arduino仿生六足機(jī)器人教材

1、1 仿生六足機(jī)器人教材基于 arduino 開發(fā)平臺(tái)v1.0目錄一、機(jī)器人的組裝. 11.1. 組裝工具 . 11.2. 裝配步驟 . 1二、系統(tǒng)概述. 102.1. arduino 介紹 . 10arduino 仿生六足機(jī)器人教材2 2.2. arduino 驅(qū)動(dòng)安裝 . 132.3. arduino ide菜單介紹 . 20三、實(shí)驗(yàn)操作. 253.1 紅外避障實(shí)驗(yàn). 253.2 舵機(jī)實(shí)驗(yàn) . 27四、使用說明. 314.1.接線端口介紹. 314.2.操作說明 . 32arduino 仿生六足機(jī)器人教材1 一、機(jī)器人的組裝1.1. 組裝工具工具：尖嘴鉗、十字螺絲刀等。1.2. 裝配步驟1)

2、首先是準(zhǔn)備好機(jī)體2)在機(jī)體上裝配 4 個(gè) m3x15mm 的六棱銅柱， 所用到 4 個(gè) m3x8mm 的螺釘如下圖所示：我這里為了方便能夠清楚看到螺釘與銅柱的連接把它分開了。arduino 仿生六足機(jī)器人教材2 arduino 仿生六足機(jī)器人教材3 3)完成組裝4)下一步就是裝兩個(gè)模擬舵機(jī)和付板，所用到八個(gè)螺釘，八個(gè)螺母如下圖所示 1 是分解裝配arduino 仿生六足機(jī)器人教材4 5)完成裝配6)這一步是兩個(gè)十字舵盤的安裝，這里用到兩個(gè)m3x6mm 的螺絲arduino 仿生六足機(jī)器人教材5 7)完成組裝8)組裝m3x20mm 、m3x25mm 的六棱銅柱，這里中間部位是兩個(gè)m3x20mm

3、六棱銅柱，兩側(cè)是 m3x25mm 的六棱銅柱，用到 m3x8mm的螺絲arduino 仿生六足機(jī)器人教材6 9)完成組裝10) 中間腳的組裝， m3x20 螺絲、 m3 螺母、鋼紙墊片arduino 仿生六足機(jī)器人教材7 11) 組裝連接桿12) 另一個(gè)連桿組裝arduino 仿生六足機(jī)器人教材8 13) 兩側(cè)腳組裝，這里用到m3x8 螺絲、 m3 螺母、鋼紙墊片14) 固定完成arduino 仿生六足機(jī)器人教材9 15) 中間腳上部螺絲的固定，這里用到m3x8 螺絲、鋼紙墊片arduino 仿生六足機(jī)器人教材10 二、 系統(tǒng)概述2.1. arduino 介紹要了解 arduino就先要了解什

4、么是單片機(jī)，arduino 平臺(tái)的基礎(chǔ)就是 avr 指令集的單片機(jī)。1、什么是單片機(jī)？它與個(gè)人計(jì)算機(jī)有什么不同？一臺(tái)能夠工作的計(jì)算機(jī)要有這樣幾個(gè)部份構(gòu)成：中央處理單元cpu（進(jìn)行運(yùn)算、控制） 、隨機(jī)存儲(chǔ)器 ram（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)）、存儲(chǔ)器 rom（程序存儲(chǔ)）、輸入/輸出設(shè)備i/o（串行口、并行輸出口等）。 在個(gè)人計(jì)算機(jī)（pc） 上這些部份被分成若干塊芯片，安裝在一個(gè)被稱之為主板的印刷線路板上。而在單片機(jī)中， 這些部份全部被做到一塊集成電路芯片中了，所以就稱為單片（單芯片）機(jī)，而且有一些單片機(jī)中除了上述部份外，還集成了其它部份如模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換（ a/d）和數(shù)字量 /模擬量轉(zhuǎn)換（d/a）等。2、單片

5、機(jī)有什么用？實(shí)際工作中并不是任何需要計(jì)算機(jī)的場合都要求計(jì)算機(jī)有很高的性能，一個(gè)控制電冰箱溫度的計(jì)算機(jī)難道要用酷睿處理器嗎？應(yīng)用的關(guān)鍵是看是否夠用，是否有很好的性能價(jià)格比。 如果一臺(tái)冰箱都需要用酷睿處理起來進(jìn)行溫度控制，那價(jià)格就是天價(jià)了。單片機(jī)通常用于工業(yè)生產(chǎn)的控制、生活中與程序和控制有關(guān)（如：電子琴、冰箱、智能空調(diào)等）的場合。下圖就是一個(gè) atmega328p-pu單片機(jī)， 基于 avr 指令集的 8位處理器，頻率 20mhz，存儲(chǔ)器空間 32kb。arduino 仿生六足機(jī)器人教材11 3、什么是 arduino？arduino 是一個(gè)能夠用來感應(yīng)和控制現(xiàn)實(shí)物理世界的一套工具。它由一個(gè)基于單

6、片機(jī)并且開放源碼的硬件平臺(tái)，和一套為arduino 板編寫程序的開發(fā)環(huán)境組成。arduino 可以用來開發(fā)交互產(chǎn)品，比如它可以讀取大量的開關(guān)和傳感器信號(hào)，并且可以控制各式各樣的電燈、電機(jī)和其他物理設(shè)備。arduino 項(xiàng)目可以是單獨(dú)的，也可以在運(yùn)行時(shí)和你電腦中運(yùn)行的程序（例如：flash，processing ，maxmsp）進(jìn)行通訊。 arduino 板你可以選擇自己去手動(dòng)組裝或是購買已經(jīng)組裝好的；arduino 開源的 ide 可以免費(fèi)下載得到。arduino 的編程語言就像似在對(duì)一個(gè)類似于物理的計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)的連線，它基于處理多媒體的編程環(huán)境。4、為什么要使用arduino？有很多的單

7、片機(jī)和單片機(jī)平臺(tái)都適合用做交互式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。例如：parallax basic stamp， netmedia s bx-24，phidgets ，mits handyboard 和其它等等提供類似功能的。 所有這些工具，你都不需要去關(guān)心單片機(jī)編程繁瑣的細(xì)節(jié)，提供給你的是一套容易使用的工具包。arduino 同樣也簡化了同單片機(jī)工作的流程，但同其它系統(tǒng)相比 arduino 在很多地方更具有優(yōu)越性，特別適合老師，學(xué)生和一些業(yè)余愛好者們使用：arduino 仿生六足機(jī)器人教材12 便宜 和其它平臺(tái)相比， arduino 板算是相當(dāng)便宜了。最便宜的arduino版本可以自己動(dòng)手制作，即使是組裝好的成

8、品，其價(jià)格也不會(huì)超過200 元?？缙脚_(tái) arduino ide 可以運(yùn)行在 windows，macintosh osx，和 linux 操作系統(tǒng)。大部分其它的單片機(jī)編譯軟件都只能運(yùn)行在windows 上。簡易的編程環(huán)境 初學(xué)者很容易就能學(xué)會(huì)使用arduino 編程環(huán)境，同時(shí)它又能為高級(jí)用戶提供足夠多的高級(jí)應(yīng)用。對(duì)于老師們來說， 一般都能很方便的使用 processing 編程環(huán)境，所以如果學(xué)生學(xué)習(xí)過使用processing 編程環(huán)境的話，那他們在使用arduino 開發(fā)環(huán)境的時(shí)候就會(huì)覺得很相似很熟悉。軟件開源并可擴(kuò)展 arduino 軟件是開源的，對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的程序員可以對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展。 ardu

9、ino 編程語言可以通過c+庫進(jìn)行擴(kuò)展，如果有人想去了解技術(shù)上的細(xì)節(jié)，可以跳過arduino 語言而直接使用 avr c 編程語言（因?yàn)?arduino 語言實(shí)際上是基于avr c 的） 。類似的，如果你需要的話，你也可以直接往你的arduino 程序中添加 avr-c 代碼。硬 件 開 源 并 可 擴(kuò) 展arduino板 基 于atmel 的atmega8 和atmega168/328 單片機(jī)。arduino 基于 creative commons 許可協(xié)議，所以有經(jīng)驗(yàn)的電路設(shè)計(jì)師能夠根據(jù)需求設(shè)計(jì)自己的模塊，可以對(duì)其擴(kuò)展或改進(jìn)。甚至是對(duì)于一些相對(duì)沒有什么經(jīng)驗(yàn)的用戶，也可以通過制作試驗(yàn)板來理解

10、arduino 是怎么工作的，省錢又省事。數(shù)字端口 013 6 組 pwm 端口tx 、rx 指示燈usb 插孔穩(wěn)壓芯片外部電源供電插孔模擬端口 05 icsp arduino 仿生六足機(jī)器人教材13 arduino 基于 avr 平臺(tái)，對(duì) avr 庫進(jìn)行了二次編譯封裝，把端口都打包好了，寄存器啦、地址指針之類的基本不用管。 大大降低了軟件開發(fā)難度， 適宜非專業(yè)愛好者使用。優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)并存，因?yàn)槭嵌尉幾g封裝，代碼不如直接使用avr 代碼編寫精練，代碼執(zhí)行效率與代碼體積都弱于avr 直接編譯。性能：digital i/o 數(shù)字輸入 /輸出端口 013。analog i/o 模擬輸入 /輸出端口

11、0-5。支持 icsp下載，支持 tx/rx 。輸入電壓： usb 接口供電或者 5v-12v 外部電源供電。輸出電壓：支持3.3v 級(jí) 5v dc 輸出。處理器：使用 atmel atmega168 328處理器，因其支持者眾多，已有公司開發(fā)出來32 位的 mcu 平臺(tái)支持 arduino。arduino 板子上基本端口如描述，對(duì)幾個(gè)比較特殊的端口下面詳細(xì)說明下：vin 端口：vin 是 input voltage 的縮寫，表示有外部電源時(shí)的輸入端口。如果不使用 usb 供電時(shí)，外接電源可以通過此引腳提供電壓。（如電池供電，電池正極接vin 端口，負(fù)極接 gnd 端口）aref:refere

12、nce voltage for the analog inputs( 模 擬 輸 入的 基 準(zhǔn) 電 壓 ） 。 使 用analogreference() 命令調(diào)用。icsp：也有稱為 isp（in system programmer)，就是一種線上即時(shí)燒錄，目前比較新的芯片都支持這種燒錄模式，包括大家常聽說的8051 系列的芯片，也都慢慢采用這種簡便的燒錄方式。 我們都知道傳統(tǒng)的燒錄方式， 都是將被燒錄的芯片， 從線路板上拔起， 有的焊死在線路板上的芯片， 還得先把芯片焊接下來才能燒錄。為了解決這種問題，發(fā)明了icsp 線上即時(shí)燒錄方式。只需要準(zhǔn)備一條r232 線（連接燒錄器） ， 以及一條連

13、接燒錄器與燒錄芯片針腳的連接線就可以。電源的 +5v， gnd，兩條負(fù)責(zé)傳輸燒錄信息的針腳，再加上一個(gè)燒錄電壓針腳，這樣就可以燒錄了。2.2. arduino驅(qū)動(dòng)安裝首先在電腦上面打開光盤， 找到 arduino 項(xiàng)目開發(fā) 文件夾，拷貝到你的電腦上你想放到的盤符上，例如d 盤（建議不要放到桌面上） ，然后打開，可以看到如下：arduino 仿生六足機(jī)器人教材14 光盤中所帶 arduino ide為 1.0.3版本， 是目前最新版本，ide 就是 arduino的軟件程序開發(fā)環(huán)境， 里面已經(jīng)集成了項(xiàng)目中所需要的很多外設(shè)庫，還有一些其他設(shè)置， 比如添加中文注釋， 為用戶省去了很多麻煩。 ide

14、中所帶庫文件均經(jīng)過調(diào)試，和光盤代碼完全匹配。arduino 資料相關(guān) 文件夾中是一些入門資料以及我們提供的arduino電路板原理圖。（注：光盤中所帶軟件僅支持windows 系統(tǒng)。其他系統(tǒng)請(qǐng)去官網(wǎng)下載。）arduino 控制板到手后，首先需要在電腦上把驅(qū)動(dòng)裝上，這樣才可以進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)。首先打開包裝，找到藍(lán)色usb 數(shù)據(jù)線，一端連接arduino 控制板另一端連接電腦 usb 端口。本文以 win7 32 位為例，會(huì)出現(xiàn)識(shí)別到新硬件顯示。然后會(huì)開始查找系統(tǒng)內(nèi)驅(qū)動(dòng)。如果沒有找到驅(qū)動(dòng)，會(huì)顯示這個(gè)畫面。arduino 仿生六足機(jī)器人教材15 這時(shí)，需要在開始菜單，“ 計(jì)算機(jī) ” 上面點(diǎn)右鍵，點(diǎn) “

15、屬性” 。然后點(diǎn)擊設(shè)備管理arduino 仿生六足機(jī)器人教材16 會(huì)看到打了感嘆號(hào)的未識(shí)別硬件在未識(shí)別硬件上點(diǎn)右鍵，點(diǎn)擊“ 屬性” ，選擇更新驅(qū)動(dòng)程序軟件。arduino 仿生六足機(jī)器人教材17 選擇瀏覽計(jì)算機(jī)以查找驅(qū)動(dòng)程序軟件然后目錄選擇你的arduino1.0所在目錄的 drivers 目錄arduino 仿生六足機(jī)器人教材18 注意，如果您的計(jì)算機(jī)提示無法找到驅(qū)動(dòng)，需要將目錄進(jìn)一步定位到driversftdi usb drivers 即可點(diǎn)擊下一步，就可以安裝好驅(qū)動(dòng)了。arduino 仿生六足機(jī)器人教材19 安裝好驅(qū)動(dòng)后，就可以顯示是com 幾端口，我這里顯示的是com14端口。ardu

16、ino 仿生六足機(jī)器人教材20 2.3. arduino ide菜單介紹接著我們介紹下arduino 的 ide 界面，首先進(jìn)入軟件目錄。 然后就可以看到 arduino.exe 文件，雙擊打開ide，可以生成桌面快捷方式，方便以后使用。首先映入眼簾的是下圖的界面，工具欄按鈕功能依次為“ 編譯 ” -“ 上傳” -“ 新建程序 ” -“ 打開程序 ” -“ 保存程序 ” -“ 串口監(jiān)視器 ”arduino 仿生六足機(jī)器人教材21 菜單欄上，首先看file 菜單介紹如下：arduino 仿生六足機(jī)器人教材22 接下來看 edit 菜單介紹如下：sketch菜單介紹tools 菜單介紹arduin

17、o 仿生六足機(jī)器人教材23 arduino 也支持中文界面，如果英文界面看著不爽的話，只要打開file-preferences ，如下圖中選擇簡體中文，點(diǎn)擊ok，關(guān)閉后重新打開軟件即可。在正常使用之前我們還需要對(duì)arduino 軟件做如下設(shè)置：1）打開 arduino ide ，選擇 文件-參數(shù)設(shè)置 ，按如下設(shè)置。arduino 仿生六足機(jī)器人教材24 2）選擇工具-板卡，點(diǎn)選如圖所示。因?yàn)槲覀冇玫氖?28 的芯片，如果為其他型號(hào)相應(yīng)選擇即可。串口就選擇電腦 -設(shè)備管理器里面顯示的串口號(hào)即可。至此 arduino ide的設(shè)置基本完成?？梢跃帉懢幾g代碼進(jìn)行開發(fā)了。arduino 仿生六足機(jī)器人

18、教材25 三、 實(shí)驗(yàn)操作3.1 紅外避障實(shí)驗(yàn)3.1.1 紅外避障原理紅外線反射傳感器是利用紅外線反射的原理，根據(jù)反射的強(qiáng)度來判定前方障礙的有無。 在距離適中的時(shí)候測量精度很高。由于使用的是紅外線，所以抗干擾能力很強(qiáng)。這樣做更加確保了機(jī)器人的穩(wěn)定性。管腳線定義：手動(dòng)調(diào)節(jié)如圖所示：可調(diào)電阻用于手動(dòng)調(diào)節(jié)傳感器的測量范圍（順時(shí)針旋轉(zhuǎn)距離增大，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)距離減?。?。3.1.2 紅外避障實(shí)驗(yàn)操作利用紅外避障傳感器控制led 燈。接線圖：紅線電源（ +）黑線（或綠線）電源（ -）藍(lán)線(或黃線 ) 控制線可調(diào)電阻arduino 仿生六足機(jī)器人教材26 例程：int sensor = 3; /把紅外避障傳感器

19、接到3 腳上int val = 0; /保存紅外傳感器狀態(tài)值int led = 13; /定義 led 燈void setup() pinmode(sensor,input); /設(shè)置傳感器引腳為輸入模式pinmode(led,output); /設(shè)置傳感器引腳為輸入模式 void loop() val=digitalread(sensor); /采集傳感器狀態(tài)值0 或 1 if(val=0) /紅外傳感器檢測到信號(hào)digitalwrite(led, high); / 打開 led if(val=1) /紅外傳感器沒有檢測到信號(hào)digitalwrite(led, low); / 關(guān)閉 led

20、知識(shí)點(diǎn)：pinmode() 描述將指定的引腳配置成輸出或輸入。arduino 仿生六足機(jī)器人教材27 語法pinmode(pin, mode) 參數(shù)pin:要設(shè)置模式的引腳mode:input 或 output 邏輯：紅外傳感器檢測到信號(hào)， 打開 led。 紅外傳感器沒有檢測到信號(hào)， 關(guān)閉 led。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：紅外傳感器前有障礙時(shí)， 打開 led 燈。 紅外傳感器前沒有障礙時(shí)，關(guān)閉 led 燈。3.2 舵機(jī)實(shí)驗(yàn)3.2.1 舵機(jī)的介紹舵機(jī)，顧名思義，大海航行靠舵手， 舵機(jī)早期是應(yīng)用在航模中控制方向的，在航空模型中， 飛行器的飛行姿態(tài)是通過調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)和各個(gè)控制多面來實(shí)現(xiàn)的，后來有人發(fā)現(xiàn)這種機(jī)器的體積

21、小、重量輕、扭矩大、精度高，由于具備了這樣的優(yōu)點(diǎn)， 很適合應(yīng)用在機(jī)器人身上作為機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)。按照舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度分有180 度舵機(jī)和 360度舵機(jī)。180 度舵機(jī)只能在 0 度到 180 度之間運(yùn)動(dòng)，超過這個(gè)范圍， 舵機(jī)就會(huì)出現(xiàn)超量程的故障， 輕則齒輪打壞， 重則燒壞舵機(jī)電路或者舵機(jī)里面的電機(jī)。 360 度舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方式和普通的電機(jī)類似，可以連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)，不過我們可以控制它轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和速度。按照舵機(jī)的信號(hào)處理分為模擬舵機(jī)和數(shù)字舵機(jī)，它們的區(qū)別在于，模擬舵機(jī)需要給它不停的發(fā)送pwm 信號(hào)，才能讓它保持在規(guī)定的位置或者讓它按照某個(gè)速度轉(zhuǎn)動(dòng)， 數(shù)字舵機(jī)則只需要發(fā)送一次pwm 信號(hào)就能保持在規(guī)定的某個(gè)位置

22、。關(guān)于pwm 信號(hào)在以后章節(jié)將會(huì)介紹。3.2.2 舵機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般來說， 我們用的舵機(jī)有以下幾個(gè)部分組成：直流電動(dòng)機(jī)、 減速arduino 仿生六足機(jī)器人教材28 器（減速齒輪組）、位置反饋電位計(jì)、控制電路板（比較器） 。舵機(jī)的輸入線共有三根，紅色在中間，為電源正極線，黑色線是電源負(fù)極（地線）線，黃色或者白色線為信號(hào)線。其中電源線為舵機(jī)提供6v 到 7v 左右電壓的電源。舵機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.2.3 模擬舵機(jī)的控制協(xié)議360 度舵機(jī)是怎樣控制的呢？360 度舵機(jī)使用的場合基本上是在輪式機(jī)器人身上， 所以對(duì)應(yīng)的上升沿和下降沿代表的意義也很不相同，圖3-4 給出了 360度舵機(jī) pwm 控制信號(hào)的

23、波形圖。下圖中， t1 表示上升沿， t2 表示下降沿， t 表示方波的周期。下面具體解釋一下這種舵機(jī)的控制協(xié)議。我們是通過 pwm 信號(hào)的高電平占空比來控制360 度舵機(jī)的，通過實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)pwm 信號(hào)的周期為20ms時(shí)控制效果是最好的。 在周期為 20ms情況下， 當(dāng) 1.3mst11.5ms時(shí)，舵機(jī)反轉(zhuǎn)，當(dāng)1.5mst11.7ms時(shí)舵機(jī)正轉(zhuǎn)，兩種情況下當(dāng)t1 越接近 1.5ms時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度越慢，當(dāng)t1=1.5ms時(shí)，舵機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，也就是說占空比為1.5/20=7.5%時(shí)舵機(jī)停止，這里的7.5 是允許有一定誤差的，這就允許我們不改變t1 的情況下，可以稍微的改變周期，實(shí)驗(yàn)表明周期 t

24、可以再 19ms到 21ms之間。另外，這類360舵機(jī)身上有個(gè)微調(diào)電阻（見圖），它的作用類似校零，當(dāng)我們給舵機(jī)一個(gè)占空比為7.5%的 pwm 信號(hào)時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)舵機(jī)沒有停止轉(zhuǎn)動(dòng)， 可以通過調(diào)整這個(gè)微調(diào)電阻來讓它停止。紅、黑、白線舵 機(jī)上蓋齒 輪組直 流電機(jī)固定螺絲舵機(jī)后蓋位置反饋電位計(jì)控制電路板（比較器）arduino 仿生六足機(jī)器人教材29 1.3mst11.7ms t=20ms 3.2.4 舵機(jī)實(shí)驗(yàn)操作控制一個(gè) 360度舵機(jī)正反轉(zhuǎn)，接線圖如下。接線圖：arduino 有舵機(jī)應(yīng)用庫，把 360 度舵機(jī)接在第6 接口，舵機(jī)控制程序如下。例程 1：#include arduino 仿生六足機(jī)器人教

25、材30 servo servo; /定義舵機(jī)void setup() servo.attach(6); /定義舵機(jī)接口 6 servo.writemicroseconds(1500);/高電平 1500微秒 此時(shí)舵機(jī)停止 void loop() servo.writemicroseconds(1500); /高電平 1500 微秒 此時(shí)舵機(jī)停止 把舵機(jī)接到第 6 口，燒錄例程 1，調(diào)整微調(diào)電阻使舵機(jī)停止。例程 2：#include servo servo; /定義舵機(jī)void setup() servo.attach(6); /定義舵機(jī)接口 6 servo.writemicroseconds(1500);/高電平 1500微秒 此時(shí)舵機(jī)停止 void loop() servo.w