一种基于单片机控制的恐龙机器人设计

申耀武

（广州南洋理工职业学院，广东 广州 510925）

1 恐龙机器人的动作原理

恐龙机器人是一种仿生机器人。仿生机器人是以生物的外形、动作原理及特性为基础，利用机械结构结合电子晶片来模仿生物的一举一动。近年来，仿生机器人的研究一直是机器人研究的热点，具有广阔的开发前景。

本文中的恐龙机器人通过AT89S51单片机产生PWM脉冲信号，控制伺服马达的转动来拉扯头部、尾部及腿部动作，再通过巧妙的机械结构运动方式，使放在恐龙头尾的重量得以调整，使重心转移来达到单脚支撑身体重心的行走方式，所以恐龙的重量分配成为其能否成功行走的重点。

2 恐龙机器人硬件设计

2.1 硬件结构

恐龙机器人结构如图1所示，它由头部、身体、肩部、尾部及腿部等几部分组成。

头部和尾部各装4颗3号电池，为恐龙机器人提供所需的电源，同时电池重量可使恐龙行走时保持平衡。身体部分由8个伺服马达组成。其他机械机构采用亚克力板。

2.1.1 材料选择

制作小型机器人的材料有很多种，本文选用透明亚克力材料，化学名称为甲基丙烯酸甲酯。该恐龙机器人设计制作使用厚度为3mm的亚克力板，这种材料具有良好的表面硬度及光泽，加工容易。由于亚克力板表面比较光滑，需使用专用亚克力胶水，常用氯仿作为黏结剂，但氯仿同时也是一种麻醉剂，具有毒性，透明如水，使用时须注意安全。

2.1.2 伺服马达

小型机器人大多使用 R／C（Radio Control，无线电遥控）伺服马达，其工作电压为4V～6V直流电，体积较小，价格便宜，不需外加电路。该恐龙机器人采用GWS S03T伺服马达，其扭力可达7.2kg·cm，机器人动作顺畅。

R／C伺服马达利用 PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）驱动信号，即利用周期约为20ms～30ms、脉冲宽度为0.8ms～2.2ms的脉冲信号来控制R／C伺服马达的转角，当R／C伺服马达收到这种PWM的脉冲信号时，会根据脉冲宽度的大小选择顺时针转动或逆时针转动，从而改变转动的角度及转动的速度。PWM波形如图2所示。

图2 PWM波形

当脉冲宽度为1.5ms时，R／C伺服马达会停在“中间位置”，当R／C伺服马达接到此信号时，会一直停在中间位置，并固定不动，直到PWM脉冲宽度发生改变；若脉冲宽度为0.8ms时，伺服马达逆时针转到底；若脉冲宽度从0.8ms→1.5ms→2.2ms并维持，伺服马达便顺时针转到底，并固定在该位置上，若此时有外力企图将伺服马达的输出轴心转动离开该位置时，则伺服马达会立刻输出动力使自己维持在原来的位置上，直到脉冲宽度改变。

另外，若脉冲信号的宽度没有在此规定的范围内，或者只给R／C伺服马达电源，而没有给它脉冲信号，都会使R／C伺服马达发生无法预期的转动甚至造成损坏。

2.2 控制电路

采用ATMEL公司生产的AT89S51单片机控制，AT89S51是一种低功率、高效能的8位单片机，工作电压为4.0V～5.5V，具有32个输入／输出引脚，一次可以控制多个R／C伺服马达。

利用AT89S51单片机计时中断方式，可定时产生周期性的PWM信号来驱动伺服马达。

8个R／C伺服马达的信号线接至单片机的P2.0引脚，+VCC脚接VCC，GND脚接地。

控制电路图如图3所示。

图3 控制电路图

3 程序设计

3.1 程序流程图

程序流程图如图4所示。

图4 程序流程图

经过示波器及伺服马达的调整，代表伺服马达位置的暂存器（mtable［0］～［7］）值为53时，伺服马达为中间位置，80为逆时针到底（2.2ms），28为顺时针到底（0.8ms）。所以数值越大，PWM脉冲宽度越大，伺服马达逆时针转动；数值越小，PWM脉冲宽度越小，伺服马达顺时针转动。若更改mtable［0］～［7］的值，就会使伺服马达转动从而带动恐龙机器人完成不同的动作。为避免恐龙机器人机构因转动而损坏，mtable［0］～［7］的范围为80～28。

3.2 恐龙机器人的校正

恐龙机器人在第一次使用时，为避免伺服马达装设的位置未设定在最佳状况，造成启动后机构或者马达损坏，必须对机构进行校正，使每个伺服马达先处在中间位置。校正步骤为：①将恐龙机器人的8个伺服马达输出圆轴从伺服马达主体拨开，也就是让伺服马达转动时，不会带动机构；②利用AT89S51单片机产生PWM脉冲信号，使8个伺服马达通电均处于中间位置；③当伺服马达处于中间位置时，在不切断电源的情况下，将8个伺服马达输出圆轴再装回各自的伺服马达上，以此时的位置作为起点位置。

3.3 恐龙机器人行走实现

实现恐龙机器人的行走，可将其分为8个步骤，各步骤及图示如下：

步骤1：如图5所示，从初始位置开始，首先将重心向右移。

图5 步骤1

步骤2：如图6所示，第2个伺服马达顺时针转动，左脚抬高。

步骤3：如图7所示，第3个伺服马达顺时针转动，左脚向前踏下，同时，右脚向后推，使身体前进。

步骤4：如图8所示，重心左移。

步骤5：如图9所示，左脚置中，右脚抬高跨出。

步骤6：如图10所示，右脚踏下，左脚向后推，使身体向前移。

步骤7：如图11所示，重心向右移。

图6 步骤2

图7 步骤3

图8 步骤4

图9 步骤5

步骤8：直接从步骤2重新开始第2步。

恐龙机器人的行走动作从步骤1开始，接下来步骤2～步骤7不断循环。

4 测试与分析

根据实验，利用前后各2颗电池就可以使恐龙行走达到平衡，但由于考虑到伺服马达的耗电问题，本恐龙机器人使用了8颗3号电池，也因此增加了恐龙的自身重量，使恐龙从蹲下到站立时会稍微有点吃力，但仍能完成规定动作。也可使用锂电池或移动电源，并在恐龙机器人头部和尾部配上重量，使机器人行走时达到重心平衡。

图10 步骤6

图11 步骤7

5 结束语

本文设计的恐龙机器人，其硬件和控制电路结构简单，程序控制动作灵活，便于实现。本恐龙机器人可以实现恐龙的蹲下、站立、取食及观测动作，也可藉由重心转移时产生的惯性，并配合步法来做转弯的动作。实验证明，该方案设计有效。

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