一種基于單片機(jī)控制的恐龍機(jī)器人設(shè)計(jì)

申耀武

（廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510925）

1 恐龍機(jī)器人的動(dòng)作原理

恐龍機(jī)器人是一種仿生機(jī)器人。仿生機(jī)器人是以生物的外形、動(dòng)作原理及特性為基礎(chǔ)，利用機(jī)械結(jié)構(gòu)結(jié)合電子晶片來(lái)模仿生物的一舉一動(dòng)。近年來(lái)，仿生機(jī)器人的研究一直是機(jī)器人研究的熱點(diǎn)，具有廣闊的開(kāi)發(fā)前景。

本文中的恐龍機(jī)器人通過(guò)AT89S51單片機(jī)產(chǎn)生PWM脈沖信號(hào)，控制伺服馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)拉扯頭部、尾部及腿部動(dòng)作，再通過(guò)巧妙的機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方式，使放在恐龍頭尾的重量得以調(diào)整，使重心轉(zhuǎn)移來(lái)達(dá)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(diǎn)。

2 恐龍機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

恐龍機(jī)器人結(jié)構(gòu)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(hào)電池，為恐龍機(jī)器人提供所需的電源，同時(shí)電池重量可使恐龍行走時(shí)保持平衡。身體部分由8個(gè)伺服馬達(dá)組成。其他機(jī)械機(jī)構(gòu)采用亞克力板。

2.1.1 材料選擇

制作小型機(jī)器人的材料有很多種，本文選用透明亞克力材料，化學(xué)名稱為甲基丙烯酸甲酯。該恐龍機(jī)器人設(shè)計(jì)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(jié)劑，但氯仿同時(shí)也是一種麻醉劑，具有毒性，透明如水，使用時(shí)須注意安全。

2.1.2 伺服馬達(dá)

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

R／C伺服馬達(dá)利用 PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）驅(qū)動(dòng)信號(hào)，即利用周期約為20ms～30ms、脈沖寬度為0.8ms～2.2ms的脈沖信號(hào)來(lái)控制R／C伺服馬達(dá)的轉(zhuǎn)角，當(dāng)R／C伺服馬達(dá)收到這種PWM的脈沖信號(hào)時(shí)，會(huì)根據(jù)脈沖寬度的大小選擇順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變轉(zhuǎn)動(dòng)的角度及轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。PWM波形如圖2所示。

圖2 PWM波形

當(dāng)脈沖寬度為1.5ms時(shí)，R／C伺服馬達(dá)會(huì)停在“中間位置”，當(dāng)R／C伺服馬達(dá)接到此信號(hào)時(shí)，會(huì)一直停在中間位置，并固定不動(dòng)，直到PWM脈沖寬度發(fā)生改變；若脈沖寬度為0.8ms時(shí)，伺服馬達(dá)逆時(shí)針轉(zhuǎn)到底；若脈沖寬度從0.8ms→1.5ms→2.2ms并維持，伺服馬達(dá)便順時(shí)針轉(zhuǎn)到底，并固定在該位置上，若此時(shí)有外力企圖將伺服馬達(dá)的輸出軸心轉(zhuǎn)動(dòng)離開(kāi)該位置時(shí)，則伺服馬達(dá)會(huì)立刻輸出動(dòng)力使自己維持在原來(lái)的位置上，直到脈沖寬度改變。

另外，若脈沖信號(hào)的寬度沒(méi)有在此規(guī)定的范圍內(nèi)，或者只給R／C伺服馬達(dá)電源，而沒(méi)有給它脈沖信號(hào)，都會(huì)使R／C伺服馬達(dá)發(fā)生無(wú)法預(yù)期的轉(zhuǎn)動(dòng)甚至造成損壞。

2.2 控制電路

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

利用AT89S51單片機(jī)計(jì)時(shí)中斷方式，可定時(shí)產(chǎn)生周期性的PWM信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)伺服馬達(dá)。

8個(gè)R／C伺服馬達(dá)的信號(hào)線接至單片機(jī)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(shè)計(jì)

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(jīng)過(guò)示波器及伺服馬達(dá)的調(diào)整，代表伺服馬達(dá)位置的暫存器（mtable［0］～［7］）值為53時(shí)，伺服馬達(dá)為中間位置，80為逆時(shí)針到底（2.2ms），28為順時(shí)針到底（0.8ms）。所以數(shù)值越大，PWM脈沖寬度越大，伺服馬達(dá)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；數(shù)值越小，PWM脈沖寬度越小，伺服馬達(dá)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。若更改mtable［0］～［7］的值，就會(huì)使伺服馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)恐龍機(jī)器人完成不同的動(dòng)作。為避免恐龍機(jī)器人機(jī)構(gòu)因轉(zhuǎn)動(dòng)而損壞，mtable［0］～［7］的范圍為80～28。

3.2 恐龍機(jī)器人的校正

恐龍機(jī)器人在第一次使用時(shí)，為避免伺服馬達(dá)裝設(shè)的位置未設(shè)定在最佳狀況，造成啟動(dòng)后機(jī)構(gòu)或者馬達(dá)損壞，必須對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行校正，使每個(gè)伺服馬達(dá)先處在中間位置。校正步驟為：①將恐龍機(jī)器人的8個(gè)伺服馬達(dá)輸出圓軸從伺服馬達(dá)主體撥開(kāi)，也就是讓伺服馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，不會(huì)帶動(dòng)機(jī)構(gòu)；②利用AT89S51單片機(jī)產(chǎn)生PWM脈沖信號(hào)，使8個(gè)伺服馬達(dá)通電均處于中間位置；③當(dāng)伺服馬達(dá)處于中間位置時(shí)，在不切斷電源的情況下，將8個(gè)伺服馬達(dá)輸出圓軸再裝回各自的伺服馬達(dá)上，以此時(shí)的位置作為起點(diǎn)位置。

3.3 恐龍機(jī)器人行走實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)恐龍機(jī)器人的行走，可將其分為8個(gè)步驟，各步驟及圖示如下：

步驟1：如圖5所示，從初始位置開(kāi)始，首先將重心向右移。

圖5 步驟1

步驟2：如圖6所示，第2個(gè)伺服馬達(dá)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，左腳抬高。

步驟3：如圖7所示，第3個(gè)伺服馬達(dá)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，左腳向前踏下，同時(shí)，右腳向后推，使身體前進(jìn)。

步驟4：如圖8所示，重心左移。

步驟5：如圖9所示，左腳置中，右腳抬高跨出。

步驟6：如圖10所示，右腳踏下，左腳向后推，使身體向前移。

步驟7：如圖11所示，重心向右移。

圖6 步驟2

圖7 步驟3

圖8 步驟4

圖9 步驟5

步驟8：直接從步驟2重新開(kāi)始第2步。

恐龍機(jī)器人的行走動(dòng)作從步驟1開(kāi)始，接下來(lái)步驟2～步驟7不斷循環(huán)。

4 測(cè)試與分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)，利用前后各2顆電池就可以使恐龍行走達(dá)到平衡，但由于考慮到伺服馬達(dá)的耗電問(wèn)題，本恐龍機(jī)器人使用了8顆3號(hào)電池，也因此增加了恐龍的自身重量，使恐龍從蹲下到站立時(shí)會(huì)稍微有點(diǎn)吃力，但仍能完成規(guī)定動(dòng)作。也可使用鋰電池或移動(dòng)電源，并在恐龍機(jī)器人頭部和尾部配上重量，使機(jī)器人行走時(shí)達(dá)到重心平衡。

圖10 步驟6

圖11 步驟7

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的恐龍機(jī)器人，其硬件和控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，程序控制動(dòng)作靈活，便于實(shí)現(xiàn)。本恐龍機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)恐龍的蹲下、站立、取食及觀測(cè)動(dòng)作，也可藉由重心轉(zhuǎn)移時(shí)產(chǎn)生的慣性，并配合步法來(lái)做轉(zhuǎn)彎的動(dòng)作。實(shí)驗(yàn)證明，該方案設(shè)計(jì)有效。

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