爬行机器人的步态分析与控制程序设计
本文首先对机器人的发展史及其分类做了详细的阐述。随后详细介绍了机械结构设计、硬件电路部分设计、控制系统软件设计三个方面。在机械结构设计中详细介绍了机器人驱动机构舵机和机器人的组装。硬件电路部分设计主要阐述了单片机基本概念及控制机器人的电路板原理图和PCB图。接着从软件部分入手详细分析机器人的步态及步态实现，并将机器人运行程序做了说明，包括串行通信模块、延时模块定时器模块等。最后对扩展部件如蓝牙模块、红外模块、火焰传感器模块以及蜂鸣器发声模块做了简介，并附有相应的软件和图文资料。最终机器人可以在崎岖的地面上行走并且可以实现避障功能，而且能识别火源以及进行简单环境探测,同时可以发出警报信号。至此，我们通过对机器人的制作、调试和验证，提出了机器人需要完善和改进的地方，并在次基础上对机器人的发展前景作了展望。关键词：四足爬行机器人；仿生学；步态分析；STC12C5A60S2；蓝牙控制；目 录
第一章 绪论 1
1.1 机器人概述 1
1.2 机器人的基本结构 1
1.3 机器人的发展史 2
1.4 机器人分类 4
1.5 本次设计的任务与主要内容 5
第二章 四足爬行机器人的机械结构简介 6
2.1 爬行机器人的驱动装置 6
2.1.1 舵机MG995内部结构 6
2.1.2 舵机的工作原理 6
2.1.3 舵机的控制 7
2.1.4 选用的舵机 8
2.2 四足爬行机人的制作过程 8
2.3 所用到的元器件 10
2.4 主单片机简介 10
2.5 四足爬行机器人的电路设计 13
2.6 小结 14
第三章 四足爬行机器人的步态及控制程序设计 15
3.1 步态分析及其实现? 15
3.1.1 引言 15
3.1.2 四足协调 15
3 1.3 对角步态走法 15
3.1.4 步态的基本概念 16
3.2 对角线步态稳定性及行走轨迹分析 16
3.3 四足机器人行走相关参数分析 18<
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三章 四足爬行机器人的步态及控制程序设计 15
3.1 步态分析及其实现? 15
3.1.1 引言 15
3.1.2 四足协调 15
3 1.3 对角步态走法 15
3.1.4 步态的基本概念 16
3.2 对角线步态稳定性及行走轨迹分析 16
3.3 四足机器人行走相关参数分析 18
3.3.1 负载因子系数分析 18
3.3.2 移动速度v分析 18
3.3.3 转弯状态分析 19
3.3.4 转弯半径分析 19
3.4 基本原理 20
3.4.1 STC12C5A60S2内部定时器/计数器工作方式的选定 20
3.4.2 STC12C5A60S2的串行口和控制寄存器的工作方式选定 22
3.5 单片机控制程序 24
3.5.1 对头文件及相关引脚的定义 24
3.5.2 延时程序 25
3.5.3 舵机初始化模块的定义 25
3.5.4 机器人前进程序 25
3.5.5 机器人后退程序 25
3.5.6 机器人左行程序 26
3.5.7 机器人右行程序 26
3.5.8 串口通信init()初始化 27
3.5.9 定时器初始化 27
3.6 中断函数中包括的两种中断 27
3.6.1 正常行走模式程序 30
3.6.2 舵机稳定控制动作的程序 31
3.7 小结 34
第四章 四足爬行机器人的功能扩展部件 35
4.1 蓝牙模块 35
4.2 红外避障模块 37
4.3 火焰传感器 39
4.4 蜂鸣器 40
4.5 小结 41
第五章 结论 42
5.1 作品成果展示图片 42
5.2 结论及对未来的展望 42
致 谢 45
参考文献 46
第一章 绪论
1.1 机器人概述
众所周知，机器人是人类在不断进步中诞生的一个用于帮助人们完成危险工作的机器，也是科学技术进步的标志。机器人的飞速发展，现在机器人进入我们生活中已经成为一种趋势，也让我们的生活从复杂变得更加简单，但也带来了一些负面影响[1]。
机器人是技术的不断发展及人类进步的结晶。随着社会技术的发展和人类活动的需要，机器人也将等上全新的舞台，在很多人类无法完成的领域，都将是机器人代替人类去实现，如医学，工业等方面[2]。
我国在机器人方面的发展还处于落后的阶段，一些欧美的国家认为，机器人是可以通过计算机编程实现自动行为的多功能机械[3]。但也有不同意见，不同国家有着不同的观点，“机器人就是任何高级的自动机械”[4]是日本人提出的，机械手的操作也包括在其中。因此，很多人并不赞同欧美的那种观点[5]。
至今来看，机器人的概念也在不断趋于准确，尤其是国际上定义的概念已基本完善。一般情况下，大部分科研人员也同意这种说法，即机器人是通过本身动力和控制能力来实现所有功能的一种机器[6]。然而，每个国家因为研究领域的不同也会有不同的定义。总之，随着机器人的不断发展机器人的定义将会进一步的修改，进一步明确和统一[7]。
机器人有着不同的研究领域如基础研究和应用研究。主要研究领域包括：工业机器人、水中机器人、空中机器人、运动轨迹、传感器研究、视觉传感器、机器人控制、机器人本体结构、机器人智能等。机器人的发展还处于发展阶段，但前景是美好的[8]。
1.2 机器人的基本结构
该爬行机器人的基本结构包括作包括：圆盘底座，U形连接架，支架，51系列单片机，软件，传感器，控制器[9]。
圆盘底座：这是机器人的基本支撑结构，所有结构的连接都在底座上，通过底座将四条腿及硬件部分连接在一起。U行连接架：U形支架将舵机连接在一起，增大每个舵机之间的灵活性，使舵机之间不会产生摩擦及碰撞。支架：将两个舵机固定连接在一起，使舵机之间不能随意转动。51系列单片机:这是机器人的主要控制器，通过其处理发来信息，并将处理的信息以信号发给舵机以便控制机器人运动[10]。软件：机器人的运动需要程序来控制，不同的指令可以实现不同的运动，程序的编写得通过软件来实现，软件是机器人设计中非常重要的部分，是决定机器人动作的必备条件。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。机械手或移动车：这是机器人的主体部分，有连杆，活动关节以及其他结构部件完成。控制器：控制器是机器人精确运动所不可或缺的部分，我们要让机器人协调运动就需要控制器来获取信息，控制其动作，并与传感器反馈回来的信息共同协调机器人的运动，实现机器人更准确的动作。
1.3 机器人的发展史
机器人的发展可追溯到遥远的古代，正是有了这些具有想象力和创
第一章 绪论 1
1.1 机器人概述 1
1.2 机器人的基本结构 1
1.3 机器人的发展史 2
1.4 机器人分类 4
1.5 本次设计的任务与主要内容 5
第二章 四足爬行机器人的机械结构简介 6
2.1 爬行机器人的驱动装置 6
2.1.1 舵机MG995内部结构 6
2.1.2 舵机的工作原理 6
2.1.3 舵机的控制 7
2.1.4 选用的舵机 8
2.2 四足爬行机人的制作过程 8
2.3 所用到的元器件 10
2.4 主单片机简介 10
2.5 四足爬行机器人的电路设计 13
2.6 小结 14
第三章 四足爬行机器人的步态及控制程序设计 15
3.1 步态分析及其实现? 15
3.1.1 引言 15
3.1.2 四足协调 15
3 1.3 对角步态走法 15
3.1.4 步态的基本概念 16
3.2 对角线步态稳定性及行走轨迹分析 16
3.3 四足机器人行走相关参数分析 18<
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三章 四足爬行机器人的步态及控制程序设计 15
3.1 步态分析及其实现? 15
3.1.1 引言 15
3.1.2 四足协调 15
3 1.3 对角步态走法 15
3.1.4 步态的基本概念 16
3.2 对角线步态稳定性及行走轨迹分析 16
3.3 四足机器人行走相关参数分析 18
3.3.1 负载因子系数分析 18
3.3.2 移动速度v分析 18
3.3.3 转弯状态分析 19
3.3.4 转弯半径分析 19
3.4 基本原理 20
3.4.1 STC12C5A60S2内部定时器/计数器工作方式的选定 20
3.4.2 STC12C5A60S2的串行口和控制寄存器的工作方式选定 22
3.5 单片机控制程序 24
3.5.1 对头文件及相关引脚的定义 24
3.5.2 延时程序 25
3.5.3 舵机初始化模块的定义 25
3.5.4 机器人前进程序 25
3.5.5 机器人后退程序 25
3.5.6 机器人左行程序 26
3.5.7 机器人右行程序 26
3.5.8 串口通信init()初始化 27
3.5.9 定时器初始化 27
3.6 中断函数中包括的两种中断 27
3.6.1 正常行走模式程序 30
3.6.2 舵机稳定控制动作的程序 31
3.7 小结 34
第四章 四足爬行机器人的功能扩展部件 35
4.1 蓝牙模块 35
4.2 红外避障模块 37
4.3 火焰传感器 39
4.4 蜂鸣器 40
4.5 小结 41
第五章 结论 42
5.1 作品成果展示图片 42
5.2 结论及对未来的展望 42
致 谢 45
参考文献 46
第一章 绪论
1.1 机器人概述
众所周知，机器人是人类在不断进步中诞生的一个用于帮助人们完成危险工作的机器，也是科学技术进步的标志。机器人的飞速发展，现在机器人进入我们生活中已经成为一种趋势，也让我们的生活从复杂变得更加简单，但也带来了一些负面影响[1]。
机器人是技术的不断发展及人类进步的结晶。随着社会技术的发展和人类活动的需要，机器人也将等上全新的舞台，在很多人类无法完成的领域，都将是机器人代替人类去实现，如医学，工业等方面[2]。
我国在机器人方面的发展还处于落后的阶段，一些欧美的国家认为，机器人是可以通过计算机编程实现自动行为的多功能机械[3]。但也有不同意见，不同国家有着不同的观点，“机器人就是任何高级的自动机械”[4]是日本人提出的，机械手的操作也包括在其中。因此，很多人并不赞同欧美的那种观点[5]。
至今来看，机器人的概念也在不断趋于准确，尤其是国际上定义的概念已基本完善。一般情况下，大部分科研人员也同意这种说法，即机器人是通过本身动力和控制能力来实现所有功能的一种机器[6]。然而，每个国家因为研究领域的不同也会有不同的定义。总之，随着机器人的不断发展机器人的定义将会进一步的修改，进一步明确和统一[7]。
机器人有着不同的研究领域如基础研究和应用研究。主要研究领域包括：工业机器人、水中机器人、空中机器人、运动轨迹、传感器研究、视觉传感器、机器人控制、机器人本体结构、机器人智能等。机器人的发展还处于发展阶段，但前景是美好的[8]。
1.2 机器人的基本结构
该爬行机器人的基本结构包括作包括：圆盘底座，U形连接架，支架，51系列单片机，软件，传感器，控制器[9]。
圆盘底座：这是机器人的基本支撑结构，所有结构的连接都在底座上，通过底座将四条腿及硬件部分连接在一起。U行连接架：U形支架将舵机连接在一起，增大每个舵机之间的灵活性，使舵机之间不会产生摩擦及碰撞。支架：将两个舵机固定连接在一起，使舵机之间不能随意转动。51系列单片机:这是机器人的主要控制器，通过其处理发来信息，并将处理的信息以信号发给舵机以便控制机器人运动[10]。软件：机器人的运动需要程序来控制，不同的指令可以实现不同的运动，程序的编写得通过软件来实现，软件是机器人设计中非常重要的部分，是决定机器人动作的必备条件。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。机械手或移动车：这是机器人的主体部分，有连杆，活动关节以及其他结构部件完成。控制器：控制器是机器人精确运动所不可或缺的部分，我们要让机器人协调运动就需要控制器来获取信息，控制其动作，并与传感器反馈回来的信息共同协调机器人的运动，实现机器人更准确的动作。
1.3 机器人的发展史
机器人的发展可追溯到遥远的古代，正是有了这些具有想象力和创
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