555是美国Signecs公司1972年研制的用于取代式萣时器的中规模因输入端设计有三个5kΩ的而得名。此后来竟风靡世界。目前，流行的产品主要有4个：BJT两个：555，556（含有两个555）；CMOS两个：75557556（含有两个7555）。

555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件一般用双极型（TTL）工艺制作的称为 555，用 互补金属氧化物（CMOS ）工艺淛作的称为 7555除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V~16V 工作7555 可在 3~18V 工作，输出驱动约为 200mA因而其输出可与 TTL、CMOS 戓者电平兼容。

555 芯片是极其多用途的芯片有着多达数百的不同应用包括时基或是开关以及电压控制的和调节器。

对于接触过或者模拟电蕗的人来说555芯片绝对算的上是经典的。凭借着其低廉的成本和可靠的性能广泛的被应用到各种电器上，包括仪器仪表、家用电器、电動玩具、自动控制

它的各个引脚功能如下：

1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地

2脚：低触发端TL，该脚电压小于1/3 VCC时有效

4脚：直接清零端T。当此端接低电平时则时基电路不工作，此时不论TL、TH处于何电平时基电路输出为“0”，该端正常工作时应接高电平触发

5脚：CO为控制电压端。若此脚外接电压则可改变内部两个的基准电压，当该脚不用时应将该脚串入一只0.01μF（103）瓷片接地，以防引入高频干擾

6脚：高触发端TH，该脚电压大于2/3 VCC时有效

7脚：放电端。该端与放电管T的集电极相连用做定时器时电容的放电引脚。

8脚：外接电源VCC双極型时基电路VCC的范围是4.5 -16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3-18V一般用5V。

它内部包括两个电压比较器三个5K等值串联电阻，一个 RS (由G1和G2构成)一个放电三极管T 及功率输出级。它提供两个基准电压2(1/3 VCC) 和VR1(2/3 VCC)如下图所示。

555 定时器的功能主要由两个比较器决定两个比较器的输出电压控制RS 触发器和放电管T的状态。在电源与地之间加上电压且当5脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为2/3VCCC2反相输入端的电压为1/3VCC。若低触发输入端 TL的电壓小于1/3 VCC则比较器C2的输出为 0，可使 RS 触发器置 1使输出端 OUT=1，即输出高电平触发如果高触发端TH的电压大于 2/3 VCC，同时 TR端的电压大于1/3 VCC则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1可将 RS 触发器置 0，使输出端OUT=0即输出低电平。

综上所述在8脚接电源VCC，1脚接地5脚未外接电压的条件下，555时基电路的逻辑功能表如下：

在此模式下555功能为单次触发。应用范围包括定时器脉冲丢失检测，反弹跳，分频器电容测量，脉冲宽度调制（PWM）等

在此模式下555以振荡器的方式工作。这一工作模式下的555芯片常被用于频闪灯、脉冲发生器、逻辑电路时钟、音调发生器、脉冲位置调制（PPM）等電路中如果使用热敏电阻作为定时电阻，555可构成其输出信号的频率由温度决定

在DIS引脚空置且不外接电容的情况下，555的工作方式类似于┅个RS触发器可用于构成锁存开关

单稳态触发器（用于定时延时整形及一些定时开关中）

多谐振荡器（组成信号产生电路）

施密特触发器（用于TTL系统的，整形电路或脉冲鉴幅）

单稳工作方式它可分为3种。见图示

第1种（图1）是人工启动单稳，又因为定时电阻定时电容位置鈈同而分为2个不同的单元并分别以1.1.1 和1.1.2为代号。他们的输入端的形式也就是电路的结构特点是：“RT-6.2-CT”和“CT-6.2-RT”。

第2种（图2）是脉冲启动型單稳也可以分为2个不同的单元。他们的输入特点都是“RT-7.6-CT”都是从2端输入。1.2.1电路的2端不带任何元件具有最简单的形式；1.2.2电路则带有一個RC微分电路。

第3种（图3）是压控振荡器单稳型压控振荡器电路有很多，都比较复杂为简单起见，我们只把它分为2个不同单元不带任哬辅助器件的电路为1.3.1；使用、运放等辅助器件的电路为1.3.2。图中列出了2个常用电路

这里我们将对555双稳电路工作方式进行总结、归纳。555双稳電路可分成2种

第一种（见图1）是触发电路，有双端输入（2.1.1）和单端输入（2.1.2）2个单元单端比较器（2.1.2）可以是6端固定，2段输入；也可是2端凅定6端输入。

第2种（见图2）是施密特触发电路有最简单形式的（2.2.1）和输入端电阻调整偏置或在控制端（5）加控制电压VCT以改变阀值电压嘚（2.2.2）共2个单元电路。

双稳电路的输入端的输入电压端一般没有定时电阻和定时电容这是双稳工作方式的结构特点。2.2.2单元电路中的C1只起莋用R1和R2起直流偏置作用。

第三类是无稳工作方式无稳电路就是多谐振荡电路，是555电路中应用最广的一类电路的变化形式也最多。为簡单起见也把它分为三种。

第一种（见图1）是直接反馈型振荡电阻是连在输出端VO的。

第二种（见图2）是间接反馈型振荡电阻是连在電源VCC上的。其中第1个单元电路（3.2.1）是应用最广的第2个单元电路（3.2.2）是方波振荡电路。第3、4个单元电路都是占空比可调的脉冲振荡电路功能相同而电路结构略有不同，因此分别以3.2.3a 和3.2.3b的代号

第三种(见图3)是压控振荡器。由于电路变化形式很复杂为简单起见，只分成最简单嘚形式（3.3.1）和带辅助器件的(3.3.2)两个单元图中举了两个应用实例。

无稳电路的输入端一般都有两个振荡电阻和一个振荡电容只有一个振荡電阻的可以认为是特例。例如：3.1.2单元可以认为是省略RA的结果有时会遇上7.6.2三端并联，只有一个电阻RA的无稳电路这时可把它看成是3.2.1单元电蕗省掉RB后的变形。

以上归纳了555的3类8种18个单元电路虽然它们不可能包罗所有555应用电路，古话讲：万变不离其中相信它对我们理解大多数555電路还是很有帮助的。

集成电路IC1是一片555定时电路在这里接成单稳态电路。平时由于触摸片P端无感应电压电容C1通过555第7脚放电完毕，第3脚輸出为低电平KS释放，电灯不亮

当需要开灯时，用手触碰一下金属片P人体感应的杂波信号电压由C2加至555的触发端，使555的输出由低变成高電平触发继电器KS吸合，电灯点亮同时，555第7脚内部截止电源便通过R1给C1充电，这就是定时的开始

当电容C1上电压上升至电源电压的2/3时，555苐7脚道通使C1放电使第3脚输出由高电平触发变回到低电平，继电器释放电灯熄灭，定时结束

定时长短由R1、C1决定：T1=1.1R1*C1。按图中所标数值萣时时间约为4分钟。D1可选用1N4148或1N4001

附图电路是用555单稳电路制成的相片曝光定时器。用人工启动式单稳电路

工作原理： 电源接通后，定时器進入稳态此时定时电容CT的电压为：VCT=VCC=6V。对555这个等效触发器来讲两个输入都是高电平触发，即VS=0继电器KA不吸合，常开点是打开的曝光照奣灯HL不亮。

按一下SB之后定时电容CT立即放到电压为零。于是此时555电路等效触发的输入成为：R=0、S=0它的输出就成高电平触发：V0=1。继电器KA吸动常开接点闭合，曝光照明灯点亮按钮开关按一下后立即放开，于是电源电压就通过RT向电容CT充电暂稳态开始。当电容CT上的电压升到2/3VCC既4伏时定时时间已到，555等效电路触发器的输入为：R=1、S=1于是输出又翻转成低电平：V0=0。继电器KA释放曝光灯HL熄灭。暂稳态结束有恢复到稳態。

曝光时间计算公式为：T=1.1RT*CT本电路提供参数的延时时间约为1秒~2分钟，可由RP调整和设置

电路中的继电器必需选用吸合电流不应大于30mA的产品，并应根据负载（HL）的容量大小选择继电器容量

附图电路中，时基电路555接成无稳态电路3脚输出频率为20KHz、占空比为1：1的方波。3脚为高電平触发时C4被充电；低电平时，C3被充电由于VD1、VD2的存在，C3、C4在电路中只充电不放电充电最大值为EC，将B端接地在A、C两端就得到+/-EC的双电源。本电路输出电流超过50mA

时基电路555构成一个极低频振荡器，输出一个个短的脉冲使扬声器发出类似雨滴的声音（见附图）。扬声器采鼡2英寸、8欧姆小型动圈式雨滴声的速度可以通过100K电位器来调节到合适的程度。如果在电源端增加一简单的定时开关则可以在使用者进叺梦乡后及时切断电源。

这是一个占空比可调的脉冲振荡器电机M是用它的输出脉冲驱动的，脉冲占空比越大电机电驱电流就越小，转速减慢；脉冲占空比越小电机电驱电流就越大，转速加快因此调节电位器RP的数值可以调整电机的速度。如电极电驱电流不大于200mA时可鼡CB555直接驱动；如电流大于200mA，应增加驱动级和功放级

图中VD3是续流。在功放管截止期间为电驱电流提供通路既保证电驱电流的连续性，又防止电驱线圈的自感反电动势损坏功放管电容C2和电阻R3是补偿网络，它可使负载呈电阻性整个电路的脉冲频率选在3~5千赫之间。频率太低電机会抖动太高时因占空比范围小使电机调速范围减小。

用555制作的D类放大器

我们知道D类放大器具有体积小、效率高的特点这里介绍一個用555电路制作的简易D类放大器。它是利用555电路构成一个可控的多谐振荡器信号输入到控制端得到调宽脉冲信号（如图），基本能满足一般的听音要求

由IC 555和R1、R2、C1等组成100KHz可控多谐振荡器，占空比为50%控制端5脚输入音频信号，3脚便得到脉宽与输入信号幅值成正比的脉冲信号經L、C3接调、滤波后推动扬声器。

夏天要来了电风扇又得派上用场。这里介绍一个电风扇模拟阵风周波调速电路可以为将我们家里的老式风扇增加一个实用功能，也算是一个迎接夏天到来的准备吧下面介绍其工作原理。

电路见图1a电路中NE555接成占空比可调的方波发生器，調节RW可改变占空比在NE555的3脚输出高电平触发期间，过零通断型MOC3061初级得到约10mA正向工作电流使内部硅化镓线发射二极管发射红外光，将过零檢测器中光敏双向开关于市电过零时导通接通电风扇电机电源，风扇运转送风在NE555的3脚输出低电平期间，双向开关关断风扇停转。

MOC3061本身具有一定驱动能力可不加功率驱动元件而直接利用MOC3061的内部双向开关来控制电风扇电机的运转。RW为占空比调节电位器亦即电风扇单位時间内（本电路数据约为20秒）送风时间的调节，改变C2的取值或RW的取值可改变控制周期

图1b电路为MOC3061的典型功率扩展电路，在控制功率较大的電机时应考虑使用功率扩展电路。制作时可参考图示参数选择器件。由于电源采用电容压降方式请自制时注意安全，人体不能直接觸摸

一般电热毯有高温、低温两档。使用时拨在高温档，入睡后总被热醒；拨在低温档有时醒来会觉得温度不够。这里介绍一种电熱毯温控器它可以把电热毯的温度控制在一个合适的范围。

电路如图所示图中IC为NE555时基电路。RP3为温控调节电位器其滑动臂电位决定IC的觸发电位V2和阀电位Vf，且V5=Vf=2Vz220V交流电压经C1、R1限流降压，D1、D2整流、C2滤波DW稳压后，获得9V左右的电压供IC用室温下接通电源，因已调V2VzV6≥Vf时，IC翻转3脚变为低电平，BCR截止电热丝停止发热，温度开始逐渐下降BG1的ICEO随之逐渐减小，V2、V6降低当V6元件选择：

BG1可选用3AX、3AG等PNP型锗管；BCR用400V以上的小型双向，其它元件按图标选用制作要点：

热敏BG1可用耐温的细软线引出，并将其连同管脚接头装入一铝壳内，注入导热硅脂制成温度探头。使用时把该温度探头放在适当部位即可。

家用电器、照明灯等电源的开或关常常需要在不同的时间延迟后进行，本电源插座即鈳满足这种不同的需要 工作原理：电路如图所示，它由降压、整流、滤波及延时控制电路等部分组成 

按下AN，12V工作电压加至延迟器上這时NE555的②脚和⑥ 脚为高电平触发，则NE555的③ 脚输出为低电平因此继电器K得电工作，触点K1-1向上吸合这时“延关”插座得电，而“延开”插座无电

这时电源通过电容器C3 、电位器RP、R3至“地”，对C3进行充电随着C3上的电压升高，NE555的②、⑥脚的电压越来越往下降当此电压下降至2/3Vcc 時，NE555的③脚输出由低电平跳变为高电平触发这时继电器将失电而不工作，则其控制触点恢复原位则“延关”插座失电，而“延开”插座得电就这样满足了不同的需求，、LED2作相应的指示

本电路只要是好的，装配无误装好即可正常工作。

C1的耐压值应≥400VR1的功率应≥2W，AN按钮开关可选用K-18型的继电器的型号为JQX-13F-12V。其它元器件无特殊要求

新颖实用的直流低压稳压电源

开关电源部分的VD1－VD4、R1、C1、C2组成整流滤波电蕗。NE555和R2、R3、C4、VD6等元件组成多谐振荡电路其频率约20KHz。R4、C3、VD5组成降压稳压电路为NE555提供12V工作电源。大功率管VT1及T构成开关电路VT1的工作状态由NE555嘚③脚控制，导通时间由脉冲宽度决定调整R3即可改变脉冲宽度。脉冲宽度变宽输出电压升高；脉冲宽度变窄，输出电压降低VT2及R8、R9、C6組成过流。当负载过重或发生短路故障时VT2导通，强迫NE555复位停振从而保护VT1不致损坏。C7、R10为保护网络防止VT1的c-e结被瞬间脉冲击穿。两个次級绕组经整流滤波后分别输出20V及12V

为了使制作简单，开关电源设计成不能自动稳压的其功能类似于变压器，只是实现轻型化的隔离降压莋用稳压功能由后面的稳压电路实现。12V直流电压经7805稳压后输出+5V电压；20V直流电压送至可调稳压电路两者不共地，以便于进行加减组合输絀多种电压

1. 基本组成部分概述

主体全手工制莋由15种零件，合共25件零件构成其中包括3根规格不同的轴，2种规格不同的轴承合计5个支架1种合共2件，支座1种合共1件第一级1种合共2件，第二级机械臂1种合共2件第三级机械臂1种合计2件，机械臂间连接件3种共4件轴固定件2种合计4件，另有用于各个零件间固定的角铁合计8件其中除轴承外均为铝合金制件，机械臂手臂部分由平行铝合金板构成双立式结构第三级机械臂共有两边，分别可自由活动其由单块鋁合金板组成，一端直接与舵机相连另一端固定鼓棒。轴分为竖直轴与水平轴竖直轴与步进电机相套，水平轴由轴固定件与轴承分别連接各级机械臂

整体呈现单支双臂式结构，合共有5个自由度其中3个自由度有电机驱动，其中位于底座下方的步进电机用于转动而位於第二级与第三级机械臂之间连接的舵机用于带动第三级机械臂转动。铝合金板零件之间使用自制淬火角铁进行固定避免对铝合金制件進行钣金工作，以减低成本和制作时间；轴与铝合金工件之间采用轴连接件与轴承混合固定的方式进行配合与固定整体机械臂合共使用叻将近200g的螺丝与螺母，主要用于角铁与铝合金板件的紧固处理另外也有使用少量紧固螺钉进行轴与固定件或者电机之间的固定。舵机上媔也装有四个带有齿孔的固定件用于夹持第三级机械臂。（详见图1.1）

图1.1 机械臂主体结构实物图

机器人底座由2块平行有机玻璃构成其中甴4根螺柱连接2块玻璃板。面板装有轴承通过轴承自带的小孔与有机玻璃地板进行螺丝固定。底板通过角铁夹住步进电机使步进电机自身不能转动，竖直轴穿过轴承与步进电机相连竖直轴底部为空心处理，并且使电机轴套入竖直轴中并使用紧固螺钉进行两者的固定。媔板同时有9根固定螺钉用于支撑鼓。2块底板之间的空间用于放置主控制电路电路板步进电机驱动及其中一个电源。（详见图1.2及1.3）

图1.2 底座部分内部实物示意图

图1.3 底座部分整体实物图

整个机器人的电路系统由3个主要部分组成分别为由组成的主控制电路由与组成的子控制电蕗，以及由单片机控制的电机及其配套电路其中电机及其配套电路又细分为舵机的直接控制与使用步进电机驱动电路进行对步进电机的控制。

机器人主控制电路由开发板和最小系统板组成开发板主要构造包括有单片机，时钟电路系统蜂鸣器电路，复位电路系统配套嘚LED灯显示系统，数字显示系统外接数据线系统等组成（见图1.4），外有与PIC匹配5V电压电源系统相连向主控制电路提供稳定的电压。利用主控制电路上的排针设备可以使用电路连接线连接各个子控制电路、舵机与步进电机驱动器的相关接口，通过主控制电路接收子控制电路嘚反馈信息通过对应的判断向舵机、步进电机输出相应的脉冲，控制电机运动其控制流程如下：

图1.4 主控制电路控制流程示意图

机器人孓控制电路由手工制作的电路板组成，其中子控制电路又分为声控子电路与触控子电路；其中声控电路部分主要由及指示灯系统构成能夠接收环境变量中的声音分量，通过调节可变电阻可以使接收合适范围的声强并通过整波电路与放大电路将相关的信息传递到单片机中；触控电路主要部分由构成，将在设计中外接通过击打触碰开关，使开关通过电流通过电流后整体经过各类比较器、放大器、整波元件实现向PIC单片机输出有高电平触发经过的信息功能。其控制流程如下所示:

图1.5 子控制电路整体示意图

步进电机驱动电路为现成集成模块外蔀与15V电压相连，逻辑电源接单片机VCC通过单片机输出脉冲实现一定角速度转动，同时由DIR（方向）接口决定步进电机转动方向FREE（使能）接ロ决定步进电机的启动与停止速度。

机器人通过第三级机械臂及其连接的鼓棒实现击鼓的功能其中第三级机械臂由舵机带动，调节舵机嘚高低电平延时时间实现对舵机的转速、击打力度的控制通过高低电平输出的循环实现转角的控制，同时调用相关的程序使机器人可鉯按照一定的节奏或者现场示教人员的指示进行有规律的击鼓动作。

如下图所示机器人当给予舵机延时2400us的高电平触发以及20ms低电平的脉冲信号（详见图3.5）并且将该程序循环40次，舵机会从图1.9所示位置A移动到图1.10位置B,同时通过第三级机械臂、舵机自身、鼓棒形成一个三级结构击咑鼓，使鼓发出一定的响声；而当给予舵机延时600us的高电平触发以及20ms低电平的脉冲信号（详见图3.7）并且将该程序循环40次舵机会从图1.6所示位置回复到图1.5所示位置，并且通过其自身的机械零点进行回复

通过单片机预先编写的程序或者示教的模式，机器人按照一定的规律进行击皷其击鼓的频率约为0.7-1.0秒/次，其中下行时间约为0.3-0.5秒上行时间约为0.4-0.6秒，通过调节左右舵机输出不同的脉冲信号可以实现交替击打（见图1.7，图1.8）交替极大能够实现整体机器人平均击鼓频率在0.3-0.5秒/次，而通过双臂仅能同时使整体机器人的击鼓频率在0.8-1.0秒/次左右

而步进电机能够使机器人通过自身的转动，击打到不同位置的鼓通过对步进电机的输出脉冲的个数进行控制，根据步矩角理论则能够使步进电机转动一萣的角度经过计算可以测出击打左侧两个鼓与击打右侧两个鼓需要转动的角度，即循环的次数使步进电机转动要求的角度，并且实现擊打的鼓的机械转换

图1.6 击鼓功能控制流程图

图1.7 机器人同步击打A位置实物示意图

图1.8 机器人同步击打B位置实物示意图

图1.9 机器人异步击打实物礻意图A

图1.10 机器人异步击打实物示意图B

通过在预先在PIC单片机中离线编写好的程序，程序中进行对舵机与步进电机的脉冲信号输出其中包括囿舵机的异步控制方法、同步控制方法以及步进电机的控制；异步控制方法为单片机对两个舵机中的一个输出脉宽为2.4ms的高电平触发和20ms低电岼而对另外一个电机输出脉宽为0.6ms的高电平触发和20ms（详见图1，13）循环一定次数之后交换两个电机的输出脉冲（详见图1.14），这样两个舵机将會出现一个左侧机械臂下行同时右侧机械臂上行然后左侧机械臂上行右侧机械臂下行的交替击打；同步控制方法为PIC单片机对两个舵机同時输出脉宽为2.4ms的高电平触发和20ms的低电平（详见图1.15）循环一定次数之后同时再输出脉宽为0.6ms的高电平触发和20ms的低电平，这样两个舵机将会出现哃时击打同时复位的情况步进电机使用占空比为50%的高低电平调控，能够实现一定的步矩角的转动

离线编程系统通过多次重复地不同地調用舵机异步控制、舵机同步控制、步进电机控制的子程序，能够实现机器人在步进电机一边转动一边舵机同步击打、步进电机一边转动┅边舵机异步击打步进电机停动同时舵机同步击打、步进电机停动同时舵机异步击打四种主要情况，通过交替、多次、重复、并排使用這些子程序和情况能够使机器人整体在围绕三个鼓之间进行多次的来回往复击打，同时能够进行左右臂同时击打（见图1.7图1.8）和左右臂茭替击打的控制(见图1.9，图1.10)

图1.11 两舵机异步控制脉冲信号示意图A

图1.12 两舵机异步控制脉冲信号示意图B

图1.13 两舵机同步控制脉冲信号示意图

通过在聲音传感子控制电路，通过可变电阻调整声音传感器的接收范围可以识别现场的声音，机器人通过从子控制系统反馈的声音信息能够實时输出相应的舵机同步控制脉冲信号，舵机同时击鼓机器人跟随声音进行运动；通过触感子控制电路，可以识别人是否对示教的模拟皷进行击打如果是则输出相应的脉冲信号使一侧舵机进行跟随运动。

1. 创作意图与灵感来源

大白菜作为一个其主要功能并不局限与击鼓。我们创作这个机器人的意图是作为后续项目的前期制作对后续项目中使用到的机械手进行理论的论证，以及对其进行部分制作大白菜是后续项目中机械手的简化版本，我们也在大白菜上预留足够的空间以及增加电机的空间用于日后在项目中对其进行改装与增加自由喥。

大白菜的灵感来源于多个方面：

（1）、基本结构：为了适应后续项目中的仿人式机械手而采用的单支双臂式结构第一级机械臂与第②级机械臂也采用与人相似的设计；

（2）、基本功能：由于在比赛中强调可展示性，强调能够调动现场气氛的能力因此简化了原有纪录位姿的功能，单纯采用单片机的控制而取消对电机转角、转速的测量从而萌生使机械手进行击鼓动作的设计；

（3）、附加功能：包括声喑控制与触感控制，则源于在最近结束的上海世博会中在上海企业联合馆中的等待区节目第一个为由观众现场的拍掌，使场馆的LED灯根据現场拍掌的节奏而闪亮第二个为由现场观众喊出相应的字母，机器人捡起对应的箱子仿照这2个节目我们设计出通过现场观众拍掌的声喑控制机器人以及通过现场击鼓的展示使机器人纪录示教人的击打信息并重现的附加功能。

（1）、作为一款参加机器人比赛展示类的机器囚该机械臂能够进行基本的击鼓动作；而在附加功能上，则通过不同的传感系统记录示教人员的击鼓节奏，并在示教完成之后机器人能够重现该击鼓的动作以及节奏

（2）、作为一种单支双臂式的机器人（机械臂），其仿人的设计用于作者对该理论的一种验证通过对汸人的设计，使机械手能够模仿人的运动而大白菜仅是作为对后期仿人机器人的设计与制作的一个前期步骤进行相关的研究与制作。

（3）、作为一个预留了大量改进空间的机器人该机器人可以在多个方面进行不同的改进，包括预留增加自由度的位置增加电机的位置，增加编码盘测量电机转角转速缩减底座面积等多个改进方向，通过不同方面改进能够为日后研究机器人（机械臂）的运动、仿真、测量、多机器人协作等扩展功能提供了大量的现实数据、机器人实体和空间

（1）作为大赛的参赛作品，本机器人的最大功能与意义在于能够實现最基本的击鼓功能并在击鼓功能的基础上增加附加功能，实现以离线编程模式与示教模式控制机器人的功能能够为观众带来对机器人的一种新的感受，一种新的乐趣并且让更多观众参与到机器人当中。

（2）作为一种单支双臂式的机器人（机械臂）本机器人的意義在于能够通过舵机对其控制，实现击鼓的功能；同时也是作为对该类机械臂的结构的一种新思考的实践与验证。

（3）作为一个预留大量改进空间的机器人本机器人的意义在于为后续的设计与制作提供大量的现实数据与机器人实体，并且为日后的各个探究方面的选择提供了更多的参考数据资料能够使日后项目组成员的后续探究设计更为完善与周详。

表1 探究过程中应用的技术及使用范围

控制电机以期望速率、幅度运动

放大、优化、整理电路信息

上述各种技术已经全部成熟及成型只需要在掌握这些技术的基础上使用它们，并不需要通过洎行设计技术来实现；同时并且通过使用这些技术实现机器人的每个部分细节的处理，就能够最终完成机器人的整体制作与调试整个機器人的制作中使用的技术都是可行的。

本机器人作为一款基本参加大赛的作品在参赛的应用方面由于其拥有良好的展示性与娱乐性，該方面应用是可行的；另外由于预留了大量的改进空间，即便是在比赛之后需要进行多方面的改进，在未来仍然能够使用这个机器囚现有的本体作后续的研究，该方面应用同时可行

【整体质量与尺寸参数】

（1）、整体质量：2.5Kg

（1）、整体工作最大宽度：49cm

（2）、整体工莋最大高度：53cm

（3）、整体工作最高温度：45℃

（4）、整体工作最低温度：-10℃

（5）、舵机工作最大转角幅度：90°

（6）、步进电机工作最大转角幅度：30°

表2 步进电机的物理参数

【机械臂主体力矩参数】

将支架和臂简化为杆件，由于结构对称性将两舵机旋转副、每个轴的旋转副和兩三级臂各只作一个，另外由于有两个旋转副（两个轴所在的旋转副）被限制因此简化结果如图3.1：

图3.1 机械臂全自由度简化示意图

活动组件n=2高副P =0,低副P =2，自由度为：

两个自由度分别由舵机和步进电机控制满足机构稳定要求。

（2）、舵机静力矩校核

将三级臂上孔去掉简化为┅实体长方体块，则三级臂体积为：

由（2）、（3）式数据可得三级臂质量为：

三级臂重心在其几何中心距离舵机旋转轴距离为：

敲击棒質量取 ,其重心距舵机旋转轴距离为：

当三级臂和敲击棒处于图示水平时,舵机旋转轴所需静扭矩最大，其简化结构图见图3.2

图3.2 第三级机械臂长喥简化示意图

可以得第三级机械臂的静力矩为：

（3）、整体稳定性校核

取该部分臂前端角铁和螺钉、舵机总质量m =120g,二三级连接板尺寸：

同样當三级臂水平时如图3.3，所施加的静力矩为最大

图3.3 第二级、第三级机械臂静力矩简化示意图

此时重心距轴为L =100mm将前端角铁和螺钉、舵机总偅心距轴2距离也取L =100mm

假设整体受轴2上扭矩而倾斜，角度很小则底盘边缘一点与地接触，此时校验要使整体不倒条件 ,设所需整体部分结构（底盘至轴2间部件）质量为m，其重心在整体中心轴上,如图3.4所示

图3.4 假定结构倾斜受力简化示意图

当倾角a很小时底座重心、部分结构重心距傾角原点处距离均为R，列平衡条件：

k为动载荷扭矩时相对于静载荷比值 k取大越稳定，取2

利用UG计算得实际m约0.70kg,这样在底座、底座至轴部分结構重力力矩作用下系统会有摆正趋势，即a变小可以保证要求，而且在中心轴作用下整体会更稳定不倒

表4 声音传感器模块主要技术参數

LM393，驻极体话筒

表5 步进电机驱动器技术参数与接口

（2）、CP 接脉冲频率输入决定快慢

（3）、DIR 方向控制，0V反转空正转，决定方向

（4）、FREE 使能接口接0V停转，电机自由状态

（5）、A+ A相正输入

（6）、A- A相负输入

（7）、B+ B相正输入

（8）、B- B相负输入

（9）、+DC 接外接驱动电源9-32V

（1）、逻辑电源電压：5V

（2）、步进电机驱动外加电压：15V

图3.5 舵机正转脉冲信号示意图

图3.6 舵机反转脉冲信号示意图

【步进电机输入脉冲信号】

图3.7 步进电机脉冲信号控制

1. 常用控制与使用说明

图4.1 步进电机驱动与电源连接方式实物示意图

（1）、避免使机器人在倾斜面上工作，以免从高处跌落造成损坏；

（2）、机械臂运动时请勿用手触摸工作部分；

（3）、出现电机在通电状态却不工作的情况请立刻切断电源，以免电机损坏；

（4）、声控开关和触控开关为易损部件请勿暴力操作；

声控模式合适所有用户使用，使用时将机器人摆在平台上平台面积应足够大，以确保机器人击鼓时产生的震动不会使机器人跌落平台检查电路连接是否有断线、短路。确保无误后接通电源人站在附近1m处，双手合拍观察機器人是否出现敲鼓动作，如果机器人没有反应则掌声可以拍大一点，直至观察到机器人执行敲鼓动作若此时让机器人击鼓所需掌声還比较小，人可以离机器人动作远一点拍掌观察机器人是否敲鼓这样即可调节好人使用该机器人的掌声大小和距离范围。每次拍掌机器囚会敲鼓一次也可连续拍掌，但连续拍掌时速度不可过快以留机器人反应时间。拍掌频率掌握好后人可以改变拍掌频率，机器人则會以相同频率做出击鼓动作如果人根据一首歌曲节奏连续拍掌，机器人将记忆该节奏并在人拍掌后击鼓重现该节奏从而实现娱乐功能。使用完毕后应及时关闭电源以免电路元件发热影响机器人使用寿命。

【触感模式开启与使用】

触控模式可以合适所有用户使用使用時将机器人摆在平台上，平台面积应足够大以确保机器人击鼓时产生的震动不会使机器人跌落平台。检查电路连接是否有断线、短路確保无误后接通电源，单手触摸一下左臂上任一个触摸开关观察机器人左击鼓手是否执行击鼓动作。同样方式检查右手击鼓功能是否正瑺若左右击鼓手均正常，则可以每次触摸机器人任一击鼓手上的触摸开关使机器人执行击鼓动作。也可同时双手触摸两击鼓手触摸开關左右击鼓手同步执行击鼓动作。人可以通过调整触摸频率、触摸位置来使机器人打出富有旋律和动感的击鼓声使用完毕后应及时关閉电源，以免电路元件发热影响机器人使用寿命

【再离线编程功能使用】

再离线编程功能主要由高级用户使用。使用时请将电路的主要連接线全部移开使PIC单片机所在的主控制电路板独立出来使用，并同时打开您的电脑调试您电脑的串口线或者其它烧录PIC单片机的设备处於正常工作状态。在确保您能够向单片机烧入程序的情况之下您可以开始编写程序，我们建议使用常见的KEIL软件进行单片机程序的编写和項目的建立和调试程序由主要几个部分组成，我们建议您尽量不要对我们附上的程序的主要结构、系统、头文件、舵机和步进电机的延時时间等方面进行更改否则会导致机器人的某些部分或者整体无法工作；请您对如各个舵机、步进电机的子程序进行某些次序的变化，戓者对舵机的循环次数进行修改这样可以根据您的喜好，调节机械臂的包括击鼓的转动角度范围、步进电机的转动范围以及舵机交替击皷与同步击鼓的次序进行调整使机器人的表演更加具备您个人的特色。使用该功能的时候请您特别注意PIC单片机的数位与存储范围完成燒录之后将电路重新接回，开启离线编程模式之后机器人就能够按您的设定进行运动

【常见问题及解决QA】

（1）Q：为何通电之后PIC单片机指礻灯不亮，同时驱动器指示灯微亮

A：请您确定您已经给两个电路接入正确的电压，PIC单片机接的是5V的逻辑电压电机驱动器接的是15V的外加電压，如果二者弄反了可能会导致逻辑电路烧坏的情况。而驱动器在低于9V的电压条件下不能拖动步进电机工作因此请保证您已经为机器人接入正确的电源。

（2）Q：我已经接入正确的电源为何舵机不能工作？

A：请您确定您现在使用的模式是什么如果您使用的是离线编程模式，可能是由于PIC单片机内没有预设的程序或者是您在本机器人再离线编程系统使用中给舵机输出的脉冲信号不正确，本舵机使用的昰伺服控制技术高电平触发延时2.4ms，低电平延时20ms为舵机正转高电平触发延时0.6ms，低电平延时20ms时为舵机反转一但延时时间不足，可能导致舵机不能工作；如果您使用的是声控模式或者触控模式请确定您已经正确开启这些模式，通过声控系统指示灯和触控系统指示灯可以判斷系统是否接收到您所击打的信号

（3） Q：我已经接入正确的电源，为何步进电机不能工作

A：请您确定你给步进电机输出的脉冲是正确嘚，如果您使用再离线编程系统给步进电机输出的脉冲信号不正确脉冲频率过低会使步进电机转动不明显或者不转动，脉冲频率过高会使步进电机发生跳动并产生刺耳的高频声音本步进电机的工作频率幅度比较大，为了保证足够的观赏性和安全性能建议您使用高低电岼交替的方波信号，两者延时时间均为1.2±0.5ms

（4）Q：为何我的舵机挥动手臂但打不到鼓

A：如果您使用了再离线编程模式，请您确定您对舵机輸出的脉冲的循环次数如果输出的脉冲循环次数过低，会导致舵机的转动角度大幅减少这样机器人就无法击鼓了。

（5）Q：我明明已经給机器人声音信号为何机器人仍然没有反应？

A：请您首先确定您使用的声控模式如果不是，请将其调至声控模式再给予声控信号；若您确定已使用声控模式请您首先观察声控模式的指示灯在您击打鼓的时候有亮，如果没有亮的话则可能是您给予的声音信号不够强此時可以通过调节声音传感器一侧的可变电阻以调节其灵敏度；如果灯在您击打的时候有亮，但电机仍然不转动则表示PIC单片机在接收到信號的条件下无法带动电机，此时请检查您是否曾使用过再离线编程功能是否对舵机的驱动子程序进行过修改，如是则请按后面提供的源程序列表恢复；如果您不曾使用过在离线编程功能则可能是由于电路方面连接出现问题导致。

大白菜的灵感来源与我们对机械臂方面研究的兴趣整个探究过程的设计采取以一个中心点出发进行扩展的设计思路，其思路表达如下：

图5.1 设计思路流程图

首周作为确定题目和参賽的一周主要工作在于对确定参赛的类型，项目组成员进行相关的构思与设计尽管已经拥有一个确定的方向，但是仍然需要确定设计嘚整体思路与方案以及进行接下来工作的一些物资与资料准备。

次周作为机器人制作的开始主要工作在于机械设计方面，尤其是以机械臂的主体结构进行CAD及UG等软件方面的设计为重同时对机器人进行相应的受力分析以及对应的细节处理，并将初稿提交给指导老师进行审萣与修改；电路方面进行初期的购买物资确定元器件类型与数量，对开发板与最小系统板进行对应的初步调试

指导老师修改机械设计方案	调试PIC单片机开发板

第三周工作进入全面开展的状态，由于机械设计方面出现不少的问题需要多次修改机械设计部分，如轴、各级机械臂、连接件等方面都出现了如孔径不均、钣金件尺寸不规范、轴没有分级等多种问题需要多次与指导老师沟通并作出修改；另外，购買轴承、螺钉等紧固件与连接件确定需要机械零件的参数与一般选定条件；电路与控制方面则开始进行相关子控制电路的制作，声音控淛系统与触感控制系统的设计以及一般算法的编写与设计

第四周工作比较繁重，主要集中在机械设计方面继续定稿与制作并提交到加笁方进行受理与制作，而同时根据之前测得的机械臂的主体结构受力数据等方面进行电机参数的选择购买舵机与步进电机；电路与控制方面开始对新购买的舵机、步进电机、步进电机驱动器进行相应的调试，由于供货商方面提供的资料并不完整因此在电机的调试上出现佷多的问题，如占空比的掌握、步进电机脉冲的频率调整等未能使电机转动

确定电机参数并购买电机

第五周由于等待机械加工的原因，茬机械方面并没有太多的工作只是一些购买简单组装工具的工作；而工作重心则主要都集中在整个团队对于新的电机的调试方面，分别姠《机器人设计与制作》任课老师、电工电子实验中心老师、机电学院研究生等多方面进行相应的请教终于使舵机能够转动，而步进电機则出现发出尖叫声的问题

第六周机械加工完成，机械机构方面进行相应的组装工作主要集中在对机械臂主体的组装、电机的装入与凅定、底座的制作等配套工作；而控制方面则对已经调整好的舵机进行相应的控制测试，同时再对步进电机进行调试终于在使用高频信號发生器之下使步进电机转动，并且基本掌握步进电机的工作频率与工作电压以及步进电机驱动的控制技巧。

第七周需要加快工作进度机械方面已经成型，结构已经得到确定并且各个自由度运动在工作条件下运动正常；而工作都集中在电路与控制方面，主要是整体程序的编写与各个子电路的测试以及各个示教系统对电机的控制调试。

第八周主要工作在于整机调试以及编写项目报告；整机调试工作主偠集中在对机械臂的主体结构进行PIC单片机控制模拟现场情况进行各个子控制系统的调试，模拟各种可能出现的问题进行相关的准备与设計

模拟及设想问题及准备解决方案

3. 探究过程出现的问题与采取的解决方法

【问题】机械设计不规范，如轴、各级机械臂、连接件等方面嘟出现了如孔径不均、钣金件尺寸不规范、轴没有分级等多种问题

【解决方法】通过与指导教师的沟通与多次交流，并将机械设计图交給老师审阅与修改由指导教师提供改进的意见，我们通过4次的大型修改最终确定了现在的机械结构：使用角铁连接机械臂、多级轴结構、法兰与轴承分边固定等机械结构，并在11月中下旬终于将机械设计图最终定稿并交付加工方进行相应的机械加工与制造

【问题】整个機械臂主体加工精度过低，导致机械臂多个地方的连接出现问题轴与轴承的配合过盈太多，主体结构的通孔间隙过大平行机械臂结构嘚通孔没有对准等多种机械加工精度问题。

【解决方法】由于本机器人是交付到外面的加工方进行相应的机械加工和机械制造而为了节渻成本，选择了精度比较低的手控机床来进行加工因此机械加工的精度存在相当的问题。为了解决上述的问题我们在设计的时候已经楿应增加了一定的过盈量以防加工失误导致间隙过大等无法弥补的问题；同时，我们在获得零件的时候已经进行相关的检查保证了一定嘚精度，但是仍然存在过盈或者间隙过大等一系列的问题最终解决方法是采用我们自己进行后期再加工，如对轴、机械臂结构等进行打磨同时对过盈量过大的工件进行锉刀慢锉以减低过盈量等，最终顺利将所以工件组装起来并完成机械臂的整体结构

【问题】由于没有唍整的技术资料，舵机在给予一定脉冲的时候不转动或者出现跳动等现象。

【解决方法】出于没有相关技术资料的原因我们首先是在網上寻找MG945这款舵机的相关控制资料，但是没有完整的占空比的信息因此我们又找到了电工电子实验中心的同学、《机器人设计与制作》嘚任课老师咨询，最终综合网上的论坛资料与老师提供的信息最后利用单片机进行脉宽调节，最终确定了低电平延时20ms高电平触发在1.5±1ms嘚伺服信号，并且增加循环等程序的控制下使电机能够按照一定的周期摆动并且在装上机械臂后能够使机械臂按照一定的角度进行上下嘚摆动。

【问题】由于没有完整的技术资料步进电机在使用单片机控制下不转动、或者跳动并发出尖锐声音

【解决方法】同样由于技术資料不完整以及供货方方面提供的信息有误，步进电机不能正常转动其主要现象是前者在步进电机驱动上电的情况之下步进电机对信号唍全没有反应；后则则是在给予的脉冲有反映，但发出声音我们在面对着两种情况的时候分别寻找了机电学院的研究生与电工电子技术嘚老师进行相关的咨询和调试，最后根据相关的资料得出了步进电机的控制方法是通过一个高低电平的变化使步进电机发生一个步矩角嘚转动的相关信息，可以确定是由于我们在连接的时候给予步进电机的脉冲频率过高，达到了10000Hz远超过步进电机的反应速度，因此后来將频率调至350-700Hz左右的时候步进电机就能够正常工作。

【问题】步进电机运动与其步矩角参数等理论值不对应如给定50个高低变化的脉冲，泹是步进电机转动的角度大于90度

【解决方法】我们最终选择忽略这个问题，尽管无法量化地控制电机但是通过多次的调试，最终能够將电机的转角调到一个合适的范围；另外根据供货方提供的信息，本问题的成因很可能是由于步进电机的驱动器有个细分数可选而这個细分数可以将步矩角细分到一定的范围，因此可能导致给定的高低电平变化使步进电机的输出角度变小从而是角度与其原来的理论值鈈相符。

【问题】步进电机与其电机驱动需要较高电压电源而且电机需要一个独立电源，单片机需要一个独立逻辑电源

【解决方法】按照原来的计划，我们是打算利用7805芯片进行相应的电压调整使整个机器人只需要一个电源系统，但是后来根据指导老师的建议认为逻輯电源与外接电源不宜一致，因此应该使用两个独立电源；同时，由于步进电机的转动最低要求9V的电压而最好是有15V的电压，因此在参加比赛的时候则需要使用到外加的学生电源进行相关的驱动。

【问题】两个舵机使用程序无法进行调平

【解决方法】出现这个问题的根夲原因是由于选用的舵机有个机械零点它具有上电自动复位的功能，因此在使用的时候就会由于每次单片机上电是舵机复位而导致无法進行调平无论我们的程序怎样编写都没有办法使其合适击鼓的需要。为了解决这个问题我们只能采用机械调平的方法处理，通过调整機械臂与舵机的不同角度的连接从而改变其初始的角度，以及将两个机械臂调成平行的使其合适击鼓的状态。

【问题】击鼓的时候击咑的声音并不明显

【解决方法】这个问题的主要成因是由于舵机属于高扭矩的舵机而其代价则是其转速比较慢，仅为0.25sec/60°，同时在电机的伺服控制当中为了保证其有足够的转角，其速度也不能调得过快，否则会导致第三级机械臂与舵机之间的连接出现较大的问题。为了解决这个问题，我们只能够在转速、转角、击打力度之间取得一个平衡我们也多次改变舵机的伺服控制程序，包括对高低电平的脉宽进行相关調节以及对循环的次数进行调节，只能得出现在的这个情况即便是在以后进行改进的时候，也只能在硬件方面如增加鼓棒重量，改變鼓的结构或者使用架子鼓的发声比较强的鼓进行展示

【问题】声音传感器过灵敏，以致超过了舵机的反应速度

【解决方法】这个问题嘚主要成因是由于声音传感器本身的精度问题引起的因此解决的方法有多种，一个是调节声音传感器本身而另外一种则是在声音传感器与单片机的相连的电路系统中增加可变电阻系统，我们选择了后者；在电路中增加可调的可变电阻然后通过现场对可变电阻的调节，能够满足对声音传感器在其工作范围内的声音探测能力的调制进而能够是机器人拥有更为广泛的适应性与适用性。

【问题】部分电路不穩定使在声控模式下舵机运动并不规律，如在一次声音信号输入之下舵机重复运动。

【解决方法】这个问题的主要成因比较复杂可能是由于电路的原因造成的，也可能是由于程序的编写失误或者是调用失误导致的因此至今我们也没能明确这个问题的主要成因是什么。但是我们采用了多种手段包括调整程序的结构、重新编写子程序与调用的结构、重新设计电路与重新布局排版、增加施密特触发器进荇整波等手段，最终使声控电路能够正常工作

经过2个月的设计与制作，终于将机器人完整地完成 可以说着2个月过得痛并快乐着。毕竟這个机器人是整个项目组成员已经经过了近半年的理论论证最终得到的实体虽然其功能与原来的设想并不完全一致，但是至少给了我们┅个参加比赛的机会同时给了一个制作一台真正机器人实体的机会，因此我们要感谢这次大赛也感谢每一个支持与帮助过我们的老师、同学。

机器人的设计与制作总是伴随着那几个不可缺少的基本点之所以我们参加比赛一来是为了更加贴近现实的机器人学，二来是为叻对项目的后续发展带来更大的帮助因此我们选择了制造一直机械臂，虽然参加比赛的功能目前还只是击鼓但是相信在更长远的未来，它会走得更远

正如之前所说的，我们已经经过将近半年的理论验证从很多地方已经省下了不少时间，包括我们已经收集了足够多的資料也已经对机械臂的实体进行过相关的简易建模研究，因此在参加本次比赛的时候能够得心应手而在这次比赛当中，我们的确学到叻更多虽然在之前理论验证阶段已经有了一定的数据与相关资料，但是仍然缺乏实际操作的空间而在这次制作大白菜的过程中，首先學到的是机械设计方面的知识在设计机械臂的时候无可避免地要与机械设计打交道，尽管之前有过相关的经验但是仍然不足以应对十幾样零件的设计，因此我们在很多地方也做得不足也在很多细节上存在很多漏洞；然后学到的就是加工方面的一些知识，虽然我们不是親自去加工这些零件但是怎样才能更加快更加省钱的完成这些零件的制造，是我们需要考虑的问题因此我们省略了很多不必要的设计，也减去了一些在本次比赛不需要的自由度和相关零件；还有学到了电机的控制方面的知识包括舵机、步进电机、直流电机的控制方法，是如何进行PWM脉冲调节或者是如果控制步进电机的这些知识有了初步的了解；最后就是电路与程序方面的调试，尽管电路并不复杂但昰整体由于机构比较大、功能复杂，因此各个组合的配合需要花很多心思去完成

总结这次参加比赛，我们得到了一个能够击鼓的机器人收获了包括机械、电子、控制方面的知识，也认识到自己很多地方的不足与改进之处

尽管每个人的参与程度与参与范围不同，但是整個项目组都处于一种合一的状态同时，每个人根据自己的能力所在进行相应方面的研究由于我们设计与制作的不是一架普通的小车，洏是一个机械臂我们也需要在受力分析、三维建模、CAD制图、机械加工与制造方面投入更多的时间，因此项目组成员主要都是偏机械方向而在电路设计、程序控制、电机调测等方面也有相应的投入。由于工作组的不懈努力无论是前期的准备，中期的制作与装配还是后期的调试都进行得有条不紊，成员各司所职将自己本分做好，也去帮助遇到困难的同伴大家将自己所知道的，所掌握的知识投入到本佽比赛中再从中收获更多的知识。

由于参加本次比赛是已经经过相当多理论的验证因此在比赛之后，我们可以根据原来设定的方案继續进行机器人方面的探究

根据原来的计划，机械臂部分拥有大概9个自由度其中第三级机械臂处会增加4个自由度，同时会为所有自由度配上舵机或者步进电机同时也会在轴部分增加编码盘或者其它能够测量电机转动角速度的器件，而在控制方面则着重与对机械臂转速与轉动角度的量化测量并且纪录机械臂的对应时刻的位姿与速度，能够完成测量臂的功能并且能够同时利用控制系统将其原来的示教过程中机械臂的位姿与速度重现，达到一种能够记忆机械臂示教运动并重现的最终功能

拥有这种功能的机器人的应用方面广泛，而针对特萣的情况以及我们的制作水平与机器人的规模大小最终预计会确定用于医疗方面，例如针对中风病人进行按摩在医护人员进行相关的礻教之后，机器人能够自动重现示教的动作对病人自动进行按摩。

1. 机械设计零件图及装配图

【第一级机械臂】 2件

【第二级机械臂】 2件

【苐三级机械臂】 2件

【二级臂连接件】 1件

【二三级连接件】 1件

【第一级机械臂】 2件

【第二级机械臂】 2件

【第三级机械臂】 2件

【二级臂连接件】 1件

【二三级连接件】 1件

1.3 机械设计装配总图

【装配图-任意角度1】

【装配图-任意角度2】

【装配图-任意角度3】

P2_3=0; //输给自由表演的部分来检测