【科技论文】四脚柱状甲虫机器人控制系统设计

近年来，随着计算机技术的飞速发展，机器人的研究及应用得到迅速发展，因其在教育，医疗，军事，工业等领域的巨大应用。因此得到了许多国内外科学家的关注，使用计算机代替人眼及大脑直接对景物环境进行感知、解释和理解计算机视觉已经成为计算机领域的一个热点问题。在地球陆地表面，有超过50%以上的面积为崎岖不平的山丘或沼泽，仅仅依靠轮式机械无法完全实现在这些自然环境中的移动。因此，设计和制造一个类似动物能够在自然环境中步行的机器，一直以来是人类追求的目标。正是这个原因，使得仿生足式机器人的研究成为机器人研究领域的热点之一。其中四足机器人由于既有超于二足机器人的平稳性，又避免了六足机器人机构的复杂性，在工程探险、反恐防爆、军事侦察等具有良好的应用前景，展开该方面的研究具有重要的实际应用价值及社会意义。

本文主要由四部分组成：

第一部分介绍了四脚机器人，阐述了选择本课题的意义，既普及机器人知识，提高机器人应用水平、研究能力的需要深入开展信息技术教育需要，并介绍本课题要就内容。

第二部分主要介绍了单片机AT89S52，多路PWM信号产生并通过PWM信号对8个舵机的控制及分析舵机的驱动电路。

第三部分主要介绍了通过PROTEL99SE的应用绘制电路原理图和PCB图。

第四部分主要介绍了程序编写和机器人的步态分析即机器人如何走起来。           

关键词：四脚柱状机器人；控制设计；单片机；步态

机器人简介

机器人是自动控制机器（Robot）的俗称，自动控制机器包括一切模拟人类行为或思想与模拟其他生物的机械（如机器狗，机器猫等）。狭义上对机器人的定义还有很多分类法及争议，有些电脑程序甚至也被称为机器人。在当代工业中，机器人指能自动执行任务的人造机器装置，用以取代或协助人类工作。理想中的高仿真机器人是高级整合控制论、机械电子、计算机与人工智能、材料学和仿生学的产物，目前科学界正在向此方向研究开发。在科技界，科学家会给每一个科技术语一个明确的定义，但机器人问世已有几十年，机器人的定义仍然仁者见仁，智者见智，没有一个统一的意见。原因之一是机器人还在发展，新的机型，新的功能不断涌现。根本原因是机器人涉及到了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。正如机器人一次最早诞生于科幻小说之中一样，人们对机器人充满了幻想。也许正是由于机器人定义的模糊，才给人们充分的想象和创造空间。

其实并不是人们不想给机器人一个完整的定义，自己气人诞生之日起人们就不断地尝试着说明到底什么是机器人。但随着机器人技术的飞速发展和信息时代的到来，机器人所涵盖的内容越来越丰富，机器人的定义也不断充实和创新。

在1967年日本召开的第一届机器人学术会议上，就提出了两个有代表性的定义。意识森政弘与和田周平提出的：“机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等7个特征的柔性机器”。从这一定义出发，森政弘又提出了用自动性、智能性、个体性、半机械半人性、作业性、通用性、信息性、柔性、有限性、移动性等10个特性来表示机器人的形象。另一个是加藤一郎提出的具有如下3个条件的机器成为机器人：

（1）具有脑、手、脚等三要素的个体；

（2）具有非接触传感器（用眼、耳接触远方信息）和接触传感器；

（3）具有平衡觉和固有觉的传感器。

机器人的定义是多种多样的，其原因是它具有一定的模糊性。动物一般有上述这些要素，所以在把机器人理解为仿人机器人的同时。也可以广义地把机器人理解为仿动物的机器。

1988年法国的埃斯皮奥将机器人学定义为：“机器人学是设计能根据传感器信息实现预先计划好的作业系统，并以此系统的使用方法作为研究对象”。

1987年国际标准化组织对工业机器人进行了定义：“工业机器人是一种具有自动控制操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。”

我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。

关于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准，有的按负载重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分有的按结构分，有的按应用领域分。常见的机器人的种类如表1—1。

我国教育部门也在政策上加以引导，积极把教育机器人引入课堂。随着教育机器人活动的积极开展，教育机器人将得到普及。各级各类学校积极把机器人引入课堂，更多中小学生得以学习机器人知识。机器人教学课堂成为中小学信息技术教育的重要组成部分。在科技创新活动方面，形成一个广大中小学生、大学生直至专业研究人员以及机器人爱好者都积极参加各级各类机器人比赛的局面。机器人不再神秘，直接走入我们的生活学习中。在这种氛围下，更多的人参与到机器人的研制和应用中去，必将促进机器人的大发展，从而促进社会的发展。2000年，北京市景山学校以科研课题的形式将机器人普及教育纳入到信息技术课程中，在国内率先开站了中小学机器人课程教学。2001年，上海市西南位育中学、卢湾高级中学等学校开始以“校本课程”的形式进行机器人活动进课堂的探索和尝试。2005年，哈尔滨市正式将机器人引入课堂教学，在哈尔滨师范附小、60中、省实验中学等41所学校开设了“人工智能与机器人”的课程，用必修课形式对中小学生进行机器人科学方面的教育。此外香港在高中及高等教育新学制的改革中，也在高中“设计与应用科技”课程中增设了机器人制作的课程。