2023年智能機(jī)器人跨專業(yè)公選實(shí)驗(yàn)

智能機(jī)器人跨專業(yè)公選實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

范守文吳獻(xiàn)鋼袁太文陳暢

電子科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院

2005年9月

機(jī)器人自己做，也許你從小有這樣的一

個(gè)夢，在這里，我們讓你夢想成真！

第一篇機(jī)器人控制電路基礎(chǔ)

一、復(fù)位電路

VCC

任何單片機(jī)在工作之前都要有個(gè)復(fù)位

的過程，復(fù)位是什么意思呢？它就象是我P1.0

1

P1.1

2

們上課之前打的預(yù)備鈴。預(yù)備鈴一響，大PL2

3

PL3

家就自動(dòng)地從操場、其它地方進(jìn)入教室了，4

PL7

5

在這一段時(shí)間里，是沒有老師干預(yù)的，對■C2PL5

6

22uFPL6I

單片機(jī)來說，是程序還沒有開始執(zhí)行，是7

Pl.7S

8

在做準(zhǔn)備工作。顯然，準(zhǔn)備工作不需要太O

96

22010

長的時(shí)間，復(fù)位只需要5ms的時(shí)間就可以TxD

118

RIINTO

了。如何進(jìn)行復(fù)位呢？只要在單片機(jī)的12K

IkINTT

RST引腳上加上高電平，就可以了，按上13

14

面所說，時(shí)間不少于5ms。為了達(dá)到這個(gè)15

WR

要求，可以用很多種方法，這里提供一種16

17

XTAL7

供參考，見圖1。18

這種復(fù)位電路的工作原理是：通電時(shí)，圖1復(fù)位電路

電容兩端相當(dāng)于是短路，于是RST引腳上

為高電平，然后電源通過電阻對電容充電，

RST端電壓慢慢下降，降到一定程序，即為低

電平，單片機(jī)開始正常工作。

二、晶振電路AT89C51

單片機(jī)是一種時(shí)序電路，必須提供脈沖信

號(hào)才能正常工作，在單片機(jī)內(nèi)部已集成了振蕩

器，使用晶體振蕩器，接18、19腳。只要買

圖2晶振電路

來晶振，電容，連上就可以了，按圖2接上即

可。

VCCVDD

I

gOTJT1

o

x

u

6OUT2

8

/

COUTS

8

OUT4

圖3機(jī)器人驅(qū)動(dòng)芯片AS611

三、機(jī)器人驅(qū)動(dòng)芯片AS611

圖3是機(jī)器人驅(qū)動(dòng)芯片AS611與51單片機(jī)連接的電路原理圖

AS611內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，其額定工作電流為1A,最大可達(dá)1.5A,Vss電

壓最小4.5V,最大可達(dá)36V；Vs電壓最大值也是36V。下表是其使能、輸入引腳和輸出引

腳的邏輯關(guān)系（電路按圖3連接）：

ENA(B)INI(IN3)IN2(IN4)電機(jī)運(yùn)行情況

HHL正轉(zhuǎn)

HLH反轉(zhuǎn)

H同IN2(IN4)同INI(IN3)快速停止

LXX停止

四、74LS21四輸入與門

74LS21四輸入與門引腳如圖4所示。

圖474LS21四輸入與門引腳圖

五、LM324四運(yùn)放集成電路

LM324是四運(yùn)放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝。它的內(nèi)部包含四組形式完

全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外,四組運(yùn)放相互獨(dú)立。

圖5LM324四運(yùn)放的組成與引腳圖

每一組運(yùn)算放大器可用圖5a所示的符號(hào)來表示，它有5個(gè)引出腳，其中“+為

兩個(gè)信號(hào)輸入端，“v+”、“V」為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，Vi-

（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信

號(hào)與該輸入端的相位相反；Vi+（+）為同相輸

入端,表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的

相位相同。LM324的引腳排列見圖5b。

由于LM324四運(yùn)放電路具有電源電壓范

圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價(jià)格低廉

等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。

當(dāng)去掉運(yùn)放的反饋電阻時(shí),或者說反饋電

阻趨于無窮大時(shí)（即開環(huán)狀態(tài)），理論上認(rèn)為運(yùn)放

的開環(huán)放大倍數(shù)也為無窮大。此時(shí)運(yùn)放便形成

一個(gè)電壓比較器，其輸出如不是高電平（V+）,

就是低電平（V-或接地）。當(dāng)正輸入端電壓高于

負(fù)輸入端電壓時(shí)，運(yùn)放輸出低電平。

六、碰撞開關(guān)

碰撞開關(guān)引腳與尺寸如圖6所示。引腳1為信號(hào)輸出腳，引腳2接地，引腳3接+5V。

七、紅外發(fā)射管

紅外發(fā)射管發(fā)出的光是不可見的，它發(fā)出的峰Dimensions

值波長在900nm左右，屬于紅外波段，由于一般半1.OUTPUT

導(dǎo)體硅光敏器件的峰值波長在900nm左右，因此可2.GROUND

3.VCC

以方便地構(gòu)筑紅外傳感系統(tǒng)。智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)中使

6.4±0.3-

用的紅外發(fā)射管波長為—13-20

880nm,其電路符號(hào)及外

形如圖7所示。

紅外發(fā)射管的主要優(yōu)

點(diǎn)是：體積小、壽命長、a

功耗小、響應(yīng)速度快（可

以調(diào)制到幾十兆赫）等，

因此在光電控制中被大量

采用。其主要缺點(diǎn)是：有圖7紅外發(fā)射管外形圖8紅外接收頭引腳

與電路符號(hào)

方向性、易受環(huán)境溫度影與尺寸圖

響等。

紅外發(fā)射管工作在正向電壓下，

其正向特征與普通二極管一樣。對它

施加幾伏正向電壓后，就會(huì)發(fā)出不可

見的紅外光，光敏元件接收到此紅外

光后，就會(huì)輸出相應(yīng)的信號(hào)。由于紅

外發(fā)射管在正向電流下工作，因此發(fā)

光強(qiáng)度隨正向電流的增加而增加，因

此調(diào)整流過紅外發(fā)射管的正向電流，

便可以調(diào)整輸出光功率（即發(fā)光強(qiáng)

度），對應(yīng)地達(dá)到調(diào)整有效檢測距離的

圖9紅外傳感器測障原理

目的。

八、紅外接收頭

紅外接收頭引腳與尺寸如圖8所示。引腳1為信號(hào)輸出腳，引腳2接地，引腳3接+5V。

當(dāng)接收到紅外信號(hào)時(shí)，其信號(hào)輸出腳輸出為低電平。

九、紅外傳感器測障原理

紅外傳感系統(tǒng)依靠發(fā)射并接收由障礙物反射回來的紅外光來判斷是否有障礙物。如圖9

所示，紅外光以60°的散射角向外發(fā)射，陰影區(qū)域分別是左右兩個(gè)紅外發(fā)射管的反射區(qū)域,

而紅外接收模塊正好處于左右兩個(gè)反射區(qū)域內(nèi)，能接收到左右兩個(gè)紅外發(fā)射管的反射光，從

而可以判定前方、左邊、右邊有無障礙物。

U4

圖10機(jī)器人控制板的電源

十、機(jī)器人控制板的電源

機(jī)器人控制板的電源部分分兩路，一路直接由充電電池提供，主要是提供給電機(jī)使用，

另一路通過三端穩(wěn)壓芯片LM7805穩(wěn)壓成5伏直流電源提供給單片機(jī)系統(tǒng)使用，右邊兩個(gè)電

容是5伏電源的濾波電容，電阻和發(fā)光二極管組成5伏電源的工作指示電路，只要電源部分

正常，發(fā)光二極管組就會(huì)點(diǎn)亮，我們可以根據(jù)這個(gè)發(fā)光二極管組來判斷整個(gè)電源部分是否工

作正常，左側(cè)的開關(guān)是整個(gè)機(jī)器人控制系統(tǒng)電源的總開關(guān)。

第二篇機(jī)器人控制軟件基礎(chǔ)

一、中斷服務(wù)程序

有關(guān)中斷的概念

什么是中斷，我們從一個(gè)生活中的例子引入。你正在家中看書，突然電話鈴響了，你放

下書本，去接電話，和來電話的人交談，然后放下電話，回來繼續(xù)看你的書。這就是生活中

的“中斷”的現(xiàn)象，就是正常的工作過程被外部的事件打斷了。仔細(xì)研究一下生活中的中斷,

對于我們學(xué)習(xí)單片機(jī)的中斷也很有好處。

第一、什么可經(jīng)引起中斷，生活中很多事件可以引起中斷：有人按了門鈴了，電話鈴響

了，你的鬧鐘鬧響了，你燒的水開了….等等諸如此類的事件，我們把可以引起中斷的稱之

為中斷源，單片機(jī)中也有一些可以引起中斷的事件，8031中一共有5個(gè)：兩個(gè)外部中斷，

兩個(gè)計(jì)數(shù)/定時(shí)器中斷，一個(gè)串行口中斷。

第二、中斷的嵌套與優(yōu)先級處理：設(shè)想一下，我們正在看書，電話鈴響了，同時(shí)又有人

按了門鈴，你該先做那樣呢？如果你正是在等一個(gè)很重要的電話，你一般不會(huì)去理會(huì)門鈴的，

而反之，你正在等一個(gè)重要的客人，則可能就不會(huì)去理會(huì)電話了。如果不是這兩者（即不等

電話，也不是等人上門），你可能會(huì)按你通常的習(xí)慣去處理。總之這里存在一個(gè)優(yōu)先級的問

題，單片機(jī)中也是如此，也有優(yōu)先級的問題。優(yōu)先級的問題不僅僅發(fā)生在兩個(gè)中斷同時(shí)產(chǎn)生

的情況，也發(fā)生在一個(gè)中斷已產(chǎn)生，又有一個(gè)中斷產(chǎn)生的情況，比如你正接電話，有人按門

鈴的情況，或你正開門與人交談，又有電話響了情況?？紤]一下我們會(huì)怎么辦吧。

第三、中斷的響應(yīng)過程：當(dāng)有事件產(chǎn)生，進(jìn)入中斷之前我們必須先記住現(xiàn)在看書的第幾

頁了，或拿一個(gè)書簽放在當(dāng)前頁的位置，然后去處理不同的事情（因?yàn)樘幚硗炅?，我們還要

回來繼續(xù)看書）：電話鈴響我們要到放電話的地方去，門鈴響我們要到門那邊去，也說是不

同的中斷，我們要在不同的地點(diǎn)處理，而這個(gè)地點(diǎn)通常還是固定的。計(jì)算機(jī)中也是采用的這

種方法，五個(gè)中斷源，每個(gè)中斷產(chǎn)生后都到一個(gè)固定的地方去找處理這個(gè)中斷的程序，當(dāng)然

在去之前首先要保存下面將執(zhí)行的指令的地址，以便處理完中斷后回到原來的地方繼續(xù)往下

執(zhí)行程序。具體地說，中斷響應(yīng)可以分為以下幾個(gè)步驟：

1、保護(hù)斷點(diǎn)，即保存下一將要執(zhí)行的指令的地址，就是把這個(gè)地址送入堆棧。

2、尋找中斷入口，根據(jù)5個(gè)不同的中斷源所產(chǎn)生的中斷，查找5個(gè)不同的入口地址。

以上工作是由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成的，與編程者無關(guān)。在這5個(gè)入口地址處存放有中斷

處理程序（這是程序編寫時(shí)放在那兒的，如果沒把中斷程序放在那兒，就錯(cuò)了，中

斷程序就不能被執(zhí)行到）。

3、執(zhí)行中斷處理程序。

4、中斷返回：執(zhí)行完中斷指令后，就從中斷處返回到主程序，繼續(xù)執(zhí)行。究竟單片機(jī)

是怎么樣找到中斷程序所在位置。

中斷請求源：

1.外中斷請求源：即外中斷0和1,經(jīng)由外部引腳引入的，在單片機(jī)上有兩個(gè)引腳，名稱

為INTO、INT1,也就是P3.2、P3.3這兩個(gè)引腳。在內(nèi)部的TCON中有四位是與外中斷

有關(guān)的。ITO：INTO觸發(fā)方式控制位，可由軟件進(jìn)和置位和復(fù)位，IT0=0,INTO為低電

平觸發(fā)方式，ITO=1,INTO為負(fù)跳變觸發(fā)方式。IE0：INTO中斷請求標(biāo)志位。當(dāng)有外

部的中斷請求時(shí)，這位就會(huì)置1（這由硬件來完成），在CPU響應(yīng)中斷后，由硬件將IE0

清0。ITKIE1的用途和ITO、IE0相同。

2.內(nèi)部中斷請求源TFO：定時(shí)器T0的溢出中斷標(biāo)記，當(dāng)T0計(jì)數(shù)產(chǎn)生溢出時(shí)，由硬件置

位TFO。當(dāng)CPU響應(yīng)中斷后，再由硬件將TFO清0。TF1：與TFO類似。TI、RI：串

行口發(fā)送、接收中斷。

中斷允許寄存器IE在MCS-51中斷系統(tǒng)中，中斷的允許或禁止是由片內(nèi)可進(jìn)行位尋

址的8位中斷允許寄存器IE來控制的。

EA是總開關(guān)，如果它等于0,則所有中斷都不允許。

ES一串行口中斷允許

ET1一定時(shí)器1中斷允許

EX1一外中斷1中斷允許。

ETO一定時(shí)器0中斷允許

EX0一外中斷0中斷允許。

我們也可以用位操作指令

SETBEA

SETBET1

SETBEX1

來實(shí)現(xiàn)它。

五個(gè)中斷源的自然優(yōu)先級與中斷服務(wù)入口地址

外中斷0：0003H

定時(shí)器0：000BH

外中斷1：0013H

定時(shí)器1：001BH

串口：0023H

它們的自然優(yōu)先級由高到低排列。寫到這里，大家應(yīng)當(dāng)明白，為什么前面有一些程序一

始我們這樣寫：

ORG0000H

LJMPSTART

ORG0030H

START：...

這樣寫的目的，就是為了讓出中斷源所占用的向量地址。

二、按鍵接口與編程

VCC

按鍵是單片機(jī)最常用的輸入設(shè)備，用

戶可以通過按鍵向計(jì)算機(jī)輸入指令、地址

和數(shù)據(jù)，它具有結(jié)構(gòu)簡單，使用靈活等特

點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于單片機(jī)系統(tǒng)。

按鍵開關(guān)的抖動(dòng)問題

組成鍵盤的按鍵有觸點(diǎn)式和非觸點(diǎn)式

兩種，單片機(jī)中應(yīng)用的一般是由機(jī)械觸點(diǎn)

|PTT

構(gòu)成的。在圖11中，當(dāng)按鍵未被按下時(shí)，—PL2

P1.0輸入為高電平，當(dāng)按鍵閉合后，P1.0PIa

輸入為低電平。由于按鍵是機(jī)械觸點(diǎn)，當(dāng)

機(jī)械觸點(diǎn)斷開、閉合時(shí)，會(huì)有抖動(dòng)動(dòng)，P1.0

輸入端的波形如圖12所示。這種抖動(dòng)對于

人來說是感覺不到的，但對計(jì)算機(jī)來說，

則是完全可以感應(yīng)到的，因?yàn)橛?jì)算機(jī)處理

的速度是在微秒級，而機(jī)械抖動(dòng)的時(shí)間至

少是毫秒級，對計(jì)算機(jī)而言，這已是一個(gè)“漫長”的時(shí)間了。前面我們講到中斷時(shí)曾有個(gè)問

題，就是說按鍵有時(shí)靈，有時(shí)不靈，其實(shí)就是這個(gè)原因，你只按了一次按鍵，可是計(jì)算機(jī)卻

已執(zhí)行了多次中斷的過程，如果執(zhí)行的次數(shù)正好是奇數(shù)次，那么結(jié)果正如你所料，如果執(zhí)行

的次數(shù)是偶數(shù)次，那就不對了。

為使CPU能正確地讀出P1口的狀態(tài)，對每一次按鍵只作一次響應(yīng)，就必須考慮如何去

除抖動(dòng)。單片機(jī)中常用軟件法，軟件法其實(shí)很簡單，就是在單片機(jī)獲得P1.0口為低的信息

后，不是立即認(rèn)定S1已被按下，而是延時(shí)10毫秒或更長一些時(shí)間后再次檢測P1.0口，如

果仍為低，說明S1的確按下了，這實(shí)際上是避開了按鍵按下時(shí)的抖動(dòng)時(shí)間。而在檢測到按

鍵釋放后（P1.0為高）再延時(shí)5-10個(gè)毫秒，消除后沿的抖動(dòng)，然后再對鍵值處理。不過一

般情況下，我們通常不對按鍵釋放的后沿進(jìn)行處理，實(shí)踐證明，也能滿足一定的要求。當(dāng)然,

實(shí)際應(yīng)用中，對按鍵的要求也是千差萬別，要根據(jù)不同的需要來編制處理程序，但以上是消

除鍵抖動(dòng)的原則。

按鍵編程方法示例（通過按鍵控制小車前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)）

ORGOOOOh

AJMPL1

ORGOlOOh

LI:MOVA,Pl

JNBACC.0,L2

JNBACC.1,L3

JNBACC.2,L4

JNBACC.3,L5

MOVA,#0h;停止

MOVP2,A

AJMPLI

L2:ACALLDELYlOms

MOVA,Pl

JBACC.O,L1

MOVA,#27h;前進(jìn)

MOVP2,A

AJMPLI

L3:ACALLDELYlOms

MOVA,Pl

JBACC.1,L1

MOVA,#lbh;后退

MOVP2,A

AJMPLI

L4:ACALLDELYlOms

MOVA,Pl

JBACC.2,L1

MOVA,#17h;左轉(zhuǎn)

MOVP2,A

AJMPLI

L5:ACALLDELYlOms

MOVA,Pl

JBACC.3,L1

MOVA,#2bh;右轉(zhuǎn)

MOVP2,A

AJMPLI

DELYlOms:MOVR6,#50;12M晶振，延時(shí)10ms

DL1:MOVR5,#100

DL2:DJNZR5,DL2

DJNZR6,DL1

RET

END

第三篇機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)

一、機(jī)器人中的電機(jī)

電機(jī)在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)中起

著重要的作用。直流電機(jī)的作

用原理是建立在電與磁的相

互轉(zhuǎn)化和相互作用的基礎(chǔ)上

的。它主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大

部分組成。定子上有勵(lì)磁繞

組，由它產(chǎn)生磁場。轉(zhuǎn)子與機(jī)■

械負(fù)載相聯(lián)，上面安裝有電樞

繞組，并通過電刷與直流電源

聯(lián)接，電樞繞組上的電壓稱為電用

樞中由于電刷的作用，被通以交習(xí)

使轉(zhuǎn)子在磁場中連續(xù)相對運(yùn)動(dòng)，?|

轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。由此，轉(zhuǎn)子便帶動(dòng)機(jī)；

智能機(jī)器人中的主動(dòng)輪）運(yùn)動(dòng)。

圖13為直流電機(jī)的電流、功；

轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖。T為轉(zhuǎn)矩，n為轉(zhuǎn).

率。當(dāng)電機(jī)無負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速最快，*

速越小；功率則是隨轉(zhuǎn)矩的增大下

圖14直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速關(guān)系圖

功率達(dá)到最大值后，功率則是隨轉(zhuǎn)矩的增大

而減?。浑娏麟S轉(zhuǎn)矩的增大而增大；效率則先增大，當(dāng)達(dá)到最大值時(shí)又隨之減小。

直流電機(jī)在一定的電樞電壓下，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩成反比。如果改變電壓，則轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速線隨

著電壓的升降而升降（如圖14）,在智能機(jī)器人負(fù)載一定時(shí)（即轉(zhuǎn)矩一定時(shí)），提高電壓,

即電壓由ul到u2,對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為nl和n2,可見，nl<n2,即當(dāng)電樞電壓提高時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子

的轉(zhuǎn)速便也提高。所以只要改變直流電機(jī)電樞電壓的大小，就可以實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速。

直流電機(jī)能調(diào)速，這點(diǎn)對于控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件非常重要，因?yàn)橹挥挟?dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)能

被控制成時(shí)快、時(shí)慢、時(shí)正、時(shí)

反時(shí)，機(jī)器人才可能按照所設(shè)計(jì)

的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來動(dòng)作。

智能機(jī)器人采用的是改變

電機(jī)電樞電壓的方式來改變直

流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種方式只是直

流電機(jī)調(diào)速方式之一，有關(guān)詳細(xì)

資料可參考有關(guān)資料.提供給電

機(jī)的信號(hào)是方波，不同的方波，

它的平均電壓不同如圖15所

示，ul<u2<u3,我們就利用這一

點(diǎn)來進(jìn)行智能機(jī)器人的速度控

制。進(jìn)而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這就

是脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM,PulseWidthModulation)o

二、機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)由

兩個(gè)主動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)來

完成，而它們分別由

兩套完全一樣的驅(qū)動(dòng)

裝置來分別帶動(dòng)兩個(gè)

驅(qū)動(dòng)輪。在機(jī)器人的

驅(qū)動(dòng)裝置中，減速器

是主要的機(jī)械部件，喇齒輪b)椎齒粕

它構(gòu)成了機(jī)器人的傳

圖16齒輪

動(dòng)系統(tǒng)，下面對減速

器進(jìn)行介紹。

1、齒輪

齒輪機(jī)構(gòu)是現(xiàn)在機(jī)械中應(yīng)用最為廣泛的一種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。他可以用來傳遞空間任意兩軸間

的運(yùn)動(dòng)和力，而且傳動(dòng)準(zhǔn)確、平穩(wěn)、機(jī)械效率高，使用壽命長和工作安全可靠。

1)齒輪各部分的名稱

齒輪上每個(gè)凸起部分稱為齒，齒輪的齒數(shù)用z表示。其他參數(shù)為:

(1)齒頂圓過所有齒輪頂端的圓稱為齒頂圓，用半徑ra表示，直徑用da表示。分

度圓和齒輪圓之間的徑向距離稱為齒頂高，用ha表示。

(2)齒根圓過所有齒槽底部的圓稱為齒根圓，用半徑rf表示，直徑用df表示。分度

圓和齒根圓之間的徑向距離稱為齒根高，用hf表示。

/3

\(分度圓齒頂圓和齒根圓之間的一個(gè)特殊定圓，用半徑r表示，直徑用d表示。

4

全齒高齒頂圓與齒根圓之間的徑向距離稱為全齒高，用半徑h表示，h=ha+hfo

/5X

\!71基圓產(chǎn)生漸開線的圓稱為基圓，用半徑rb表示，直徑用db表示。

?6\

\|ZJ齒厚每個(gè)齒輪上的圓周弧長稱為齒厚。在半徑為rk的圓周上度量的弧長稱為該

半徑上的齒厚，用sk表示。在分度圓上度量

弧長稱為分度圓槽寬，用e表示。

(7)槽寬兩個(gè)齒間齒槽上的圓周弧長稱為槽

寬。在半徑為rk的圓周上度量的弧長稱為該

半徑上的槽寬，用ek表示。在分度圓上度量

弧長稱為分度圓齒厚，用S表示。

(8)齒距相鄰兩個(gè)齒輪同側(cè)齒廓之間的圓周

弧長稱為齒距。在半徑為rk的圓周上度量的

弧長稱為該半徑的齒距，用pk表示，顯然

pk=sk+ek?在分度圓上度量的弧長稱為分度

圓齒距，用p=s+e表示。在基圓上度量的弧

長稱為基圓齒距，用pb表示，pb=sb+eb,sb

和eb是基圓上的齒厚與槽寬。

(9)法向齒距相鄰兩個(gè)齒輪同側(cè)齒廓之間在

法線方向上的距離稱為法向齒距，用pn表

示。由漸開線性質(zhì)可知：pn=pbo

(10)中心距中心距是指相互嚙合的一對齒輪，

兩齒輪的圓心之間的距離，用a表示，a=rl+r2。如圖17所示。

2)基本參數(shù)

為了計(jì)算齒輪各部分幾何尺寸，需要規(guī)定若干基本參數(shù)，對于標(biāo)準(zhǔn)齒輪而言，有以下5

個(gè)基本參數(shù):

齒數(shù)z

(2)分度圓模數(shù)m分度圓周長=md=zp,于是可得：d=zp/n由于口是無理數(shù)，分

度圓的直徑也將為無理數(shù)，用一個(gè)無理數(shù)的尺寸作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對設(shè)計(jì)是很不利的。

為了方便設(shè)計(jì)、加工和檢驗(yàn)，人為地把分度圓齒距與口的比值用m表示，并取其為

一理數(shù)列，即：p/"=mm稱為分度圓模數(shù)，也簡稱為模數(shù)，單位為mm。分度圓

直徑d=mz,分度圓齒距p=nm。

(3)分度圓壓力角a過分度圓與漸開線交點(diǎn)作基圓切線得切點(diǎn)N,該交點(diǎn)與中心。的連

線與NO線之間的夾角用a表示，其大小等于漸開線在分度圓圓周上壓力角的大小。

為方便起見，往往用這個(gè)中心角表示分度圓壓力角。我過規(guī)定分度圓壓力角標(biāo)準(zhǔn)值一

般為20°。在某些裝置中，也有用分度圓壓力角為14.5°、15°、22.5°、和25°

等的齒輪。至此，我們可以給分度圓下一個(gè)完整的定義：分度圓就是齒輪中具有標(biāo)準(zhǔn)

模數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)壓力角的圓。

(4)齒頂高系數(shù)ha*齒頂高h(yuǎn)a用齒頂高系數(shù)ha*與模數(shù)的乘積表示，ha=ha*m

(5)頂隙系數(shù)c*齒根高h(yuǎn)f用齒頂高系數(shù)ha*與頂隙系數(shù)c*之和乘以模數(shù)表示，

hf=(ha*+c*)m。

我國定了齒頂高系數(shù)和頂隙系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值：

正常齒制

(1)當(dāng)mN1mm時(shí)，ha*=l,c*=0.25

二級減速器

三級減速器

圖18齒輪減速器

（2）當(dāng)m<1mm時(shí)，ha*=1,c*=0.35

短齒制ha*=0.8,c*=0.3

3）漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒輪的幾何尺寸和基本參數(shù)的關(guān)系

漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒輪除了基本參數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)值外，還有兩個(gè)特征：

（1）分度圓齒厚與槽寬相等，即s=e=p/2=nm/2

（2）具有標(biāo)準(zhǔn)的齒頂高和齒根高，即ha=ha*mhf=（ha*+c*）m

不具備上述特征的稱為非標(biāo)準(zhǔn)齒輪。

2、減速器

減速器是指原動(dòng)機(jī)與工作機(jī)之間獨(dú)立的閉式傳動(dòng)裝置，用來降低轉(zhuǎn)速和相應(yīng)的增大轉(zhuǎn)

距。此外,在某些場合，用來增速的。并名為增速器。

減速器的種類很多，常用的減速器有齒輪及蝸桿減速器。按其傳動(dòng)和機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，大致

可以分為三類：I）齒輪減速器2）蝸桿減速器3）行星減速器。這里僅討論齒輪減速器，

按其減速齒輪的級數(shù)可以分為一級、二級、三級及多級，如圖所示：

按其軸在空間的相互配置可以分為立式和臥式；按其運(yùn)動(dòng)簡圖的特點(diǎn)可以分為展式、同

軸式和分流式等.

我國已將減速器系列化了，而且指定了某些類型減速器的標(biāo)準(zhǔn)系列。在指定標(biāo)準(zhǔn)系列時(shí)，

對減速器的主要參數(shù)，如中心距，模數(shù)，齒寬系數(shù)及傳動(dòng)比等，還做了一系列的規(guī)定。在計(jì)

算時(shí)須將數(shù)值轉(zhuǎn)換成與其相近的標(biāo)準(zhǔn)值。現(xiàn)將減速器的常用參數(shù)計(jì)算公式列表如下：

類型中心距符號(hào)總中心距傳動(dòng)比符號(hào)總傳動(dòng)比

一級aaL=a=l/2(d2+di)ii=z從/z主

二級高速級ataE=ar+as高速級ifi=if*is

低速級as低速級is

三級高速級arar=af+am+as高速級ifi=if*im*is

中速級an.中速級im

低速級as低速級is

減速器的每級有兩個(gè)齒輪相互嚙合傳遞動(dòng)力，小齒輪為主動(dòng)輪（ZD,大齒輪為從動(dòng)輪

（Z?）,小齒輪轉(zhuǎn)一周而大齒輪則轉(zhuǎn)不到一周，故而減速（反之，便為增速）。

二、機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)

機(jī)器人由機(jī)器人小車、手臂、手爪等部分組成，機(jī)器人小車、手臂、手爪通過螺紋連接

件連接裝配在一起。機(jī)器人總體三維結(jié)構(gòu)如圖19所示，零件之間的三維裝配關(guān)系如圖20

所示，手臂和手爪通過電機(jī)帶動(dòng)拉繩來驅(qū)動(dòng)。電機(jī)停止工作時(shí)，在彈簧或橡皮筋的拉動(dòng)下，

手臂和手爪將會(huì)回復(fù)原位。以上機(jī)器人手臂和手爪的總體結(jié)構(gòu)圖僅供同學(xué)們參考，同學(xué)們可

以自己創(chuàng)意設(shè)計(jì)自己的機(jī)器人手臂和手爪的結(jié)構(gòu)。

三、機(jī)器人的手臂結(jié)構(gòu)

（若干零件圖，用AutoCAD軟件繪制）

四、機(jī)器人的手爪結(jié)構(gòu)

（若干零件圖，用AutoCAD軟件繪制）

圖19機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)圖

圖20機(jī)器人裝配關(guān)系示意圖

第四篇機(jī)器人實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)一基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

按照圖21的電路圖連接各電子元器件，控制板上元器件參考布局如圖22所示。

上電之前請按照以下步驟做好電路檢查工作：

1）確保電源正負(fù)極之間沒有短路（一定要慎重?。?/p>

2）確保AT89c51芯片、AS611芯片相鄰引腳之間沒有短接。

3）AT89C51芯片的引腳20與電源負(fù)極相連,AT89c51芯片的引腳31、40與電源正極相連。

4）AS611芯片的引腳4、5、12、13與電源負(fù)極相連，AS6U芯片的引腳8、16與電源正

極相連。

5）復(fù)位電路、晶振電路按照電路圖正確連接。

6）AT89C51芯片的引腳21、22、23、24分別與第一塊AS611芯片的引腳2、7、10、15

相連,AT89C51芯片的引腳25、26、27、28分別與第二塊AS611芯片的引腳2、7、10、

15相連。

圖21實(shí)驗(yàn)一電路圖

輸入以下的匯編程序，編譯后將十六進(jìn)制代碼程序燒寫進(jìn)AT89C51芯片，在電路檢查

正確的前提下，可以嘗試著上電，觀察運(yùn)行結(jié)果。如果電機(jī)不動(dòng)，請立即斷電。再做進(jìn)一步

的檢查或者請求教師幫助。

ORGOOOOh

AJMPMAIN

ORGOlOOh

MAIN:

MOVA,#09h；二進(jìn)制數(shù)00001001b小車右轉(zhuǎn)

MOVP2,A

ACALLDELY

MOVA,#06h；二進(jìn)制數(shù)00000110b小車左轉(zhuǎn)

MOVP2,A

ACALLDELY

MOVA,#05h;二進(jìn)制數(shù)00000101b小車后退

MOVP2,A

ACALLDELY

MOVA,#0ah;二進(jìn)制數(shù)00001010b小車前進(jìn)

MOVP2,A

ACALLDELY

MOVA,#20h；二進(jìn)制數(shù)00100000b手臂前進(jìn)

MOVP2,A

ACALLDELY

MOVA,#10h；二進(jìn)制數(shù)00010000b手臂后退

MOVP2,A

ACALLDELY

MOVA,#80h；二進(jìn)制數(shù)10000000b手爪松開

MOVP2,A

ACALLDELY

MOVA,#40h；二進(jìn)制數(shù)01000000b手爪夾緊

MOVP2,A

ACALLDELY

MOVA,#0h;所有電機(jī)停

MOVP2,A

SJMPMAIN

DELY:MOVR7,#100；12M晶振，延時(shí)2秒

DLYO:MOVR6,#100

DLY1:MOVR5,#100

DLY2:DJNZR5,DLY2

DJNZR6,DLY1

DJNZR7,DLYO

RET

END

碰撞傳感器接口

二

右發(fā)光二極管9

S

4

左發(fā)光二極管二

9

S

4

小車左電機(jī)接口

左紅外發(fā)射管

件\------

電源總開關(guān)外接電池接口LM7805穩(wěn)壓芯片

圖22控制板上元器件參考布局示意圖

以下是用單片機(jī)C語言編寫的運(yùn)動(dòng)控制程序，其運(yùn)動(dòng)控制功能與上面的匯編語言程序相

同。

#include<reg51.h>

#defineCOUNTO197

#defineCOUNT1100

unsignedcharbdatamotorctrl;

/*底盤兩個(gè)電機(jī)對應(yīng)的控制住*/

sbitINIBase=motorctrl"0;

sbitIN2_Base=motorctrl」；

sbitIN3_Base=motorctrl2;

sbitIN4_Base=motorctrl3;

/*手臂電機(jī)對應(yīng)的控制位*/人

sbitINl_Arm=motorctrl4;

sbitIN2_Arm=motorctrl"5;

/*手爪電機(jī)對應(yīng)的控制位*/C

sbitIN3_Hand=motorctrl*6;

sbitIN4_Hand=motorctrl?;

voiddelayL(unsignedcharcount2)smallreentrant;

voiddelayM(unsignedcharcountl)smallreentrant;

voiddelayS(unsignedcharcountO)smallreentrant;

voidrun(bitmotorl,bitdirl,bitmotor2,bitdir2,

bitmotor3,bitdir3,bitmotor4,bitdir4);

voidstop(bitmotor1,bitmotor2,bitmotor3,bitmotor4);

main()

(

do

(

run(l,0,1,1,0,0,0,0);/*右轉(zhuǎn)*/

delayL(20);/*2s*/

run(l,1,1,0,0,0,0,0);/*左轉(zhuǎn)*/

delayL(20);

run(l,0,1,0,0,0,0,0);/*后退*/

delayL(20);

run(l,1,1,1,0,0,0,0);/*前進(jìn)*/

delayL(20);

stop(l,1,0,0);

run(0,0,0,0,1,1,0,0);/*手臂前進(jìn)*/

delayL(20);

run(0,0,0,0,1,0,0,0);/*手臂后退*/

delayL(20);

stop(0,0,1,0);

run(0,0,0,0,0,0,1,1)；/*手爪松開*/

delayL(20);

run(0,0,0,0,0,0,1,0);/*手爪夾緊*/

delayL(20);

stop(0,0,0,1);

}

while(1);

}

voiddelayS(unsignedcharcountO)smallreentrant

/*短延時(shí)函數(shù)*/

/*countO取值范圍：0~256*/

/*延時(shí)計(jì)算方法：countOx5T+2T?*/

/*T：機(jī)器周期(振蕩周期的1/12)。*/

while(~countO);

/*對應(yīng)的匯編代碼

000A150ADECOOAH;T

000CAFOAMOVR7,OOAH;T

000EEFMOVA,R7;T

000F70F9JNZOOOOAH;2T

001122RET;2T

*/

}

voiddelayM(unsignedcharcountl)smallreentrant

/*中延時(shí)函數(shù)*/

/*countl取值范圍：0~256*/

/*延時(shí)計(jì)算方法：countlx(11T+delayS(COUNTO))+2T。*/

/*T：機(jī)器周期(振蕩周期的1/12)。*/

while(一countl)delayS(COUNTO);

/*對應(yīng)的匯編代碼

0109150BDECOOBHT

010BAFOBMOVR7,OOBUT

010DEFMOVA,R7T

010E6008JZ00118II2T

0110750A64MOVOOAH,#064H2T

011312000ALCALLOOOOAH2T

011680F1SJMP00109112T

011822RET2T

*/

}

voiddelayL(unsignedcharcount2)smallreentrant

/*長延時(shí)函數(shù)*/

/*count2取值范圍：0~256*/

/*延時(shí)計(jì)算方法：count2x(11T+delayM(COUNTl))+2T。*/

/*T：機(jī)器周期(振蕩周期的1/12)。*/

while(一count2)delayM(COUNT1);

/*對應(yīng)的匯編代碼

0119150CDECOOCHT

011BAFOCMOVR7,OOCHT

011DEFMOVA,R7T

011E6008JZ00128II2T

0120750B32MOVOOBH,#032112T

0123120109LCALL00109II2T

012680F1SJMP00119112T

012822RET2T

*/

)

voidrun(bitmotor1,bitdirl,bitmotor2,bitdir2,

bitmotor3,bitdir3,bitmotor!,bitdir4)

*/切

/*運(yùn)行函數(shù)

切

/*電機(jī)選擇(motor1,motor2,motor3,motor4):

/*為1表示對應(yīng)的電機(jī)被選中進(jìn)行“運(yùn)轉(zhuǎn)”操作，為0則表示沒有被選中。*/

/*運(yùn)行方向選擇(dirl,dir2,dir3,dir4):**/

/*對應(yīng)的電機(jī)如果被選中，為1表示按照正方向運(yùn)行，為0表示按反方向運(yùn)行。4

if(motorl)/*1#電機(jī)*/

(

if(dirl)

{INl_Base=0;IN2__Base=1;)

else

{INl_Base=1;IN2__Base=o；)

)

if(motor2)/*2#電機(jī)*/

(

if(dir2)/*=l*/

{IN3_Base=0;IN4__Base=1;)

else

{IN3?Base=1;IN4__Base=o；)

)

if(motor3)/*3#電機(jī)*/

(

if(dir3)

{INl_Arm=0;IN2_Arm=1;}

else

{INl_Arm=1;IN2_Arm=0;}

)

if(motor4)/*4#電機(jī)*/

(

if(dir4)/*==l*/

{IN3JIand=0;IN4JIand=1;}

else

{IN3JIand=1;IN4Jland=0;}

P2=motorctrl;

return;

)

voidstop(bitmotorl,bitmotor2,bitmotor3,bitmotor4)

/*停止函數(shù)*/

/*電機(jī)選擇(motorl,motor2,motor3,motor4):*/

/*為1表示對應(yīng)的電機(jī)被選中進(jìn)行“停止”操作，為0則表示沒有被選中。*/

(

if(motorl)

(

INl_Base=IN2_Base=0;

}

if(motor2)

(

IN3_Base=IN4_Base=0;

}

if(motor3)

(

INl_Arm=IN2_Arm=0;

}

if(motor4)

(

IN3Hand=IN4Hand=0;

)

P2=motorctrl;

return;

}

實(shí)驗(yàn)二手控機(jī)器人

40

39

38

3?

36

3s

3

3

3

3

3

2

2

2

2

2

2

2

2

21

圖23實(shí)驗(yàn)二電路圖

按照圖23連接各電子元器件，手控手柄上按鈕及接口參考布局如圖24所示，將手控手

柄與機(jī)器人控制板通過手控手柄接口用約1.5米長的排線連接起來。輸入以下的匯編程序，

編