機器人設計
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機器人設計范文第1篇
【關(guān)鍵詞】火災監(jiān)測 無線局域網(wǎng)絡 長波紅外熱像儀 機器人
一、引言
以檢測火災為目的，發(fā)展出了基于對煙霧顆粒、溫度、相對濕度、空氣透明度以及紫外光輻射等多種物理參數(shù)進行檢測的火災早期檢測技術(shù)。然而，這類傳感器檢測范圍很小且不能提供火災火源位置、火勢大小和火災蔓延速度等更詳細的信息。本文設計的移動式火災監(jiān)測機器人，搭載LWIR熱像儀、高性能控制器、滅火系統(tǒng)和遠程無線通訊系統(tǒng)，有效的彌補了傳統(tǒng)火災檢測系統(tǒng)的不足，可以及時有效的消滅火災、保證消防人員的安全。
二、火焰檢測
傳統(tǒng)相機捕捉場景中物體反射的可見光線，而長波紅外熱像儀（8-12um）采集場景中物體發(fā)射出的電磁輻射，因此，LWIR成像儀拍攝的紅外圖像反應場景中物體的表面溫度：溫度越高，紅外圖像中對應的像素點亮度越大。DM642核心處理器基于YcrCb色彩空間對紅外圖像中的Y分量進行分析處理，Y分量的值代表每個像素對應場景位置的溫度值。
首先，通過設定溫度閾值將紅外圖像中的高溫像素點分割出來。公式1中表示像素點的亮度值；為高溫閾值；這樣，紅外圖像中的高溫可疑區(qū)域被分割了出來。
為了進一步降低其他高溫干擾目標引起的誤報警率，火災檢測算法依據(jù)火焰的動態(tài)特征對分割出的可以區(qū)域作進一步識別。由于燃燒過程中能量釋放的不穩(wěn)定，火焰存在明顯的閃爍特性。公式2中是第i幀紅外圖像中高溫區(qū)域像素點個數(shù)；是第i+1幀紅外圖像中高溫區(qū)域像素點個數(shù)；為相鄰N幀紅外圖像中高溫區(qū)域像素點波動的累加值。火焰的閃爍特性使得紅外圖像中的高溫區(qū)域像素點個數(shù)不斷的變化，利用火焰這一動態(tài)特性可以有效的將火焰和其他形態(tài)穩(wěn)定的高溫目標區(qū)分出來。
三、通信和導航系統(tǒng)
Wi-Fi（基于IEEE 802.11的無線局域網(wǎng)絡），Wi-Fi技術(shù)在性價比和通信速率方面的優(yōu)勢使其成為應用最為廣泛的無線通信技術(shù)。本文所述機器人通信系統(tǒng)利用DM642核心處理器自帶的MAC接口連接WLAN模塊實現(xiàn)，機器人巡航區(qū)域布設AP節(jié)點實現(xiàn)機器人與遠程控制終端的互聯(lián)。
利用紅外熱像儀采集到連續(xù)幀的火災和高溫干擾物圖像。圖1為按照本文所述火災識別算法分析得出的結(jié)果。（a）圖展示了火災與干擾物相鄰幀紅外圖像中高溫區(qū)域像素點數(shù)目的柱狀圖，可以看出火焰紅外圖像中的高溫區(qū)域像素點數(shù)存在很大的波動，而干擾物紅外圖像中高溫區(qū)域像素點數(shù)非常穩(wěn)定。（b）圖展示了相鄰幀紅外圖像中高溫區(qū)域像素點數(shù)目波動的累計值。火災紅外圖像中高溫區(qū)域像素點數(shù)目波動累積值遠大于非火災高溫干擾目標的累積值。實驗結(jié)果表明本文設計的移動式火災監(jiān)測機器人可以準確的識別到火災的發(fā)生。
參考文獻：
機器人設計范文第2篇
關(guān)鍵詞：清掃機器人;智能控制;定位;避障
引言
隨著傳感器的飛速發(fā)展和機械自動化的趨勢，以及人們生活觀念的不斷更新，智能清掃裝置已經(jīng)變得越來越貼合人們的需求，就像當年洗衣機帶來的革命一樣，智能清掃裝置也正在給全世界帶來一場“干凈”的體驗。雖然國內(nèi)外都對智能清掃裝置進行了研究，尤其是在對智能清掃裝置的路徑規(guī)劃和控制方面取得了一定的成就;但是其工作效率以及自主能力并沒有達到理想的狀態(tài)，需要解決更加多的傳感技術(shù)，定位和環(huán)境建模技術(shù)的問題。本文針對上述問題對智能清掃裝置進行了創(chuàng)新，從傳感器部分、運動部分、清掃部分、處理器部分、電源部分以及人機接口部分來剖析本智能清掃機器人的設計功能。
1.智能清掃機器人的結(jié)構(gòu)設計
本設計說介紹的智能清掃機器人是一種新型的清掃裝置，其中包括它的結(jié)構(gòu)設計。智能清掃機器人的外觀設計，這樣的外觀設計不僅時尚美觀操作簡易而且拿取方便容易清洗集塵盒。
車體由萬向輪組、集塵盒、控制裝置以及分別與該控制裝置相連并受到其控制的清掃吸塵裝置和兩驅(qū)動輪組。所述的萬向輪組設置在車體的底面前部位置，而兩驅(qū)動輪組則對稱設置在該車體的底面中間兩側(cè)位置;清掃吸塵裝置設置在車體底面尾部的位置，集塵盒則在對應清掃吸塵裝置的一側(cè)位置設置在車體的底面上，并與該清掃吸塵器裝置的側(cè)開口相連接。
萬向輪組包括萬向輪架和防滑輪，萬向輪架的上端固定在底盤的前部位置，而前滑輪設置在萬向輪架的下端;驅(qū)動輪組包括驅(qū)動電機、驅(qū)動后輪以及編碼器，該編碼器設置在驅(qū)動電機上，而驅(qū)動后輪通過聯(lián)軸器設施在驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)軸上。前滑輪和驅(qū)動后輪優(yōu)先采用橡膠輪胎，可以更大地增加了裝置在濕滑地面的可行動性以及行動位置的準確性。萬向輪組的兩側(cè)位置于底盤各設有一防跌臺階支架，防跌臺階的支架的底部設有與上述控制裝置相連接傳感器，能夠有效避免本產(chǎn)品從臺階上跌落。所述的控制裝置包括了控制電路以及分別與該控制電路相連接的電池組和多個紅外測距傳感器，多個紅外測距傳感器均勻分布在底盤前部邊緣的位置。
2.智能清掃機器人控制系統(tǒng)的硬件設計
智能清掃機器人主要由六個部分組成，分別是運動部分、清掃部分、傳感器部分、處理器部分、電源部分以及人機接合部分，每一個部分負責不同的功能。如圖1，圖2所示，每一種功能都清晰明了。
圖1 智能清掃機器人功能分析 圖2 智能清掃機器人功能分析
本文所設計的智能清掃裝置可以實現(xiàn)在無人干預的情況下，自動地對室內(nèi)地板進行清掃，實時監(jiān)測前方障礙物，智能避障，而且能實時計算自己的坐標，記錄自己清掃過的位置，以降低清掃路徑的重復率，提高清掃效率。當裝置的電量不足的時候，還能夠自動返回固定的充電座進行充電。本裝置分為電源模塊、處理器模塊、電機驅(qū)動模塊、傳感器模塊以及人機接口模塊。
2.1電源模塊
電源模塊對于整個裝置來說至關(guān)重要，要給整個系統(tǒng)供電。本裝置的電源消耗主要分為兩部分，吸塵和掃邊電機需要提供的能量和控制電路和驅(qū)動電路的能耗。選用了可充電的鋰電池作為裝置的電源。除此之外，還設立了一個固定的充電座，在處理器的路徑規(guī)劃算法中將該固定的充電座作為坐標原點，裝置在檢測到電池電量不足10%時，就會自動執(zhí)行回原點操作，以最近的路徑返回充電座充電。
2.2處理器模塊
處理器是該裝置的核心，主要負責及時地處理傳感器傳回來的信息，將控制信息發(fā)給執(zhí)行機構(gòu)，控制智能清掃裝置避開障礙物并能實時計算自己的坐標，推算出較優(yōu)的清掃路徑。當中包括了128K字節(jié)的閃存程序存儲器，20K字節(jié)SRAM，80個I/O口，所有I/O口可以映像到16個外部中斷，3個16位定時器，2個看門狗定時器2個IIC接口，3個USART接口，2個SPI接口，1個CAN接口，1個USB2.0全速接口以及2個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
核心處理器選用的是三星公司的32位RISC微處理器S3C2440。S3C2440A 采用了ARM920t 的內(nèi)核，0.13um 的CMOS 標準宏單元和存儲器單元。其低功耗，簡單，優(yōu)雅，且全靜態(tài)設計特別適合于對成本和功率敏感型的應用。它采用了新的總線架構(gòu)Advanced Micro controller Bus Architecture （AMBA），有60個中斷源、24個外部中斷端口和130個多功能輸入/輸出端口，能更有效率的實現(xiàn)本裝置避障、路徑規(guī)劃等核心功能。
2.3電機驅(qū)動模塊
本裝置使用的是直流電機，直流電機的優(yōu)點是調(diào)速性能好，啟動、制動轉(zhuǎn)矩大，易于控制，家庭使用噪音小。
本電動驅(qū)動模塊包括運動驅(qū)動以及清掃驅(qū)動兩部分，如圖10所示。運動驅(qū)動主要負責智能清掃裝置在房間內(nèi)的運動，有左輪、右輪和前輪三個輪子組成，在左右輪上分別裝上兩個獨立的直流電機，通過左右輪的差速來控制裝置的轉(zhuǎn)向，前輪為萬向輪。左右輪的直流電機上裝有光電編碼器，用于記錄兩輪的速度，前輪上同樣裝有記錄轉(zhuǎn)過圈數(shù)的計數(shù)裝置，處理器根據(jù)左右輪的光電編碼器和前輪的技術(shù)裝置傳回的數(shù)據(jù)來計算出裝置轉(zhuǎn)過的角度和走過的距離，實現(xiàn)定位和路徑規(guī)劃。而清掃驅(qū)是本裝置的執(zhí)行機構(gòu)，主要用來清掃地板上的垃圾和灰塵，由毛刷和小型渦輪風機組成。清掃部分工作時，電動機帶動兩毛刷向不同的方向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生吸力，將地板上的垃圾吸入垃圾盒中。電動機帶動小型渦輪風機告訴旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生負壓，吸取地面上的微塵，保證地面的清潔。
2.4傳感器模塊
傳感器部分是智能清掃裝置的“眼睛”和“耳朵”，用來獲取外部環(huán)境以及自身運動狀態(tài)的各種信息，本裝置主要由紅外傳感器、壓力傳感器、光電編碼器、溫度傳感器和濕度傳感器組成。它不僅對環(huán)境光線適應能力強，而且電路簡單、安裝調(diào)試方便。
紅外傳感器工作原理與超聲波傳感器類似，同樣采用發(fā)射固定波長紅外線并接受同一回波的主動方式，它探測視角小，方向性強，測量精度高、反應速度快，探測距離比較近，可以作為智能清掃裝置的碰撞傳感器。紅外傳感器當有障礙物阻攔時光線能夠反射回來，輸出為低電平信號，當沒有障礙物阻攔時，光線不能反射回來，輸出為高電平信號。處理器根據(jù)傳感器傳回的電平信號判斷前方有無障礙物。而左右輪的直流電機上裝有光電編碼器，用于記錄兩輪的速度，處理器以此來計算出裝置轉(zhuǎn)過的角度和走過的距離，來實現(xiàn)定位和路徑規(guī)劃。還有溫度傳感器和濕度傳感器用來實時監(jiān)測周圍環(huán)境的溫度和濕度。
值得一提的是本裝置對于同類清掃裝置路徑規(guī)劃和坐標運算的改進，加入了基于零點的坐標運算，以固定的充電座為零點，以所在的地面為XY平面，建立平面坐標系。通過計算自己轉(zhuǎn)過的角度和前輪前進的距離，就可以及時地計算出自己在該坐標的位置。并且根據(jù)坐標可以記憶自己走過的路徑，記憶自己清掃過的區(qū)域，降低路徑重復度，提高清掃效率。本設計還有一大亮點，就是設立一個固定的充電座，在處理器的路徑規(guī)劃算法之中將該固定的充電座作為坐標原點，裝置在檢測到電池電量不足10%的時候就會自動執(zhí)行回原點操作，以最近的路徑返回充電座充電。
2.5 人機接合模塊
人機接口部分包括LED顯示屏、裝置表面按鍵。LED顯示屏主要用來顯示裝置當前的信息（比如電量、速度等），還可以顯示裝置所處環(huán)境的信息（比如溫度、濕度等）。表面按鍵可以由人來控制裝置的啟停和運動速度的快慢以及清掃模式。
本智能清掃機器人在保留自動吸塵器基本的避障、清掃功能之外，大大提升了清潔效果，保證了環(huán)境衛(wèi)生。與此同時還額外增加了路徑覆蓋與路徑規(guī)劃算法，并且加入了手機遙控功能，使得手機可以對本機器裝置進行遙控，非常切合時代的發(fā)展。使得在遙控模式下也能能夠進行更加多的覆蓋清掃區(qū)域，并且在重點污垢區(qū)域，通過手機的藍牙進行遙控，定點加強清掃，增加其智能性。
3.智能清掃機器人控制系統(tǒng)軟件設計
智能清掃機器人低層功能的實現(xiàn)可以把程序分為電動驅(qū)動部分和實現(xiàn)功能部分，電機的控制部分是指智能清掃機器人正常工作的基本保障，電機控制能為智能清掃機器人提供動力輸出，控制車輪電機實現(xiàn)尋線移動、避障等等功能。而其他的程序則要保證機器人能夠?qū)崿F(xiàn)預定的功能如超聲波測速、測距以及定時等等功能。本文主要對避障等功能的軟件設計作出詳細的描述。
而障礙物探測以及避障的程序，是機器人在運動的過程中利用激光的測距傳感器探測障礙物信息并且實現(xiàn)避障，通過判斷語句實時的對距離值進行判斷，當該值小于或者等于避碰的知的時候就會執(zhí)行程序，避開障礙物。
具體的代碼實現(xiàn)是在STM固件函數(shù)庫實現(xiàn)的。該函數(shù)庫是一個固件函數(shù)包，它由程序、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和宏組成，包括了微控制器所有外設的性能特征。該函數(shù)庫還包括每一個外設的驅(qū)動描述和應用實例。通過使用本固件函數(shù)庫，無需深入掌握細節(jié)，用戶也可以輕松應用每一個外設。
4.結(jié)語
本文章設計創(chuàng)新開發(fā)的智能清掃機器人經(jīng)過了一系列的調(diào)試，硬件電路設計，軟件設計;還經(jīng)過了電機模塊，傳感器模塊的測試調(diào)節(jié)之后達到了提高清掃效率、位置狀態(tài)判斷準確等設計功能的實現(xiàn);而且還對設計進行創(chuàng)新，例如加入了手機遙控功能，使用者通過手機的藍牙進行遙控，定點加強清掃。本智能清掃機器人的創(chuàng)新性更加能夠切合人們的要求。
參考文獻：
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機器人設計范文第3篇
關(guān)鍵詞：自避震；全地形；自主創(chuàng)新
1 自避震小車設計方法及創(chuàng)新點
自避震小車的設計靈感來源于月球車，月球車設計的獨特輪子能克服重重障礙，既不打滑，也不翻車。基于月球車輪子機構(gòu)的獨特性，設計一款自避震小車，它的特點是有獨特的驅(qū)動結(jié)構(gòu)、有獨特的輪子構(gòu)造、有獨立的驅(qū)動能力和有強大的行動力，完全能夠應付復雜的地形。小車設計以六輪驅(qū)動為基礎，其中前四輪作為一個整體進行驅(qū)動，提供較強的驅(qū)動力。前四輪基于月球車方案，采用懸掛系統(tǒng)方案，而后兩輪始終與地面接觸，提供穩(wěn)定的驅(qū)動力。能適合斜坡、階梯、柵欄等地形，提升整個小車的行動力、驅(qū)動力、穩(wěn)定性。設計構(gòu)思如圖1所示。
2 自避震小車在獨木橋優(yōu)點體現(xiàn)
前四輪作為一個整體，在上下坡過程中具有較大的驅(qū)動力。而后兩輪起到驅(qū)動輔助作用，使小車在爬坡或下坡過程中起到穩(wěn)定作用，使小車能在獨木橋具備走直線的功能。如圖2所示。
3 自避震小車在階梯優(yōu)點體現(xiàn)
前四輪作為一個整體，使其具備了足夠大的跨越階梯的動力，同時在上下階梯過程中還可以根據(jù)地面類型自行調(diào)整高度。而后兩輪始終與地面接觸，提供穩(wěn)定的驅(qū)動力。如圖3所示。
4 自避震小車在柵格優(yōu)點體現(xiàn)
如圖4所示，自避震小車可以說是完全針對柵欄的地形而設計，任何時候都有一對輪子（前、中、后）在柵欄棱線處接觸，提供行動能力。
5 結(jié)束語
該方案參考月球車底盤結(jié)構(gòu)，采用舵機六輪驅(qū)動，將前輪和中輪用金屬板固定，后輪可以根據(jù)地面類型自行調(diào)整高度，并且可以在小車經(jīng)過復雜路面時始終與地面保持接觸，大大增強了小車在崎嶇路面的通過能力。傳感器方面，選用4個灰度傳感器，最大限度的提高了整車在尋跡和管道中的精事屎腿荽礪剩并且在算法上不斷優(yōu)化，最后拿出了最滿意的作品。
參考文獻
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作者簡介：潘一帆（1995-），江蘇常州，本科，機電工程。
機器人設計范文第4篇
【關(guān)鍵詞】AT89S51 避障機器人 傳感器 舵機
1 引言
機器人作為一種智能機器，越來越多的替代了人類在極端環(huán)境下作業(yè)，比如：核輻射地區(qū)，深海探測，深空探索，以及高空作業(yè)等。為了防止機器人在作業(yè)中因碰撞等因素損壞，因此智能機器人的避障功能顯得尤為重要。
傳統(tǒng)的超聲避障機器人大多是采用多路超聲波傳感器來采集障礙物的距離參數(shù)，這種設計的最大缺點即是多路超聲波傳感器之間會有干擾；而后，較好的避障機器人采用了一路超聲傳感器安裝在具有360度轉(zhuǎn)角的舵機之上，這樣隨著舵機的旋轉(zhuǎn)一路超聲波傳感器就能采集到周圍360度障礙物的距離，然而這種設計也有其缺點既是采集一次周圍障礙物的距離信息所需的時間過長。因此，本文提出了一種新的智能避障機器人的設計，它采用了一路超聲波傳感器和一路紅外傳感器背對著安裝在即使使用僅僅具有180度轉(zhuǎn)角的舵機上，仍然可以在舵機轉(zhuǎn)過半周時采集到周圍的障礙物距離，反應速度提高了一倍。
2 避障機器人硬件設計
本文提供的智能避障機器人的硬件設計（如圖1所示）包括了上位機接口模塊、電源管理模塊、紅外探測模塊、超聲波檢測模塊、傳感器舵機驅(qū)動模塊、電機驅(qū)動模塊、以及電機舵機驅(qū)動模塊等電路組成。其中，紅外探測模塊由紅外發(fā)射電路和紅外接收電路組成；傳感器舵機驅(qū)動模塊主要驅(qū)動舵機帶動紅外傳感器和超聲波傳感器一起轉(zhuǎn)動；電機驅(qū)動模塊主要通過單片機發(fā)來的PWM波改變直流電動機的轉(zhuǎn)速，以此來控制機器人行進的速度；電機舵機驅(qū)動模塊可以通過調(diào)整舵機的角度來達到改變機器人行進方向的目的。
3 避障機器人軟件設計
本設計主要采用了模塊化的編程方法，將硬件的每一個功能驅(qū)動都作為一個子函數(shù)的形式出現(xiàn)，主函數(shù)通過調(diào)用子函數(shù)來實現(xiàn)機器人的具體動作，這樣就能極大的提高編程的效率，如圖2所示。主要思路與步驟如下：
（1）上電及系統(tǒng)各模塊初始化程序：初始化時鐘以及引腳的驅(qū)動信號。
（2）開啟定時器使能，并等待中斷發(fā)生。
（3）若產(chǎn)生中斷則進入中斷子程序：
a. 調(diào)用傳感器舵機驅(qū)動子程序，使得傳感器舵機轉(zhuǎn)動；
b. 通過AD采集超聲波和紅外傳感器所得到的距離信息；
c. 通過自適應算法分析是否轉(zhuǎn)向并通過串口向上位機傳回距離信息，并能保存和顯示該信息。
d. 若轉(zhuǎn)向，則通過PID算法減慢機器人行進的速度，并調(diào)節(jié)直流電機的舵機轉(zhuǎn)角，使得機器人改變進行的方向，結(jié)束中斷程序等待下一次中斷。
e. 若不轉(zhuǎn)向，則通過PID算法加速機器人行進的速度，并結(jié)束中斷程序等待下一次中斷。
4 結(jié)論
本文介紹了一種以AT89S51單片機為主控芯片的智能避障機器人的設計，采用了兩種互不干擾的傳感器采集距離信息――一種是超聲波傳感器，一種是紅外發(fā)射與接收器，通過增量式PID算法進行調(diào)速并通過遺傳算法進行機器人角度調(diào)節(jié)來達到避障的目的。
這種設計采用的電子元器件價格相對便宜較容易推廣，采用不相干信號采集距離信息提高了智能避障機器人的反應速度，使用自適應算法使得機器人對環(huán)境的適應性大大增強并實現(xiàn)安全避障。
參考文獻
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機器人設計范文第5篇
關(guān)鍵詞：機器人；伺服電機；控制系統(tǒng)
中圖分類號： TP23 文獻標識碼：B
隨著機電一體化技術(shù)的不斷發(fā)展和工業(yè)自動化程度的日益提高，機器人在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活等諸多方面都得到了越來越廣泛的應用。目前，仿人機器人作為機器人研究的熱門領域受到了極高的關(guān)注，其中，Biped型機器人以其結(jié)構(gòu)復雜，自由度多和運動控制精度要求高等特點已經(jīng)成為了仿人機器人研究的重中之重。
本文通過研究仿人機器人運動過程規(guī)劃以及伺服電機控制的基本原理和方法, 給出了Biped型機器人設計的整體方案。所述的機器人采用基于STC89C52單片機的高精度伺服控制系統(tǒng)，減少了傳統(tǒng)控制方法不穩(wěn)定性對系統(tǒng)精度的影響。同時，選用了TR213高精度伺服電機，使機器人的運動機構(gòu)在運行過程中協(xié)調(diào)、平穩(wěn)。并通過單自由度調(diào)試、多自由度調(diào)試、運動過程規(guī)劃等實驗驗證了系統(tǒng)的可行性，所設計的機械結(jié)構(gòu)及控制方法真正地實現(xiàn)了Biped型機器人控制的高精度、高穩(wěn)定性和智能化。
1 整體結(jié)構(gòu)設計
根據(jù)仿人機器人的行走、前進、后退、重心偏移和上下樓梯等運動過程要求，Biped型機器人主要由機械結(jié)構(gòu)、高精度伺服電機、伺服控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)等部分組成。
由于人體為左右對稱結(jié)構(gòu)，為了達到仿人運動的目的，Biped型機器人也采用相同的對稱結(jié)構(gòu)，如圖1所示。
以機器人行走過程中的右腿向前移動過程為例，在此過程中包括重心左移，右腿抬起前移，右腿放下和重心恢復四個階段。為了實現(xiàn)動作要求，機器人需要踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)6個自由度配合完成，其各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度范圍如表1所示。從表中可以看出，踝關(guān)節(jié)1、2可以通過轉(zhuǎn)動完成整體結(jié)構(gòu)重心沿y軸方向的移動控制，保持機器人在動作過程中的重心穩(wěn)定；膝關(guān)節(jié)3、4和髖關(guān)節(jié)5、6通過配合轉(zhuǎn)動改變機器人沿z軸方向的雙腳高度以及雙腳沿x軸方向的前后位置控制，實現(xiàn)機器人的動作要求；另外，雙足機器人各個關(guān)節(jié)角的運動范圍都大于人類各個關(guān)節(jié)角度的運動范圍，可以滿足模仿人類動作的關(guān)節(jié)角度范圍要求。
2 高精度伺服電機的轉(zhuǎn)動控制
Biped型機器人的各關(guān)節(jié)的位置采用TR213高精度伺服電機的轉(zhuǎn)動進行驅(qū)動和控制，并由STC89C52單片機產(chǎn)生周期為20ms，脈寬為0.5ms-2.5ms的脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號，該脈沖寬度與電機轉(zhuǎn)動的偏轉(zhuǎn)角度成正比，通過不同的脈沖輸入寬度可精確地控制伺服電機的轉(zhuǎn)動角度，其驅(qū)動分辨率達到1μs，角度分辨率可達0.09°，伺服電機的轉(zhuǎn)動角度控制原理如圖2所示。
位于伺服電機內(nèi)部的齒輪組將電機的轉(zhuǎn)動速度成大倍數(shù)縮小，并將電機的輸出扭矩放大倍數(shù)后輸出；電位器和齒輪組的末級一起轉(zhuǎn)動，測量舵機軸轉(zhuǎn)動角度；電路板檢測并根據(jù)電位器判斷舵機轉(zhuǎn)動角度，然后控制舵機轉(zhuǎn)動到目標角度或保持在目標角度，其內(nèi)部電路如圖3所示。
PWM信號進入信號解調(diào)芯片BA6688后將產(chǎn)生直流偏置電壓信號，該信號和芯片內(nèi)部5K電位器所產(chǎn)生的基準電壓信號進行比較，將得到的脈沖進行展寬后輸入至芯片BAL6686，芯片根據(jù)展寬后的脈沖信號驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動，在此過程中，伺服電機的轉(zhuǎn)動將帶動電位器發(fā)生變化從而改變電壓差的大小，直到壓差為0時，伺服電機轉(zhuǎn)動到指定位置后停止轉(zhuǎn)動。另外，解調(diào)后的直流偏置電壓通過與在電位器上得到反饋電壓進行比較可得到正負電壓差，BA6688將該電壓差輸送的PWM信號給電機驅(qū)動電路BAL6686以驅(qū)動伺服電機正反轉(zhuǎn)。疊加在5K電位器上的另外一個信號Motor Back EMF信號將會使伺服電機產(chǎn)生一個反向電動勢，通過和給定的基準電壓進行比較可以改變伺服電機的轉(zhuǎn)速，從而控制機器人的動作速度。
3 伺服控制系統(tǒng)
Biped型機器人的伺服電機控制主要是通過STC89C52單片機所產(chǎn)生的PWM信號來實現(xiàn)。由555定時器組成的振蕩器作為時間基準信號，通過對其產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)來產(chǎn)生PWM脈沖信號，并由I/O口進行多路輸出，輸出后的信號經(jīng)過整形處理，產(chǎn)生標準的PWM脈寬調(diào)制信號，以提高機器人動作的精度和穩(wěn)定性。同時，STC89C52單片機上的FLASH為程序存儲提供了足夠的空間，還可以使用其串口和在線燒錄功能與上位機進行通信來完成對多路伺服電機轉(zhuǎn)動的控制。
4 驅(qū)動系統(tǒng)
為了使Biped型機器人具有足夠的驅(qū)動能力，在設計中采用具有較大輸出扭矩的TR213伺服電機，該電機的供電電壓為4.8-7.2V，最大輸出扭矩為13kg·cm，當其空載時電流很小，可以忽略不計，但當其動態(tài)負荷扭矩達到最大時驅(qū)動電流可達2A，但由于Biped型機器人的6個自由度一般不會全部同時工作在最大負荷狀態(tài)下，根據(jù)測試表明，在正常情況下每個伺服電機的電流小于0.5A，因此，采用電流為10A的直流穩(wěn)壓電源為其供電，即可滿足其驅(qū)動要求。伺服電機控制電路與伺服電機驅(qū)動電路采用分開供電模式，由7805穩(wěn)壓芯片為其提供穩(wěn)定電壓，以減小伺服電機電壓波動對其造成的干擾，來提高控制精度。
結(jié)語
理論與實驗表明，所設計的Biped型機器人具有控制精度高、穩(wěn)定性好和結(jié)構(gòu)簡單等特點。通過高精度伺服電機和控制系統(tǒng)有效地減少了系統(tǒng)不穩(wěn)定性對機器人運動過程造成的影響，為仿人機器人的開發(fā)和設計提供了一種比較理想的方法與解決方案。
參考文獻
[1] 史耀強.雙足機器人步行仿真與實驗研究 [D].上海：上海交通大學，2008.
