一種基于單片機控制的恐龍機器人設計

2015-01-01 02:27:26申耀武

機械工程與自動化 2015年5期

申耀武

（廣州南洋理工職業學院，廣東廣州 510925）

1 恐龍機器人的動作原理

恐龍機器人是一種仿生機器人。仿生機器人是以生物的外形、動作原理及特性為基礎，利用機械結構結合電子晶片來模仿生物的一舉一動。近年來，仿生機器人的研究一直是機器人研究的熱點，具有廣闊的開發前景。

本文中的恐龍機器人通過AT89S51單片機產生PWM脈沖信號，控制伺服馬達的轉動來拉扯頭部、尾部及腿部動作，再通過巧妙的機械結構運動方式，使放在恐龍頭尾的重量得以調整，使重心轉移來達到單腳支撐身體重心的行走方式，所以恐龍的重量分配成為其能否成功行走的重點。

2 恐龍機器人硬件設計

2.1 硬件結構

恐龍機器人結構如圖1所示，它由頭部、身體、肩部、尾部及腿部等幾部分組成。

頭部和尾部各裝4顆3號電池，為恐龍機器人提供所需的電源，同時電池重量可使恐龍行走時保持平衡。身體部分由8個伺服馬達組成。其他機械機構采用亞克力板。

2.1.1 材料選擇

制作小型機器人的材料有很多種，本文選用透明亞克力材料，化學名稱為甲基丙烯酸甲酯。該恐龍機器人設計制作使用厚度為3mm的亞克力板，這種材料具有良好的表面硬度及光澤，加工容易。由于亞克力板表面比較光滑，需使用專用亞克力膠水，常用氯仿作為黏結劑，但氯仿同時也是一種麻醉劑，具有毒性，透明如水，使用時須注意安全。

2.1.2 伺服馬達

小型機器人大多使用 R／C（Radio Control，無線電遙控）伺服馬達，其工作電壓為4V～6V直流電，體積較小，價格便宜，不需外加電路。該恐龍機器人采用GWS S03T伺服馬達，其扭力可達7.2kg·cm，機器人動作順暢。

R／C伺服馬達利用 PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制）驅動信號，即利用周期約為20ms～30ms、脈沖寬度為0.8ms～2.2ms的脈沖信號來控制R／C伺服馬達的轉角，當R／C伺服馬達收到這種PWM的脈沖信號時，會根據脈沖寬度的大小選擇順時針轉動或逆時針轉動，從而改變轉動的角度及轉動的速度。PWM波形如圖2所示。

圖2 PWM波形

當脈沖寬度為1.5ms時，R／C伺服馬達會停在“中間位置”，當R／C伺服馬達接到此信號時，會一直停在中間位置，并固定不動，直到PWM脈沖寬度發生改變；若脈沖寬度為0.8ms時，伺服馬達逆時針轉到底；若脈沖寬度從0.8ms→1.5ms→2.2ms并維持，伺服馬達便順時針轉到底，并固定在該位置上，若此時有外力企圖將伺服馬達的輸出軸心轉動離開該位置時，則伺服馬達會立刻輸出動力使自己維持在原來的位置上，直到脈沖寬度改變。

另外，若脈沖信號的寬度沒有在此規定的范圍內，或者只給R／C伺服馬達電源，而沒有給它脈沖信號，都會使R／C伺服馬達發生無法預期的轉動甚至造成損壞。

2.2 控制電路

采用ATMEL公司生產的AT89S51單片機控制，AT89S51是一種低功率、高效能的8位單片機，工作電壓為4.0V～5.5V，具有32個輸入／輸出引腳，一次可以控制多個R／C伺服馬達。

利用AT89S51單片機計時中斷方式，可定時產生周期性的PWM信號來驅動伺服馬達。

8個R／C伺服馬達的信號線接至單片機的P2.0引腳，+VCC腳接VCC，GND腳接地。

控制電路圖如圖3所示。

圖3 控制電路圖

3 程序設計

3.1 程序流程圖

程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

經過示波器及伺服馬達的調整，代表伺服馬達位置的暫存器（mtable［0］～［7］）值為53時，伺服馬達為中間位置，80為逆時針到底（2.2ms），28為順時針到底（0.8ms）。所以數值越大，PWM脈沖寬度越大，伺服馬達逆時針轉動；數值越小，PWM脈沖寬度越小，伺服馬達順時針轉動。若更改mtable［0］～［7］的值，就會使伺服馬達轉動從而帶動恐龍機器人完成不同的動作。為避免恐龍機器人機構因轉動而損壞，mtable［0］～［7］的范圍為80～28。

3.2 恐龍機器人的校正

恐龍機器人在第一次使用時，為避免伺服馬達裝設的位置未設定在最佳狀況，造成啟動后機構或者馬達損壞，必須對機構進行校正，使每個伺服馬達先處在中間位置。校正步驟為：①將恐龍機器人的8個伺服馬達輸出圓軸從伺服馬達主體撥開，也就是讓伺服馬達轉動時，不會帶動機構；②利用AT89S51單片機產生PWM脈沖信號，使8個伺服馬達通電均處于中間位置；③當伺服馬達處于中間位置時，在不切斷電源的情況下，將8個伺服馬達輸出圓軸再裝回各自的伺服馬達上，以此時的位置作為起點位置。