毕业设计(论文)基于STM32仿生六足机器人学院： 电子与信息工程学院 专业： XXXXXXXXXXXXXXXX 学号： XXXXXXXXXXX 作者： XXX 指导老师： XXX 基于STM32仿生六足机器人电子与信息工程学院 XXXXXXXXXXXX专业作者 XXX 指导教师 XXX【摘 要】在科技高速发展的信息社会，机器人在工业，军事，探测等各个领域起着越来越重要和不可替代的位置，机器人研究成为目前世界各国研究的热点。仿生六足机器人涉及仿生学、机械学、信息技术和传感技术等众多学科，是机器人研究的一大分支。仿生六足机器人模仿生物界爬行动物的肢体结构，具有良好的机动性和自适应能力，在军事运输、矿山开采、星球探测等众多领域具有广阔前景。本设计采用ARM内核结构(Cortex-M3)的STM32F103RBT6为主控芯片，通过内部定时器产生脉宽调制信号，以及使用74HC138进行分时复用来控制六足机器人的关节，即18个MG955舵机。通过BMX-02蓝牙转串口模块连接手机和机器人，实现手机蓝牙遥控。采用UN2003A电机驱动芯片驱动步进电机，并配合红外传感器使机器人实现智能避障。由于该机器人拥有18自由度，肢体灵活，还可实现各种类似舞蹈的特殊动作。【关键词】 仿生六足机器人；STM32F103RBT6；舵机控制 目录1绪论1 1.1 课题研究背景意义 1 1.2 仿生六足机器人的现状1 1.3 本设计系统结构2 1.4 本论文的组织结构22肢体结构和步态规划3 2.1 肢体结构设计3 2.2 步态规划3 2.2.1 三角步态3 2.3 本章小结43硬件设计介绍与系统各部分工作原理5 3.1主控芯片STM32F103RBT6简介5 3.2 STM32F103RBT6最小系统电路5 3.2.1 主芯片原理图5 3.2.2 晶振电路6 3.2.3 复位电路6 3.2.4下载电路7 3.3 舵机原理与控制7 3.3.1 舵机内部结构7 3.3.2 舵机的工作原理7 3.3.3 舵机控制方法8 3.3.4 辉盛MG995舵机相关参数8 3.4 舵机驱动电路9 3.5 步进电机驱动电路9 3.6 蓝牙接收电路10 3.7 供电系统介绍10 3.7.1舵机供电10 3.7.2主芯片及其他电路供电10 3.8 本章小结104软件流程设计与开发工具介绍10 4.1 软件流程框图10 4.2 PWM脉冲信号的形成11 4.3 行走程序介绍13 4.4 蓝牙上位机设计14 4.5 蓝牙接收程序介绍15 4.6 舞蹈子程序介绍16 4.7 避障子程序介绍17 4.8 本章小结175设计制作与调试过程17 5.1 硬件电路设计17 5.1.1 原理图PCB电路与制作工艺设计18 5.1.2 PCB板的检测18 5.2 初步软件编程与调试18 5.3 调试过程中出现的问题186结束语187致谢19 参考文献20英文摘要21附录一：原理图22附录二：PCB图25附录三：实物图27附录四：器件清单28附录五：部分程序29基于STM32仿生六足机器人1.绪论1.1 课题研究背景意义机器人是集合了电子技术、机械技术、传感器技术、智能控制技术等于一体的高科技产品。各国现今大力的对它研究，研究机器人的水平在一定程度上反应了该国科技的水平。随着科技的发展，人们对机器人的需求也越来越高，人们希望机器人能在复杂环境中既具有高移动能力，又具有高可靠性。过去的机器人结构多为轮式结构，这种机器人只局限于二维平面的运动，对于那些崎岖不平以及有高度差的路面将失去灵活性，因此外形类似人类或昆虫的两足甚至多足机器人诞生了。仿生六足机器人是基于仿生学原理与电子技术相结合的足式机器人。和轮式或着履带式的机器人相比较，六足机器人自由度比较多、相对灵活、但结构复杂、控制繁琐1。由于六足机器人的腿部是离散结构，具有较好的机动性，它可以选择最优的立足点来实现自身的平衡，从而实现一些轮式或履带式机器人无法实现的工作，例如攀爬阶梯，横跨沟，坎等，即使在不平的路面，也能通过控制腿的伸缩使机身保持水平。由于以上的诸多特点，足式的机器人成为当今的科技研究热点。1.2 仿生六足机器人的现状 最近在国外科技会展上出现了一款基于仿生学的六足机器人。这款命名为“蟑螂”的机器能够模仿昆虫行走，有较强通过性。“MANTIS（蟑螂）”行走机器人是由名为micromagic systems的公司制造，驾驶舱内能够容纳一名驾驶员。MANTIS机器人模仿了六足行进模式的昆虫，六足机器人行走的时候腿分为两组，不断的重复脚抬高、前进、落下动作，抬起的三条腿正好连成三角形形状，这样就能够确保行走时的稳定性，这种行走方法速度比较慢，但是很适合在复杂的地形行走。图1-1MANTIS模仿昆虫行走模式由上海交通大学设计研发出的“六爪章鱼”救援机器人进行了载人试验。“六爪章鱼”由18个直流电机作为驱动，高度为1米，伸展时的大小能达到4米。它是通过远程控制，能够非常灵敏的向各个方向行走，速度最高能达1.2千米/小时，能载重200kg的物体。“六爪章鱼”吸引人的地方不只是它的外表，它的用途主要是用来救援和环境的探测，能够在核电站等具有高辐射的恶劣环境下工作，并且带着检测工具进入危险环境作业。同时该机器人还可在火灾、水下、地震灾区进行搜索救援任务。 图1-1 2013年5月上海科技 图1-2 2012年上海工博会，美 节上，小朋友体验六足机器人 女与机器人大跳“江南style” 1.3 本设计系统结构该机器人采用STM32为主控芯片，通过按键进行功能选择。当选择蓝牙控制功能时，机器人将通过蓝牙接收电路接收手机端发来的信号，主芯片对蓝牙信号进行处理，使机器人做出相应动作。当选择避障功能时，主芯片控制步进电机电路使步进电机带动红外传感器旋转，红外传感器对外部环境扫描并判断，反馈给主芯片，主芯片对红外传感器传来信息处理并控制舵机转动，使机器人产生相应动作。当选择舞蹈功能时，机器人将自动跳出有节奏的动作。手机蓝牙信号蓝牙串口接收功能选择按键 STM32F103RBT6 核心处理芯片光耦隔离驱动电路脉宽调制控制避障 红外传感器台式电脑电源供电18个MG955舵机方向控制根据红外检测、蓝牙遥控进行行走舞蹈等动作 步进电机图1-3 系统结构1.4本论文的组织结构第一章阐述课题的背景，课题的研究意义，国内外发展现状，并介绍了本课题的主要工作内容和系统框图。第二章介绍仿生六足机器人的步态规划，详细介绍三角步态的原理及机器人实现行走的动作控制，以及机器人的肢体结构。第三章详细的介绍了系统硬件的具体实现。把硬件部分一一的列举出来，并分析各个硬件的工作原理，引脚的连接。第四章介绍了软件开发工具和软件的具体实现方法。包括开发环境介绍，脉宽调制信号的生成，机器人行走的软件设计，蓝牙信号的接收设计等。第五章总结了系统的工作，以及对整个系统的展望。2.肢体结构设计及步态规划2.1肢体结构设计 一期方案：采用0.8mm铝板为肢体原料，通过铁皮剪刀裁剪出机器人肢体的各个部分形状，通过铁钉钻孔，螺丝固定，组装成肢体架构。此方案完全为自主设计，成本较低，但由于铝板较薄，硬度不够，负重能力较差，且铝板裁剪过程中难免存在误差，造成机器人灵活性下降。以下为采用方案一制作出的第一版机器人，仅能实现行走。 二期方案：在吸取方案一的经验教训后，对肢体结构进行改造，采用3mm的硬质支架，从而解决了由于支架造成的影响。 图2-1 方案一支架 图2-2 方案二支架2.2六足机器人步态规划2.2.1三角步态：为了实现六足机器人的平衡与运动，采用了三角步态的工作方式 。行走的时后将六条腿划分成两组，每组腿构成三角形，不断的重复着抬起、前进、放下动作，这样就可以保证行进过程的稳定性2。 六足机器人的舵机分布如图2-3所示，因为一足的运动需要3个舵机，根据六足的不同位置，将18个舵机进行命名，分别为头右1，头右2，头右3，中右1，中右2，中右3，尾右1，尾右2，尾右3，头左1，头左2，头左3，中左1，中左2，中左3，尾左1，尾左2，尾左3。 图2-3 舵机分布命名前进时每支腿的运动情况如下：第一步骤：头右2、尾右2、中左2抬起； 第二步骤：头右1、尾右1、中左1,前转，同时头左1、尾左1、中右1归位；第三步骤：头左2、尾右2、中右2放下；第四步骤：头左2、尾左2、中右2抬起；第五步骤：头左1、尾左1、中右1前移，同时头右1、尾右1、中左1,归位；第六步骤：头左2、尾左2、中右2放下；后退时每支腿的运动情况如下：第一步骤：头右2、尾右2、中左2抬起； 第二步骤：头右1、尾右1、中左1,后转，同时头左1、尾左1、中右1归位；第三步骤：头左2、尾右2、中右2放下；第四步骤：头左2、尾左2、中右2抬起；第五步骤：头左1、尾左1、中右1后转，同时头右1、尾右1、中左1,归位；第六步骤：头左2、尾左2、中右2放下；在需要左右移动时，没有选择螃蟹横移法，而是需要先转向，然后再前进或后退。左转时每支腿的运动情况如下：第一步骤：头右2、尾右2、中左2抬起； 第二步骤：头右1、尾右1、中左1,前转，同时头左1、尾左1、中右1归位；第三步骤：头左2、尾右2、中右2放下；第四步骤：头左2、尾左2、中右2抬起；第五步骤：头左1、尾左1、中右1后转，同时头右1、尾右1、中左1,归位；第六步骤：头左2、尾左2、中右2放下；右转时每支腿的运动情况如下：第一步骤：头右2、尾右2、中左2抬起； 第二步骤：头右1、尾右1、中左1后转，同时头左1、尾左1、中右1归位；第三步骤：头左2、尾右2、中右2放下；第四步骤：头左2、尾左2、中右2抬起；第五步骤：头左1、尾左1、中右1前转，同时头右1、尾右1、中左1,归位；