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(jié)構(gòu)的設(shè)計、數(shù)學(xué)模型的建立和分析，建立一種機構(gòu)合理、自由度較少的四足仿生機械機構(gòu)代替目前復(fù)雜控制模式的多自由度的腿部結(jié)構(gòu)。此機構(gòu)運動軌跡和動物運動軌跡相似，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；機械結(jié)構(gòu)；傳感器；仿生設(shè)計

中圖分類號：TP24 文獻標(biāo)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(nóng)業(yè)機器人等等，這里設(shè)計的產(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)，其運動簡單，而且能負(fù)重產(chǎn)品比較新穎。由于其機械連桿結(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

本機構(gòu)主要基于機械連桿機構(gòu)控制關(guān)節(jié)的運動和行走，電機帶動主動軸轉(zhuǎn)動，主動軸通過偏心輪帶動從動輪轉(zhuǎn)動，從動輪通過機械連桿機構(gòu)帶動前3、4腳向前運動，當(dāng)3、4腳落地帶動1、2腳向前運動。如此往復(fù)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(jié)為主體?；?jié)連接著軀體平臺，其中各個關(guān)節(jié)都是通過軸連接，電機驅(qū)動主動軸旋轉(zhuǎn)，主動軸帶著機械連桿機構(gòu)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(zhì)輕、容易拆裝。若系統(tǒng)需要強動力性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可改裝為鋼板等其它材質(zhì)。

1-4：仿生機械狗四足結(jié)構(gòu)；5：電機；6：控制平臺

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)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(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、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)動電機轉(zhuǎn)動和系統(tǒng)運作，系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)簡單，便于攜帶。

2.1 最小系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 晶振電路設(shè)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(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

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

2.2 電機控制電路設(shè)計

這里采用的是直流電機，當(dāng)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(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)動電機轉(zhuǎn)動和系統(tǒng)運作。

2.3 傳感器及顯示電路設(shè)計

以單片機為核心，通過溫度傳感器DS18B20對當(dāng)前溫度的檢測送到單片機進行處理與系統(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液晶屏進行顯示，主要對溫度數(shù)據(jù)進行顯示，處理后的數(shù)據(jù)和設(shè)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(dāng)前溫度，如圖6所示

3 程序設(shè)計

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

3.1 主程序

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

打開電源開關(guān)，系統(tǒng)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(shù)據(jù)處理進行顯示，如此循環(huán)如圖7所示。

3.2 子程序

當(dāng)子程序檢測到信號，調(diào)用子程序，首先進行初始化時序，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)建自由度少的機械結(jié)構(gòu)來支撐整體框架，需要的驅(qū)動力較小，能夠很平穩(wěn)的進行行走。應(yīng)用單片機加以控制，實現(xiàn)智能化，溫度采集，后期可通過控制PID輸出，改變驅(qū)動力的大小應(yīng)對不同的情況，增加藍(lán)牙模塊，實現(xiàn)機器人和手機App互聯(lián)，進行實時監(jiān)控。增加其防撞功能。

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