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六足爬虫机器人设计
设计人：李海鹰
日期：2004 年 9 月 30 日
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目 录
前言.........................................................................................................................................2
（一）、机器人的大脑..............................................................................................2
（二）、机器人的眼睛耳朵......................................................................................2
（三）、机器人的腿——驱动器与驱动轮..............................................................3
（四）、机器人的手臂——机械传动专制..............................................................4
（五）、机器人的心脏——电池..............................................................................4
一、AT89S51 单片机简介 ....................................................................................................5
（一）、AT89S51 主要功能列举如下：.................................................................5
（二）、AT89S51 各引脚功能介绍：.....................................................................5
二、控制系统电路图................................................................................................................7
三、微型伺服马达原理与控制................................................................................................8
（一）、微型伺服马达内部结构..............................................................................8
（二）、微行伺服马达的工作原理..........................................................................8
（三）、伺服马达的控制..........................................................................................9
（四）、选用的伺服马达..........................................................................................9
四、红外遥控..........................................................................................................................11
（一）、 红外遥控系统..........................................................................................11
（二）、 遥控发射器及其编码..............................................................................11
（三）、红外接收模块............................................................................................11
（四）、红外解码程序设计....................................................................................11
五、控制程序..........................................................................................................................12
六、六足爬虫机器人结构设计图..........................................................................................18
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前言
今年年初，学校为参加中央电视台举办的第三届全国大学生机器人电视大赛，
组建了机器人制作小组。我积极参加，有幸成为了其中的一员。因为我们以前没
有参加过类似的比赛，也没有制作机器人的经验。可以说我们什么都是从零开始，
边学习边制作。通过这半年多的制作过程，我从中学到了很多书本上学不到的东
西，也得到了很好的学习与锻炼的机会。
最初，我们组建了机器人制作实验室。到五金机电市场购买了必要的工具和
一些制作材料。然后开始制作实验机器人的身体——框架。
实验机器人的框架我们是使用轻型万能角钢制作的，这种角钢的两侧都有间
隔均匀的孔槽，可以很方便的用螺栓进行连接。用不同长度的角钢组合后，就可
以得到不同大小的立方体和长方体及多边形。机器人身体的框架就搭建好了。在
它的上面将装上：机器人的大脑——可编程控制器、机器人的眼睛耳朵——传感
器、机器人的腿——驱动轮、机器人的手臂——机械传动专制、机器人的心脏
——电池……之所以使用轻型万能角钢，主要是因为是在制作试验机型，而轻型
万能角钢安装拆卸方便和便于修改长度，调整设计。
实验机器人定型后，就照其尺寸用不锈钢方管焊接制作机器人的身体。再在
上面进行打孔等工作，后就可以将机器人的其它部分安装上去。这样一个机器人
就制作好了。
下面我介绍一下机器人的基本组成部分：
（一）、机器人的大脑
它可以有很多叫法，可以叫做：可编程控制器、微控制器，微处理器，处理
器或者计算器等，不过这都不要紧，通常微处理器是指一块芯片，而其它的是一
整套控制器，包括微处理器和一些别的元件。任何一个机器人大脑就必须要有这
块芯片，不然就称不上机器人了。在选择微控制器的时候，主要要考虑：处理器
的速度，要实现的功能，ROM 和 RAM 的大小，I/O 端口类型和数量，编程语言以
及功耗等。
其主要类型有：单片机、PLC、工控机、PC 机等。
单有这些硬件是不够的，机器人的大脑还无法运行。只有在程序的控制下，
它才能按我们的要求去工作。可以说程序就是机器人的灵魂了。而程序是由编程
语言所编写的。
编程语言是一个控制器能够接受的语言类型，一般有 C 语言，汇编语言或者
basic 语言等，这些通常能被高级一点的控制器直接执行，因为在高级控制器里
面内置了编译器能够直接把一些高级语言翻译成机器码。微处理器将执行这些机
器码，并对机器人进行控制。
（二）、机器人的眼睛耳朵
传感器，是机器人的感觉器官，是机器人和现实世界之间的纽带，使机器人
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能感知周围的环境情况。其主要有：光电传感器、红外传感器、力传感器、超声
波传感器、位置和姿态传感器等等。下面我将就几种常用传感器进行介绍：
1、光电传感器：光电传感器的原理是光电效应。其主要用途是颜色识别（机
器人就可以沿着地上的线条行进了）和光电编码等。
2、红外传感器：红外传感器是用来测量距离和感知周围情况的。因为发射
出去的红外信号在一定距离内遇到物体就会反射回来。通过发送红外线信号，并
接收反射回来的信号，机器人就可以感知前方或身体周围的情况，做出相应的调
整（如：倒退或绕行等）。
3、力传感器：力传感器是用来检测碰撞或者接触信号的，比如机械手的应
用，当你放一个东西到机械手的时候，机械手自动抓住它，它就需要力传感器检
测东西抓的紧不紧。典型的力传感器是微动开关和压敏传感器。微动开关其实就
是一个小开关，通过调节开关上的杠杆长短，能够调节触动开关的力的大小。用
来做碰撞检测这是最好不过了。但是这种传感器必须事先确定好力的阀值，也就
是说只能实现硬件控制（开还控制）。而压敏传感器是能根据受力大小，自动调
节输出电压或者电流，从而可以实现软件控制（闭环控制）。
4、超声波传感器：超声波传感器是从蝙蝠那里学来的，通过把发射出的信
号与接收到的信号进行对比，就可以测定周围是否有障碍物，及障碍物的距离，
也属于距离探测传感器，能提供交远的探测范围，而且还能提供在一个范围内的
探测而不是一条线的探测。
5、位置和姿态传感器：机器人在移动或者动作的时候必须时时刻刻知道自
己的姿态动作，否则就会产生控制中的一个开环问题，没有反馈，无法获知运动
是否正确。 位置传感器和姿态传感器就是用来解决这个问题的。常用的有光电
编码器，由于机器人的执行机构一般是电机驱动，通过计算电机转的圈数，可以
得出电机带动部件的大致位置，编码器就是这样一种传感器，它一般和电机轴或
者转动部件直接连接，电机或者转动部件转了多少圈或者角度能够通过编码器读
出，控制软件再根据读出数据进行位置估计计算。还有一种是陀螺仪，这是利用
陀螺原理制作的传感器，主要可以测得移动机器人的移动加速度，转过的角度等
信息。
（三）、机器人的腿——驱动器与驱动轮
驱动器就是驱动机器人的动的部件。最常用的是电机了。当然还有液压，气
动等别的驱动方式。一个机器人最主要的控制量就是控制机器人的移动，无论是
自身的移动还是手臂等关节的移动，所以机器人驱动器中最根本和本质的问题就
是控制电机，控制电机转的圈数，就可以控制机器人移动的距离和方向，机械手
臂的弯曲的程度或者移动的距离等。所以，第一个要解决的问题就是如何让电机
能根据自己的意图转动。一般来说，有专门的控制卡和控制芯片来进行控制的。
有了这些控制卡和芯片，我们所要做的就是把微控制器和这些连接起来，然后就
可以用程序来控制电机了。第二个问题是控制电机的速度，在机器人上的实际表
现就是机器人或者手臂的实际运动速度了，机器人走的快慢全靠电机的转速，这
样，我们就要求控制卡对电机有速度控制。电机目前常用的有两种，步进电机和
直流电机。下面我将就这两种电机进行介绍：
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1、直流电机：这是最最普通的电机了。直流电机最大的问题是你没法精确
控制电机转的圈数，也就前面所说的位置控制。你必须加上一个编码盘，来进行
反馈，来获得实际转的圈数。但是直流电机的速度控制相对就比较简单，用一种
叫 PWM（脉宽调速）的调速方法可以很轻松的调节电机速度。现在也有很多控制
芯片带调速功能的。选购时要考虑的参数是电机的输出力矩，电机的功率，电机
的最高转速。
2、步进电机：看名字就知道了，它是一步一步前进的。也就是说，它可以
一个角度一个角度旋转，不象直流电机，你可以很轻松的调节步进电机的转角位
置，如果你发一个转 10 圈的指令，步进电机就不会转 11 圈，但是如果是直流电
机，由于惯性作用，它可能转 11 圈半。步进电机的调速是通过控制电机的频率
来获得的。一般控制信号频率越高，电机转的越快，频率越低，转的越慢。选购
时要考虑的参数是电机的输出力矩，电机的功率，每个脉冲电机的最小转角。
还有就是关于输出的动力，要说明一下：一般情况下，电机都没法直接带动
轮子或者手臂，因为速度过高力矩不够大，所以我们需要加上一个减速箱来增加
电机的输出力矩，但是代价是电机速度的减小，比如一个 1：250 的齿轮箱，会
让你电机的输出力矩增大 250 倍，但是速度只有原来的 1/250 了。首先计算出机
器人所需要的速度与力矩大小，然后根据速度与力矩去选择电机与减速器。
（四）、机器人的手臂——机械传动专制
机械传动专制就是，由电机驱动的一些杆件和机构（如：凸轮机构、螺杆机
构等），用以实现机械手臂的上升、下降、伸缩、弯曲等动作。通常运用的机构
有四杆机构、凸轮机构、螺杆机构、摇臂等。
（五）、机器人的心脏——电池
电池为机器人的控制系统与驱动系统提供能源供应。主要有：电瓶及可充电
电池、电池。
前面介绍了机器人的一些基本知识，但这是远远不够的。机器人学科，是在
多学科基础上发展起来的综合性技术。机器人技术涉及机械、电子、计算机、语
言学和人工智能等许多学科。现在机器人已经应用在人类社会生活的各个领域，
发挥着越来越重要的影响。
我利用暑假的时间设计了一个六足爬虫机器人，用日立（HITACHI）的录
像机遥控器来对它进行控制。基本原理是：遥控器发出红外学号，机器人通过红
外接收器接收倒红外信号后，对信号进行解码，并以存储的代码进行比较，确定
指令的含义，后可以实现前进、后退、左转、右转及发声等功能。控制系统我使
用的是 AT89S51 单片机，编程语言使用的是汇编语言，动力系统使用的是微型
伺服马达，能源系统使用的是 9V 电池。下面我将就具体设计进行介绍。
