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华南农业大学珠江学院
毕业论文(设计)
直立行走机器人设计
——硬件系统设计
指导教师:
系: 信息工程系 年级专业:
提交日期: 2013 年 1 月 1 日 答辩日期: 2013 年 1 月 19 日
答辩委员会主席(签名):
评阅人(签名):
年 月 日
摘 要
机器人的发明在人类文明史上具有重要的意义。特别是双足机器人技术更是近几年来智能机器人
理论和技术研究领域的热点。与传统的轮式、爬行式、和履带式等机器人相比,双足机器人的技术要
求更高、智能性更强、环境适应性更好。双足机器人研究的开展对于促进类人机器人的发展具有重大
意义。
研究的目的:实现双足机器人的行走和壁障,深入的了解双足机器人相关的理论,并且进一步的
理解这个领域知识。
本文首先对双足机器人的历史和现状进行引述,然后设计其本体结构和选择机械材料,在此基础
上确定对机器人自由度的分配,接着选择了控制系统的方式以及相应的控制处理芯片,最后进行硬件
的设计和软件的编制。同时设计了步态规划的相关指令组。
关键词:双足机器人;自由度;步态规划
I
Abstract
The invention of the robot has important significance in human history of civilization.
Especially biped robot technology is a hot spot in many fields in recent years, such as
intelligent robot theory and technology. Compared with the traditional wheel, crawler-type and
caterpillar structure of robot, biped robot has higher requirements, stronger intelligent and
better adaptabilities to the environment. Researches of biped robot have quite important value
and meaning for promoting the development of humanoid robot.
The task of mine is implementation of biped robot walking and barrier, In-depth
understanding of biped robot related theory, and further understanding this domain knowledge.
Firstly the paper cites the history and status quo of biped robots, then design the
structure of ontology and choose the mechanical material. On this basis to determine the
robot’s distribution of degrees of freedom, then choose the way of the control system and the
controlled processing chip. Finally completing design of hardware and software compiling, at
the same time designing gait planning related instruction set.
Keywords: biped robot; degrees of freedom; gait planning
II
设计说明
设计任务主要是完成双足机器人的机械设计和硬件设计。
双足机器人机械设计有以下几点基本要求:
(1)总体结构简洁,重量轻便。
(2)类人腿部结构,构造合理平衡。
双足机器人硬件设计有以下几点基本要求:
(1)电路简洁,线路清晰。
(2)体积紧凑,重量轻便。
(3)完成电源,光敏,无线,测距等电路连接。
针对上述要求,我们设计出了适合要求的双足机器人本体和硬件,设计主要内容为:
(1)4 自由度的单腿机械机构,踝关节 1 个自由度,膝关节 1 个自由度,髋关节 2 个自由度。
(2)每个舵机需要一个单独的 LM2940 单独供电,因此需要 9 个 LM2940 组成电源模块,一个
专为芯片供电。
(3)无线模块,测距模块,光感模块与单片机的接口接线。
(4)双足机器人的步态规划。
关键词:双足机器人;LM2940;步态规划
II
I
目 录
1 引言.........................................................................................................................................1
1.1 双足机器人国内外研究现状及发展趋势......................................................................1
1.1.1 国外研究现状 .......................................................................................................2
1.1.2 国内研究现状 .......................................................................................................4
1.1.3 双足机器人的发展趋势 .......................................................................................5
2 双足机器人的机械设计...................................................................................................6
2.1 本体结构设计和自由度的配置 .....................................................................................6
2.1.1 自由度的配置 .......................................................................................................6
2.1.2 机器人的结构设计 ...............................................................................................6
2.2 驱动器的选择 .................................................................................................................7
2.3 舵机的选型及结构参数 .................................................................................................8
2.3.1 舵机内部结构 .......................................................................................................8
2.3.2 舵机的工作原理 ...................................................................................................8
3 控制系统总体结构设计.................................................................................................11
3.1 控制系统的方式选择...................................................................................................11
3.1.1 总体结构组成 .....................................................................................................11
3.1.2 决策层处理器的选择 .........................................................................................12
3.1.3 运动控制处理器的选择 .....................................................................................13
4 双足机器人的硬件设计.................................................................................................14
4.1 电源模块........................................................................................................................14
4.1.1LM2940-5.0 的基本参数 .....................................................................................14
4.1.2LM2940-5.0 电源模块 .........................................................................................14
4.2 光敏传感模块...............................................................................................................16
4.2.1 光敏电阻的工作原理 ........................................................................................16
4.2.2 光敏电阻电路以及 AD 转换..............................................................................16
4.3 测距模块.......................................................................................................................17
4.3.1 超声波测距的工作原理 .....................................................................................18
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