基于單片機(jī)的Biped型機(jī)器人設(shè)計(jì)的創(chuàng)新策略論文
隨著機(jī)電一體化技術(shù)的不斷發(fā)展和工業(yè)自動(dòng)化程度的日益提高，機(jī)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(yīng)用。目前，仿人機(jī)器人作為機(jī)器人研究的熱門領(lǐng)域受到了極高的關(guān)注，其中，Biped型機(jī)器人以其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自由度多和運(yùn)動(dòng)控制精度要求高等特點(diǎn)已經(jīng)成為了仿人機(jī)器人研究的重中之重。
本文通過研究仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程規(guī)劃以及伺服電機(jī)控制的基本原理和方法, 給出了Biped型機(jī)器人設(shè)計(jì)的整體方案。所述的機(jī)器人采用基于STC89C52單片機(jī)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(duì)系統(tǒng)精度的影響。同時(shí)，選用了TR213高精度伺服電機(jī)，使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在運(yùn)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(yùn)動(dòng)過程規(guī)劃等實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性，所設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制方法真正地實(shí)現(xiàn)了Biped型機(jī)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(shè)計(jì)
根據(jù)仿人機(jī)器人的行走、前進(jìn)、后退、重心偏移和上下樓梯等運(yùn)動(dòng)過程要求，Biped型機(jī)器人主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)、高精度伺服電機(jī)、伺服控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等部分組成。
由于人體為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了達(dá)到仿人運(yùn)動(dòng)的目的，Biped型機(jī)器人也采用相同的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，如圖1所示。
以機(jī)器人行走過程中的右腿向前移動(dòng)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(fù)四個(gè)階段。為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)作要求，機(jī)器人需要踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)6個(gè)自由度配合完成，其各關(guān)節(jié)的.轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)完成整體結(jié)構(gòu)重心沿y軸方向的移動(dòng)控制，保持機(jī)器人在動(dòng)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(dòng)改變機(jī)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(shí)現(xiàn)機(jī)器人的動(dòng)作要求；另外，雙足機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)角的運(yùn)動(dòng)范圍都大于人類各個(gè)關(guān)節(jié)角度的運(yùn)動(dòng)范圍，可以滿足模仿人類動(dòng)作的關(guān)節(jié)角度范圍要求。
2 高精度伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制
Biped型機(jī)器人的各關(guān)節(jié)的位置采用TR213高精度伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制，并由STC89C52單片機(jī)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(hào)，該脈沖寬度與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，其驅(qū)動(dòng)分辨率達(dá)到1μs，角度分辨率可達(dá)0.09°，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制原理如圖2所示。
位于伺服電機(jī)內(nèi)部的齒輪組將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度成大倍數(shù)縮小，并將電機(jī)的輸出扭矩放大倍數(shù)后輸出；電位器和齒輪組的末級(jí)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)量舵機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度；電路板檢測(cè)并根據(jù)電位器判斷舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，然后控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)角度或保持在目標(biāo)角度，其內(nèi)部電路如圖3所示。
PWM信號(hào)進(jìn)入信號(hào)解調(diào)芯片BA6688后將產(chǎn)生直流偏置電壓信號(hào)，該信號(hào)和芯片內(nèi)部5K電位器所產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓信號(hào)進(jìn)行比較，將得到的脈沖進(jìn)行展寬后輸入至芯片BAL6686，芯片根據(jù)展寬后的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，在此過程中，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)將帶動(dòng)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(shí)，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到指定位置后停止轉(zhuǎn)動(dòng)。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(jìn)行比較可得到正負(fù)電壓差，BA6688將該電壓差輸送的PWM信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路BAL6686以驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)正反轉(zhuǎn)。疊加在5K電位器上的另外一個(gè)信號(hào)Motor Back EMF信號(hào)將會(huì)使伺服電機(jī)產(chǎn)生一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)，通過和給定的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較可以改變伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制機(jī)器人的動(dòng)作速度。
3 伺服控制系統(tǒng)
Biped型機(jī)器人的伺服電機(jī)控制主要是通過STC89C52單片機(jī)所產(chǎn)生的PWM信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。由555定時(shí)器組成的振蕩器作為時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，通過對(duì)其產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)來產(chǎn)生PWM脈沖信號(hào)，并由I/O口進(jìn)行多路輸出，輸出后的信號(hào)經(jīng)過整形處理，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的PWM脈寬調(diào)制信號(hào)，以提高機(jī)器人動(dòng)作的精度和穩(wěn)定性。同時(shí)，STC89C52單片機(jī)上的FLASH為程序存儲(chǔ)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(jī)進(jìn)行通信來完成對(duì)多路伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制。
4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
為了使Biped型機(jī)器人具有足夠的驅(qū)動(dòng)能力，在設(shè)計(jì)中采用具有較大輸出扭矩的TR213伺服電機(jī)，該電機(jī)的供電電壓為4.8-7.2V，最大輸出扭矩為13kg·cm，當(dāng)其空載時(shí)電流很小，可以忽略不計(jì)，但當(dāng)其動(dòng)態(tài)負(fù)荷扭矩達(dá)到最大時(shí)驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)2A，但由于Biped型機(jī)器人的6個(gè)自由度一般不會(huì)全部同時(shí)工作在最大負(fù)荷狀態(tài)下，根據(jù)測(cè)試表明，在正常情況下每個(gè)伺服電機(jī)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(dòng)要求。伺服電機(jī)控制電路與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)電壓波動(dòng)對(duì)其造成的干擾，來提高控制精度。
結(jié)語
理論與實(shí)驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的Biped型機(jī)器人具有控制精度高、穩(wěn)定性好和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。通過高精度伺服電機(jī)和控制系統(tǒng)有效地減少了系統(tǒng)不穩(wěn)定性對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程造成的影響，為仿人機(jī)器人的開發(fā)和設(shè)計(jì)提供了一種比較理想的方法與解決方案。
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