基于單片機的四足仿生機械狗設計

周真友　陳彬　王琰琳　楊釗

【摘 要】本項目從仿生角度考慮，通過機械結構的設計、數學模型的建立和分析，建立一種機構合理、自由度較少的四足仿生機械機構代替目前復雜控制模式的多自由度的腿部結構。此機構運動軌跡和動物運動軌跡相似，能夠正常跨越障礙，具有很流暢的協調性。并在此基礎上可增添智能系統，增加其應用范圍。

【關鍵詞】單片機；機械結構；傳感器；仿生設計

中圖分類號：TP24 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）08-0063-002

0 引言

機器人有很多種，家庭機器人，軍事機器人，農業機器人等等，這里設計的產品就是主要應用于救援，到達人類不能到達得地方，并采集數據，其運動簡單，而且能負重產品比較新穎。由于其機械連桿結構，自由度比較少，所以結構穩定，能耗比較少。

1 結構設計

本機構主要基于機械連桿機構控制關節的運動和行走，電機帶動主動軸轉動，主動軸通過偏心輪帶動從動輪轉動，從動輪通過機械連桿機構帶動前3、4腳向前運動，當3、4腳落地帶動1、2腳向前運動。如此往復如圖1所示。

此機器人主體是一個軀體和四個腳，提供動力部分是電機，其腿部分是基節為主體。基節連接著軀體平臺，其中各個關節都是通過軸連接，電機驅動主動軸旋轉，主動軸帶著機械連桿機構通過軸運動，使得腳1和腳3一起向前運動然后帶動腳2腳4也向前運動，每次運動都會有兩個支撐腳和地面相接觸。其主要材料是PVC，所以材質輕、容易拆裝。若系統需要強動力性和結構穩定性，可改裝為鋼板等其它材質。

1-4：仿生機械狗四足結構；5：電機；6：控制平臺

2 系統硬件設計

本系統的控制芯片是51單片機，具有很好的嵌入性，體積也很小。系統主要以傳感器和輸入按鍵作為輸入部分，輸出部分包括電機、顯示屏。電源部分采用可充電的大容量電池來供電，能夠提供足夠的電壓以及電流來驅動電機轉動和系統運作，系統機械結構簡單，便于攜帶。

2.1 最小系統設計

2.1.1 晶振電路設計

此晶振部分接在XTAL1和XTAL2引腳上，晶振的振蕩器值為12MHZ，連接兩個30PF的電容構成并聯諧振電路如圖2所示。

2.1.2 復位電路部分設計

其復位部分是由外部復位電路實現，接在單片機的RST引腳上，需要手動按下復位按鍵。采用可充電的電池來作為電源部分，提供動力。的如圖3所示。

2.2 電機控制電路設計

這里采用的是直流電機，當單片機輸出為1時，繼電器得電。電機工作這里面得電源也是接可充電得電池。其中三極管是為了增加電機的啟動電壓。其輸入端接在P1.0引腳，如圖4所示。

電源部分本系統采用可充電的大容量電池來供電，能夠提供足夠的電壓以及電流來驅動電機轉動和系統運作。

2.3 傳感器及顯示電路設計

以單片機為核心，通過溫度傳感器DS18B20對當前溫度的檢測送到單片機進行處理與系統設定溫度的比較，控制主電路雙向晶閘管的導通與關斷，接在單片機的P3.7引腳上，如圖5所示。

系統顯示電路采用1602液晶屏進行顯示，主要對溫度數據進行顯示，處理后的數據和設定閾值，均通過送單片機P0.0到P0.7口連接的顯示電路以顯示當前溫度，如圖6所示

3 程序設計

由于基本功能比較簡單，系統應用了AT89C51類型的單片機，因為能耗低，操作簡單易學，其基本功能也滿足機器人的需求。本系統主要功能有：電機轉動、溫度檢測、溫度顯示、等。主程序主要用來實現系統的整體邏輯，對各部分功能進行子程序的調用。子程序根據具體要實現的輸入輸出功能加以分類和對應程序編寫。

3.1 主程序

系統主程序主要包括對溫度檢測、濕度檢測、中斷等子程序調用，并實現整體循環邏輯，以溫度檢測為例，如圖7所示。

打開電源開關，系統進行初始化，并打開電機，檢測是否需要打開溫度傳感器，然后進行數據處理進行顯示，如此循環如圖7所示。

3.2 子程序

當子程序檢測到信號，調用子程序，首先進行初始化時序，然后發出讀溫度命令，讀出數據，最后子程序返回。如圖8所示。

4 結論

通過構建自由度少的機械結構來支撐整體框架，需要的驅動力較小，能夠很平穩的進行行走。應用單片機加以控制，實現智能化，溫度采集，后期可通過控制PID輸出，改變驅動力的大小應對不同的情況，增加藍牙模塊，實現機器人和手機App互聯，進行實時監控。增加其防撞功能。

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