爬行机器人的硬件结构设计(附件)
摘 要 四足爬行机器人是目前比较普遍的一种机器人，四足爬行机器人的研究具有社会意义和实用价值。在长期的足式机器人研究中，四足机器人一直是研究的重点。因为其在稳定性和控制方面优于双足机器人，又在制造成本等方面又优于其他多足机器人，所以四足机器人是最佳的足式机器人形式。 本文首先阐述了机器人的定义、组成、分类、发展与应用及国内外研究现状。然后，对四足机器人的整体结构进行分析，详细介绍了机器人驱动装置的选型、机器人机构分析和机器人的制作过程，简略地分析了四足机器人的步态。接着，阐述了硬件电路部分的设计及功能模块的扩展，其中包括了单片机、电阻、电容等元器件的选用，原理图的设计，单片机电路板的焊制以及蜂鸣器、蓝牙模块、红外模块的介绍。在最后提出了本次设计的所遇到的困难以及解决方法，并对爬行机器人的发展作了展望。关键词：四足爬行机器人；整体结构；硬件电路；蓝牙模块；红外模块目录
第一章 绪论 1
1.1机器人概述 1
1.1.1机器人的定义 1
1.1.2机器人的组成 1
1.1.3机器人的发展与应用 2
1.1.4机器人的分类和用途 2
1.2论文课题研究目的和意义 3
1.3国内外研究现状 4
1.4本次设计的任务与实现方案 6
1.4.1设计任务 6
1.4.2实现方案 7
1.5本章小结 7
第二章 四足爬行机器人的机械结构 8
2.1爬行机器人的驱动装置 8
2.1.1电机选择 8
2.1.2微型私服马达内部结构 8
2.1.3微型伺服马达的工作原理 9
2.1.4伺服马达的引脚与控制 9
2.1.5伺服马达与单片机的连接 10
2.1.6选用的伺服马达 10
2.2四足爬行机器人的执行机构 11
2.2.1四足爬行机器人的外观 11
2.2.2材料及加工工具选择 12
2.2.3四足爬行机器人的运动构件 12
2.3四足爬行机人的制作过程 14
2.4本章小结 15
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
/> 2.1.5伺服马达与单片机的连接 10
2.1.6选用的伺服马达 10
2.2四足爬行机器人的执行机构 11
2.2.1四足爬行机器人的外观 11
2.2.2材料及加工工具选择 12
2.2.3四足爬行机器人的运动构件 12
2.3四足爬行机人的制作过程 14
2.4本章小结 15
第三章 机构分析与步态分析 16
3.1爬行机器人的机构分析 16
3.1.1前脚行走时机构分析 17
3.1.2后脚行走时的机构分析 17
3.2四足爬行机器人的步态分析 18
3.2.1对角步态 18
3.2.2其它动作 19
3.2.2四足协调 20
3.3本章小结 21
第四章 四足爬行机器人的电路设计及功能模块 22
4.1元件的选择 22
4.1.1 电阻的定义及分类 22
4.1.2 电容的定义及分类 22
4.1.3 STC12C5A60S2单片机简介 22
4.2四足爬行机器人的电路设计 26
4.3四足爬行机器人电路板的手焊过程 28
4.4功能模块 28
4.4.1蓝牙通讯模块 28
4.4.2红外避障传感器 30
4.4.3火焰传感器 31
4.4.4蜂鸣器简介及分类 32
4.4.5爬行机器人的功能实现 34
4.5本章小结 34
第五章 总结与展望 35
5.1总结 35
5.2展望 36
致 谢 37
参考文献 38
第一章 绪论
1.1机器人概述
1.1.1机器人的定义
提到机器人，大家一定不会陌生，比如《终结者》中施瓦辛格所扮演的机器人，《变形金刚》中的汽车人等等。大家对机器人的第一反应就是它一定像人一样有眼睛、鼻子、脚、手。不过当你参观过现代化工厂后，你就会发现，事实并非如此，工厂里的机器人大多数长得不像人类，没有眼睛、鼻子、脚、手,但是它们就是机器人。机器人的定义如下：
机器人是一种利用软件结合硬件，可以独立完成一定的行为或者生产作业的机械装置[1]。或者更确切地说，机器人是一种具人类的感觉功能，并且可以灵活完成人类的某些动作的机械。可能在未来，机器人将具有自己的感情。它既可以接受人类指挥，也可以根据自身所带有的各种传感器或其他先进仪器来实现独立运动。当代，机器人的主要任务是帮助或取代人类进行某些工作。
随着社会的发展和科技的进步，机器人将会得到进一步的进化，从而机器人的定义将会进一步的完善，进一步的明确。
1.1.2机器人的组成
机器人一般包括驱动部分、执行部分、检测部分和控制系统等[2]。
驱动部分有很多种，可以分为直流电机驱动、交流电机驱动、步进电机驱动、伺服电机、超声波电机、液压驱动、气压驱动。
执行部分也就是机器人机械本体，其一般采用铰链连杆机构。
检测部分就是指机器人所装备的各类传感器。要实现机器人的扩展功能就离不开传感器，比如要让机器人避障、越障、检测货源等都需要传感器，通过传感器发送接收信号来实现机器人的灵活运动，也正是因为传感器机器人才能更好的为人类服务，成为人类的有效助手。
机器人一般有两类控制系统。一类是集中控制，集中控制是通过一台主机来控制机器人的所有动作，集中控制虽然简单但对主机要求较高。集中控制适用于功能较为简单的机器人[3]。另一类是分散控制，就是由多台计算机来控制同一个机器人，每台计算机控制机器人的不同功能[4]。分散控制一般应用于具有复杂功能的机器人上，每台计算机分工明确，能够使机器人持续高效的运转。
1.1.3机器人的发展与应用
现代机器人的研究始于20世纪中期，1954年 George Devol 开发出第一台可编程机器人。它使用示教再现控制方式，取得了很好的控制效果，也因此促进该技术得到飞速发展。
1960年 Unimate公司根据Devol的专利技术推出第一台工业机器人。
1968年 第一台智能机器人Shakey在斯坦福研究所（SRI）诞生[5]。
1970年ETL公司发明带视觉的自适应机器人。
1973年Cincinnati Milacron公司推出T3型机器人在工业应用中广受欢迎。
1978年 美国发明了工业机器人PUMA，它适用于多种工作场合，它的出现也标志着工业机器人技术已经进入一个全新的阶段[6]。
1984年 机器人Helpmate问世，该机器人是最早出现的服务性机器人，进一步推动了机器人的发展以及机器人进入
第一章 绪论 1
1.1机器人概述 1
1.1.1机器人的定义 1
1.1.2机器人的组成 1
1.1.3机器人的发展与应用 2
1.1.4机器人的分类和用途 2
1.2论文课题研究目的和意义 3
1.3国内外研究现状 4
1.4本次设计的任务与实现方案 6
1.4.1设计任务 6
1.4.2实现方案 7
1.5本章小结 7
第二章 四足爬行机器人的机械结构 8
2.1爬行机器人的驱动装置 8
2.1.1电机选择 8
2.1.2微型私服马达内部结构 8
2.1.3微型伺服马达的工作原理 9
2.1.4伺服马达的引脚与控制 9
2.1.5伺服马达与单片机的连接 10
2.1.6选用的伺服马达 10
2.2四足爬行机器人的执行机构 11
2.2.1四足爬行机器人的外观 11
2.2.2材料及加工工具选择 12
2.2.3四足爬行机器人的运动构件 12
2.3四足爬行机人的制作过程 14
2.4本章小结 15
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
/> 2.1.5伺服马达与单片机的连接 10
2.1.6选用的伺服马达 10
2.2四足爬行机器人的执行机构 11
2.2.1四足爬行机器人的外观 11
2.2.2材料及加工工具选择 12
2.2.3四足爬行机器人的运动构件 12
2.3四足爬行机人的制作过程 14
2.4本章小结 15
第三章 机构分析与步态分析 16
3.1爬行机器人的机构分析 16
3.1.1前脚行走时机构分析 17
3.1.2后脚行走时的机构分析 17
3.2四足爬行机器人的步态分析 18
3.2.1对角步态 18
3.2.2其它动作 19
3.2.2四足协调 20
3.3本章小结 21
第四章 四足爬行机器人的电路设计及功能模块 22
4.1元件的选择 22
4.1.1 电阻的定义及分类 22
4.1.2 电容的定义及分类 22
4.1.3 STC12C5A60S2单片机简介 22
4.2四足爬行机器人的电路设计 26
4.3四足爬行机器人电路板的手焊过程 28
4.4功能模块 28
4.4.1蓝牙通讯模块 28
4.4.2红外避障传感器 30
4.4.3火焰传感器 31
4.4.4蜂鸣器简介及分类 32
4.4.5爬行机器人的功能实现 34
4.5本章小结 34
第五章 总结与展望 35
5.1总结 35
5.2展望 36
致 谢 37
参考文献 38
第一章 绪论
1.1机器人概述
1.1.1机器人的定义
提到机器人，大家一定不会陌生，比如《终结者》中施瓦辛格所扮演的机器人，《变形金刚》中的汽车人等等。大家对机器人的第一反应就是它一定像人一样有眼睛、鼻子、脚、手。不过当你参观过现代化工厂后，你就会发现，事实并非如此，工厂里的机器人大多数长得不像人类，没有眼睛、鼻子、脚、手,但是它们就是机器人。机器人的定义如下：
机器人是一种利用软件结合硬件，可以独立完成一定的行为或者生产作业的机械装置[1]。或者更确切地说，机器人是一种具人类的感觉功能，并且可以灵活完成人类的某些动作的机械。可能在未来，机器人将具有自己的感情。它既可以接受人类指挥，也可以根据自身所带有的各种传感器或其他先进仪器来实现独立运动。当代，机器人的主要任务是帮助或取代人类进行某些工作。
随着社会的发展和科技的进步，机器人将会得到进一步的进化，从而机器人的定义将会进一步的完善，进一步的明确。
1.1.2机器人的组成
机器人一般包括驱动部分、执行部分、检测部分和控制系统等[2]。
驱动部分有很多种，可以分为直流电机驱动、交流电机驱动、步进电机驱动、伺服电机、超声波电机、液压驱动、气压驱动。
执行部分也就是机器人机械本体，其一般采用铰链连杆机构。
检测部分就是指机器人所装备的各类传感器。要实现机器人的扩展功能就离不开传感器，比如要让机器人避障、越障、检测货源等都需要传感器，通过传感器发送接收信号来实现机器人的灵活运动，也正是因为传感器机器人才能更好的为人类服务，成为人类的有效助手。
机器人一般有两类控制系统。一类是集中控制，集中控制是通过一台主机来控制机器人的所有动作，集中控制虽然简单但对主机要求较高。集中控制适用于功能较为简单的机器人[3]。另一类是分散控制，就是由多台计算机来控制同一个机器人，每台计算机控制机器人的不同功能[4]。分散控制一般应用于具有复杂功能的机器人上，每台计算机分工明确，能够使机器人持续高效的运转。
1.1.3机器人的发展与应用
现代机器人的研究始于20世纪中期，1954年 George Devol 开发出第一台可编程机器人。它使用示教再现控制方式，取得了很好的控制效果，也因此促进该技术得到飞速发展。
1960年 Unimate公司根据Devol的专利技术推出第一台工业机器人。
1968年 第一台智能机器人Shakey在斯坦福研究所（SRI）诞生[5]。
1970年ETL公司发明带视觉的自适应机器人。
1973年Cincinnati Milacron公司推出T3型机器人在工业应用中广受欢迎。
1978年 美国发明了工业机器人PUMA，它适用于多种工作场合，它的出现也标志着工业机器人技术已经进入一个全新的阶段[6]。
1984年 机器人Helpmate问世，该机器人是最早出现的服务性机器人，进一步推动了机器人的发展以及机器人进入
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