基于單片機(jī)的四足仿生機(jī)械狗設(shè)計(jì)

周真友　陳彬　王琰琳　楊釗

【摘 要】本項(xiàng)目從仿生角度考慮，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)模型的建立和分析，建立一種機(jī)構(gòu)合理、自由度較少的四足仿生機(jī)械機(jī)構(gòu)代替目前復(fù)雜控制模式的多自由度的腿部結(jié)構(gòu)。此機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡和動(dòng)物運(yùn)動(dòng)軌跡相似，能夠正?？缭秸系K，具有很流暢的協(xié)調(diào)性。并在此基礎(chǔ)上可增添智能系統(tǒng)，增加其應(yīng)用范圍。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)；機(jī)械結(jié)構(gòu)；傳感器；仿生設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）08-0063-002

0 引言

機(jī)器人有很多種，家庭機(jī)器人，軍事機(jī)器人，農(nóng)業(yè)機(jī)器人等等，這里設(shè)計(jì)的產(chǎn)品就是主要應(yīng)用于救援，到達(dá)人類不能到達(dá)得地方，并采集數(shù)據(jù)，其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單，而且能負(fù)重產(chǎn)品比較新穎。由于其機(jī)械連桿結(jié)構(gòu)，自由度比較少，所以結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能耗比較少。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本機(jī)構(gòu)主要基于機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)控制關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)和行走，電機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)軸通過偏心輪帶動(dòng)從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)輪通過機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)前3、4腳向前運(yùn)動(dòng)，當(dāng)3、4腳落地帶動(dòng)1、2腳向前運(yùn)動(dòng)。如此往復(fù)如圖1所示。

此機(jī)器人主體是一個(gè)軀體和四個(gè)腳，提供動(dòng)力部分是電機(jī)，其腿部分是基節(jié)為主體?；?jié)連接著軀體平臺(tái)，其中各個(gè)關(guān)節(jié)都是通過軸連接，電機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，主動(dòng)軸帶著機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)通過軸運(yùn)動(dòng)，使得腳1和腳3一起向前運(yùn)動(dòng)然后帶動(dòng)腳2腳4也向前運(yùn)動(dòng)，每次運(yùn)動(dòng)都會(huì)有兩個(gè)支撐腳和地面相接觸。其主要材料是PVC，所以材質(zhì)輕、容易拆裝。若系統(tǒng)需要強(qiáng)動(dòng)力性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可改裝為鋼板等其它材質(zhì)。

1-4：仿生機(jī)械狗四足結(jié)構(gòu)；5：電機(jī)；6：控制平臺(tái)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的控制芯片是51單片機(jī)，具有很好的嵌入性，體積也很小。系統(tǒng)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(jī)、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(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和系統(tǒng)運(yùn)作，系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于攜帶。

2.1 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 晶振電路設(shè)計(jì)

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(gè)30PF的電容構(gòu)成并聯(lián)諧振電路如圖2所示。

2.1.2 復(fù)位電路部分設(shè)計(jì)

其復(fù)位部分是由外部復(fù)位電路實(shí)現(xiàn)，接在單片機(jī)的RST引腳上，需要手動(dòng)按下復(fù)位按鍵。采用可充電的電池來作為電源部分，提供動(dòng)力。的如圖3所示。

2.2 電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

這里采用的是直流電機(jī)，當(dāng)單片機(jī)輸出為1時(shí)，繼電器得電。電機(jī)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(jī)的啟動(dòng)電壓。其輸入端接在P1.0引腳，如圖4所示。

電源部分本系統(tǒng)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(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和系統(tǒng)運(yùn)作。

2.3 傳感器及顯示電路設(shè)計(jì)

以單片機(jī)為核心，通過溫度傳感器DS18B20對(duì)當(dāng)前溫度的檢測(cè)送到單片機(jī)進(jìn)行處理與系統(tǒng)設(shè)定溫度的比較，控制主電路雙向晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷，接在單片機(jī)的P3.7引腳上，如圖5所示。

系統(tǒng)顯示電路采用1602液晶屏進(jìn)行顯示，主要對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，處理后的數(shù)據(jù)和設(shè)定閾值，均通過送單片機(jī)P0.0到P0.7口連接的顯示電路以顯示當(dāng)前溫度，如圖6所示

3 程序設(shè)計(jì)

由于基本功能比較簡(jiǎn)單，系統(tǒng)應(yīng)用了AT89C51類型的單片機(jī)，因?yàn)槟芎牡?，操作?jiǎn)單易學(xué)，其基本功能也滿足機(jī)器人的需求。本系統(tǒng)主要功能有：電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、溫度檢測(cè)、溫度顯示、等。主程序主要用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體邏輯，對(duì)各部分功能進(jìn)行子程序的調(diào)用。子程序根據(jù)具體要實(shí)現(xiàn)的輸入輸出功能加以分類和對(duì)應(yīng)程序編寫。

3.1 主程序

系統(tǒng)主程序主要包括對(duì)溫度檢測(cè)、濕度檢測(cè)、中斷等子程序調(diào)用，并實(shí)現(xiàn)整體循環(huán)邏輯，以溫度檢測(cè)為例，如圖7所示。

打開電源開關(guān)，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，并打開電機(jī)，檢測(cè)是否需要打開溫度傳感器，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理進(jìn)行顯示，如此循環(huán)如圖7所示。

3.2 子程序

當(dāng)子程序檢測(cè)到信號(hào)，調(diào)用子程序，首先進(jìn)行初始化時(shí)序，然后發(fā)出讀溫度命令，讀出數(shù)據(jù)，最后子程序返回。如圖8所示。

4 結(jié)論

通過構(gòu)建自由度少的機(jī)械結(jié)構(gòu)來支撐整體框架，需要的驅(qū)動(dòng)力較小，能夠很平穩(wěn)的進(jìn)行行走。應(yīng)用單片機(jī)加以控制，實(shí)現(xiàn)智能化，溫度采集，后期可通過控制PID輸出，改變驅(qū)動(dòng)力的大小應(yīng)對(duì)不同的情況，增加藍(lán)牙模塊，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和手機(jī)App互聯(lián)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。增加其防撞功能。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉會(huì)巧.基于單片機(jī)控制的機(jī)器人避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2017（07）：22-23.

[2]陳貴銀.單片機(jī)技術(shù)在機(jī)器人控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2017（05）：119-121.

[3]張春來.仿壁虎型機(jī)器人單片機(jī)控制系統(tǒng)[J].安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，12（02）：66-68.

[4]付連芳.五自由度教學(xué)機(jī)器人的示教再現(xiàn)控制系統(tǒng)研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2001.

[5]劉鳳然，田紅芳，王侃.基于單片機(jī)的移動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)避障控制系統(tǒng)[J].中國(guó)儀器儀表，2001（03）：27-29.