for the reason of absence of adaptive walk control algorithm，legged locomotion means still could not be put into practice in many practical applications yet。

基于STC单片机的仿生六足机器人设计吴宏岐;郭梦宇【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2013(036)001【摘要】To satisfy the requests of special conditions for the robot, a hexapod robot is designed by using bionics principle which can mimic the motion of some animal. The STC microcontroller is used as the core of control circuit. The AET168P1 steering gear control panel is used to drive the sports joints through the YZW-Y 09G type steering gear. It can achieve each function of application requirements under software control. The robot has a strong adaptability to all sorts of the ground condition, such as it is not easy to fall into the soft ground. The system has shown its high value such as low cost,strong anti-interference capacity,high sensitivity and reliability.%为满足特殊环境对于机器人的提出的要求,应用仿生学原理,设计一六足机器人,可模仿生物的运动形式;它以STC12C5A60S2型单片机为控制核心,通过YZW-Y09G型舵机来驱动的运动关节,选用AET168P1舵机控制板,在系统软件控制下来实现其各项功能.这种仿生六足机器人对各种地面有很强的适应能力,不易陷入松软地面里,且制作成本低,抗干扰能力强、灵敏度高、安全可靠,具有较高的使用价值.【总页数】4页(P128-131)【作者】吴宏岐;郭梦宇【作者单位】宝鸡文理学院电子电气工程系,陕西宝鸡721007【正文语种】中文【中图分类】TP242【相关文献】1.仿生自主运动的六足机器人的设计与实现 [J], 姜奥博; 胡聪; 朱辉; 吴汉斌2.仿生六足机器人的结构设计及运动分析 [J], 郭建; 谢鑫; 蒋品3.气动仿生六足机器人腿部设计与运动实验 [J], 赵云伟; 吴智聪; 刘晓敏; 刘齐4.基于Arduino的仿生六足机器人双形态设计 [J], 方凯旗; 李恒全; 张稳召; 王登丰5.仿生六足机器人机构设计与运动分析 [J], 谷勇霞;吴耀君;江崔颖因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

基于STM32的六足机器人控制系统设计伍立春;王茂森;黄顺斌【摘要】基于仿生原理，以STM32F103VET6为核心的控制芯片构建硬件控制系统。

利用无线遥控器使芯片的通用定时器产生18路PWM波控制机器人各个关节的运动，同时通过串口能在上位机实时显示GPS、超声波测距传感器、加速度计、陀螺仪的输出数据，该机器人能严格按三角步态行走，实现诸如直线、转弯、躲避障碍物等行走功能。

实验结果表明，六足机器人的18个关节运动平稳，对复杂运动步态的控制精确，实现了在地面的稳定运动。

%this paper describes the fabrication of a hexapod bionic robot which is control ed bySTM32F103VET6 microprocessor and walks based on bionic principle. In its control system based on wireless remoter, 18-channel PWM wave generated by the timers STM32F103VE76, is used to control robot’ s legs, and the USART of STM32F103VET6 is used to display the output data of GPS, ul-trasonic sensor, accelerometer, gyroscope.This robot is provided with some abilities, such as linear walking, turning, avoiding barri-ers walking etc. The experiments show that free motion control of 18 joints is smooth, the smarter and smal er control system can be used to control complex walking movement precisely and its ground walking objective is atlained..【期刊名称】《机械制造与自动化》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】5页(P150-153,161)【关键词】STM32F103VET6;六足机器人;无线遥控;控制系统【作者】伍立春;王茂森;黄顺斌【作者单位】南京理工大学机械工程学院，江苏南京210016;南京理工大学机械工程学院，江苏南京210016;南京理工大学机械工程学院，江苏南京210016【正文语种】中文【中图分类】TP2420 引言移动机器人的发展是一个重要的科研领域，移动机器人可分为车轮式移动机器人、履带式机器人及其仿生技术的运动机器人[1]。

目录插表清单 (III)插图清单 .................................................................................................................................................................... I V 第一章绪论 . (1)1.1机器人的发展历史 (1)1.2机器人的定义和基本组成 (2)1.2.1机器人的定义 (2)1.2.2机器人的基本组成： (2)1.3移动机器人概述 (3)1.4移动机器人分类 (3)1.5多足机器人的发展现状 (5)1.6本设计的主要工作 (7)1.7本章小结 (7)第二章六足仿生机器人的结构分析及设计 (8)2.1“六足纲”昆虫的运动原理 (8)2.1.1步态的参数描述 (8)2.1.2三角步态运动原理 (9)2.2六足仿生机器人机械结构分析 (9)2.3本章小结 (10)第三章六足仿生机器人的步态分析和设计 (11)3.1六足步行机器人坐标定义 (11)3.2六足机器人的稳定性分析 (13)3.3.1 稳定性分析 (13)3.3.2稳定裕量计算 (13)3.4六足仿生机器人的直线运动步态设计 (15)3.4.1步态规划 (15)3.4.2步态动作分析 (15)3.5“三角步态”定点转弯步态设计 (18)3.6本章小结 (20)第四章六足仿生机器人的控制系统设计 (21)4.1功能分解 (21)4.2控制系统的硬件设计 (22)4.2.1微处理器AT89S52简介 (22)4.2.2 舵机模块设计 (23)4.2.3 避障模块设计 (24)4.3控制系统软件设计 (26)4.3.1单个舵机控制方法 (27)4.3.2多舵机控制 (31)4.3.3六足仿生机器人全方位步态程序设计 (36)4.4软件的抗干扰及可靠性设计 (39)4.5本章小结 (40)第五章软硬件联调 (41)5.1K EIL C51开发系统基本知识 (41)5.2P ROTEUS 仿真软件基本知识 (41)5.2.1 Proteus介绍 (41)5.2.2 Proteus的仿真 (42)5.2.3 Proteus PCB (42)5.3调试结果 (42)5.2相关数值测试 (43)5.3本章小结 (44)第六章结束语 (45)6.1论文总结 (45)6.2论文写作的感想 (45)6.3本章小结 (45)参考文献 (46)致谢辞 (47)表 1-1机器人Fred Delcomyn的参数 (6)表 2-1 本设计机器人相关参数 (9)表 4-1 I/O引脚分配表 (23)表4-2 时基脉冲与舵机角度对应表 (24)表 4-2 探测障碍物的传感器与单片机引脚对应关系表 (25)表 4-3舵机与六足机器人足对应关系表 (36)表 4-4 舵机与单片机端口的对应关系表 (36)表 5-1 关系数值表 (44)图 1-1Fred Delcomyn六足仿生机器人 (6)图 1-2Gengh机器人 (6)图 1-3 DRROB系列高级机器人 (7)图 2-1 本设计的六足仿生机器人 (10)图 2-2机器人腿部实物 (10)图 3-1腿部组图简图 (11)图 3-2 机器人腿部坐标示意图 (12)图 3-3 腿部简图 (12)图 3-4步行机器人任一时刻姿态图 (13)图 3-5三角步态稳定图 (14)图 3-6 六足步态示意图 (15)图 3-7（A、B、C、D）定点转弯步态示意图 (16)图 4-1 基本功能框图 (21)图 4-2 PDIP封装图 (23)图 4-3微动开关示意图 (25)图 4-4 微动开关安装位置图 (25)图 4-5 硬件设计仿真图 (26)图 4-6 系统软件的总体流程 (27)图 4-7 舵盘的位置线性变化图 (28)图 4-8 舵机的控制脉冲图 (28)图 4-9 控制脉冲程序流程图 (29)图 4-10 8路信号舵机控制脉冲图 (31)图 4-11 12个舵机控制流程图 (33)图 4-12 舵机位置示意图 (36)图 4-13 直行程序流程图 (37)图 4-14 转弯程序流程图 (38)图 4-15 避障程序流程图 (39)图 5-1 硬件仿真结果图 (44)第一章绪论机器人的应用越来越广泛，几乎渗透到人们生活的各个领域。

摘要本文介绍了一种应用两个电机驱动的六足式步行机器人,并对该机器人的运动机理与步态进行了分析,经样机实验,所设计的机器人可实现前进、后退、遇障转弯等功能,具有结构简单,控制便捷,行走稳定的特点。

基于仿生学原理,应用连杆机构学中的Robert原理,设计出一连杆轨迹能较好地近似于机器人理想足部轨迹的四杆机构，选择足部运动曲线并在图谱上找到该曲线，以确定四杆机构的各个参数。

由参数和电动机的输出转矩就能确定足部的线速度和加速度。

并通过PRO/E软件,对用这一连杆机构作为腿部机构的六足机器人进行了前进和转弯步态建模，并对它进行了稳定裕量分析，包括静力学分析和动力学分析。

针对这种腿部结构设计了六足的行走方式,通过对12个步进电机的控制,采用三角步态,实现了六足机器人的直行功能。

仿真及试验证明,这种结构能较好地维持六足机器人自身的平衡,并且对今后更深入地研究六足机器人抬腿行走姿态及可行性,具有较高的参考价值。

关键词：六足机器人；行走步态；运动原理；稳定性；四杆机构abstractThis paper introduced a six-legged walking robot propelled by two electromotors,and analyzed the robot's kinetic mechanism and walking style.Proved by the model test,the robot is capable of actions such as forwarding,backwarding and veering in the case of obstruction.The robot demonstrates such advantages as simple structure,comfortable control and stable performance of pacing.Based on the principle of bionics,this paper designs a four-linked mechanism using Robert principle,which can approximate the ideal trace of robot's leg ,choose the sport curve of the foot department, then check to find out that curve on the diagram, the old ability but locations can make sure four each parameters of the pole structure, can make sure the line speed and accelerations of the foot department from the exportation dint of the parameter and electric motor. Some simulations about the hexapod robot which uses the six-linked mechanism as its leg are made，and carried on the stability to it analysis, include the quiet mechanics analysis and dynamics analysis.A hexapod walking mode was designed according to this structure.By controlling 12 step motors straight walking function of the hexapod robot has been implemented with tripod gait movement.Simulation and experiment show that this structure can keep the hexapod robot body's balance better,providing high reference value to research the advantage and feasibility of leg-raising walking gesture.Keyword: six foot robot; Tread the appearance of walk; The sport principle; Stability; Four pole organizations目录摘要 (I)abstract .............................................................................................................. I I 1 绪论. (1)1.1国内外机器人的研究现状 (1)1.2机器人的主要研究问题 (3)1.3机器人的发展趋势 (5)1.4本课题所研究的主要内容 (6)2 机械机构设计 (6)2.1机构分析 (6)2.2 设计方法 (12)2.3四连杆机构的设计 (13)2.4四个钣金零件设计 (28)2.5 躯体部分机构设计 (33)2.6 机构设计总结 (34)参考文献 (35)致谢 (37)附录一 (50)附录二 (61)1 绪论1.1国内外机器人的研究现状1.1.1机器人的定义机器人是上个世纪人类最伟大的发明之一，而从机器人的角度来讲，21世纪将是一个自治机器人的世纪。

常州信息职业技术学院学生毕业设计（论文）报告设计（论文）题目：基于单片机的六足机器人控制毕业设计（论文）任务书一、课题名称：基于单片机的六足机器人控制软件设计二、主要技术指标：前进速度：25cm/s感应障碍物距离：1米反应时间≤0.1s走直线偏差≤±5º舵机控制精度0.75º三、工作内容和要求：1：研究AT89S51单片机的结构，引脚功能，工作原理。

2：研究六足机器人的控制移动，传感器的作用距离，舵机的精度。

3：根据AT89S51的性质和六足机器人的参数，利用KEIL软件编写，调试程序。

4：下载程序到机器人，并根据实际情况对软件进行完善。

5：总结经验，完成设计报告四主要参考文献：1温宗周《单片机原理及接口技术》北京航空航天大学2009.82 彭为、黄科《单片机典型系统设计精讲》电子工业出版社2006.53刘春《自动控制计数》中国劳动社会保障出版社20044李众《单片机技术与项目训练》常州信息职业技术学院2009.7学生（签名）年月日指导教师（签名）年月日教研室主任（签名）年月日系主任（签名）年月日毕业设计（论文）开题报告基于单片机的六足机器人控制软件设计Control software of the six foot robot based on SCM目录摘要Abstract一前言 (1)二单片机的选择 (2)2.1单片机的介绍 (2)2.2 单片机的应用 (3)2.3 单片机发展趋势 (5)2.4 AT89S5151单片机特点 (6)2.5 AT89S51单片机引脚功能 (7)三六足机器人简介 (8)3.1 六足机器人原理 (18)3.2控制面板简介 (9)3.3 舵机简介 (11)3.4 传感系统 (12)四六足机器人的控制 (13)4.1 六足机器人控制程序编写 (13)4.2 六足机器人控制程序下载 (23)五结束语 (24)答谢辞参考文献摘要轮式移动机器人是机器人研究领域的一项重要内容．它集机械、电子、检测技术与智能控制于一体。