1、鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書第一章緒論1.1 課題研究背景機器人(Robot)是自動執(zhí)行工作的機器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運行預先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術制定的原則綱領行動。它不但可以提高工人的生產(chǎn)效率，還可以代替人類從事乏味、勞累和危險的工作，甚至完成人類不能勝任的工作，因而日益受到人們的重視。隨著人類探索太空、建設航天站、開發(fā)海洋、軍事作戰(zhàn)與反恐偵察等任務和需求的增加，人們對機器人的性能提出了更高的要求。它可以說是高級整合控制論、機械電子、計算機、材料和仿生學的產(chǎn)物。目前在工業(yè)、醫(yī)學、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領域中均有重要用途。我國從1987年實施國家“863”高技術

2、研究發(fā)展計劃以來，把智能機器人確立為自動化領域的主體之一，在特種機器人、機器人應用工程、機器人基礎學科等方面取得了很大成績。其中非結構環(huán)境下的機器人是當今世界最重要的高技術之一，它集計算機、微電子、傳感、自動控制等技術為一身，己成為衡量一個國家科技水平的重要標志之一。仿生學(Bionics)是20世紀60年代出現(xiàn)的一門綜合性邊緣科學，它由生命科學與工程技術學科相互滲透、相互結合而成，通過學習、模仿、復制和再造生物系統(tǒng)的結構、功能、工作原理及控制機制，來改進現(xiàn)有的或創(chuàng)造性的機械、儀器、建筑和工藝過程。仿生學將有關生物學原理應用到對工程系統(tǒng)的研究與設計中，尤其對當今日益發(fā)展的機器人科學起到了巨大的

3、推動作用。在35億年進化過程中，生物發(fā)展了靈巧的運動機構和機敏的運動模式，成為機器人技術創(chuàng)新發(fā)展的源泉之一。仿生機器人就是模仿自然界中生物的精巧結構、運動原理和行為方式等的機器人系統(tǒng)。科學家們向生物學習，創(chuàng)造出了眾多高性能的仿生機器人，如機器魚、機器蛇、機器蠅，以及各種仿生材料。壁虎是一種可在地面、陡壁、天花板等不同法向面上自由靈活運動的四足動物。科學家以壁虎的這種運動能力為研究模仿對象，研制出了各種爬壁機器人，爬壁機器人在民用、軍事、航天上具有廣泛的用途，因而越來越受到人們的重視。在民用領域，爬壁機器人被用來清洗大廈外壁墻面和玻璃、檢測艦船船體、檢測核密封罐等；在軍事反恐領域，爬壁機器人可用

4、來進行偵察竊聽、研制蛙人等；在航天領域，爬壁機器人可用來進行艙外維修等。但傳統(tǒng)爬壁機器人的吸附原理和移動機理與真實壁虎毫無關系，其缺點限制看應用環(huán)境和工作范圍，而壁虎的吸附原理和移動方式為突破傳統(tǒng)爬壁機器人的限制提供了新的思路，因而成為一個新的研究方向。1.1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前仿壁虎機器人技術的研究主要分為吸附技術的研究與移動技術的研究，吸附技術研究主要是圍繞研制仿壁虎腳掌的吸附材料展開，移動技術則主要是模仿生物的靈巧移動方式。目前，美國、日本等西方發(fā)達國家都在開展仿壁虎機器人方面的研究，美國處在領先的位置，但仍處于初級階段。我國也已開展這方面的研究，其中在壁面清洗方面實現(xiàn)了爬壁機器人的

5、應用，在壁虎腳掌吸附材料研制上也取得一定成果，但距離國外研究水平仍有一定的差距。美國圖1-1圖1-1所示是美國斯坦福大學的一個研究小組在2006年開發(fā)的一種仿壁虎機器人，稱為Stickybot。Stickybot具有4只粘性腳足，每個腳足有4個腳趾,趾底長著數(shù)百萬個極其微小的用于粘附的人造毛發(fā)(由人造橡膠制成)，每個腳趾都有腳筋，腳筋可以實現(xiàn)腳趾的外翻與展平。每個腳足上的4個腳筋可以聯(lián)動，從而輕松實現(xiàn)腳足與附著面的最大接觸以及腳足粘附材料與附著面的吸附于脫附。從圖上分析，壁虎的腿是個四桿機構，依靠一個電機實現(xiàn)腿的前后移動，并借助另外一個電機實現(xiàn)四桿機構平面的轉動從而實現(xiàn)抬腿動作。止匕外，應該另

6、有一個馬達實現(xiàn)壁虎腳趾的驅(qū)動。Stickybot從吸附原理、運動形式、機器人外形上都比較接近真實的壁虎。CMU(CarnegieMellonUniversity)微小型機器人實驗室研制了兩種結構形式的爬壁機器人。一種是具有兩個行走輪、每個行走輪上具有3個吸附足的爬壁機器人，吸附足采用特殊的粘性材料粘附在墻面上。其移動方式本質(zhì)上是輪式移動，前進和倒退通過改變兩個輪子的轉動方向即可實現(xiàn)。支撐足與輪轂是球銷副連接，既可以在行進時圍繞足踝軸轉動，也可在轉彎時圍繞足中心軸旋轉。轉彎的時候一邊的輪子不轉，通過另一邊的輪子轉動來實現(xiàn)機器人的轉彎。由于采用滾動方式，因而可以實現(xiàn)不同法向面的過渡，即從地面可自主

7、爬到豎直面上。它的機構比較巧妙，用兩個足式輪子實現(xiàn)了爬行、轉彎等運動，還可以實現(xiàn)墻面過渡。缺點是采用的是粘性材料對壁面的要求較高，穩(wěn)定性不是很好，吸附面積有限，載重能力不強。另一種是CMUFF發(fā)的履帶式壁虎機器人，其履帶是由特殊的粘性材料制作的，可以粘在墻面上，使得機器人在墻面上的行走有如履帶機器人在地面上的行走。其移動就是履帶傳動，通過兩頭動力輪的轉動實現(xiàn)履帶在墻面上的移動，在前端的履帶被壓在墻面上實現(xiàn)粘附的同時后面的履帶被拉起。履帶式機器人粘附面積較大，可以承受較大的負載，也可從地面過渡到豎直面上，但由于履帶機器人轉彎時存在滑動摩擦，會破壞吸附，因而不能實現(xiàn)轉彎。加州大學伯克利分校與iRo

8、bot合作開發(fā)了Mecho-Gecko壁虎機器人。Mecho-Gecko是兩輪驅(qū)動的四輪式機器人，驅(qū)動輪上長有三足，通過在足上預裝粘合劑和剝離粘合劑來實現(xiàn)對壁面的吸附，其結構相對比較復雜。美國克利夫蘭CaseWesternReserveUniversity設計了一種輪腿式爬壁機器人，其機構就像一輛汽車有4個車輪，每個車輪上面裝有由具有粘性的聚合物材料制成的葉片。同一條軸上的兩個輪子的步調(diào)是錯開的，以保證在行動的時候有一邊的輪子能夠粘在墻面上。但它只能向前爬行，不能實現(xiàn)后退、轉彎等動作，所以它只是作為一種爬行材料的驗證機器人，要實現(xiàn)實際的用途還有待改進。日本為了實現(xiàn)各種法向面的靈活過渡，東京工藝

9、研究院和Isikawajima-Harima重工業(yè)有限公司聯(lián)合設計開發(fā)了“忍者”機器人。“忍者”機器人的吸附方式采用的是一種被稱為VM（汽門復合管理）的高功效真空吸盤，褶皺或者粗糙的墻壁都可以吸附。它有4條腿，每條腿上裝有一個真空吸盤的足，每條腿都有3個自由度，可以往3個方向挪動。該機器人可以很方便地實現(xiàn)前進后退，也可以橫向移動，也很容易實現(xiàn)墻面過渡。它的移動方式是與移動方向同側的兩條腿吸附在墻上，另外兩條腿移動，然后交換，如此交替實現(xiàn)移動。日本三菱重工業(yè)公司正在銷售的一種磁性爬壁噴涂機器人，可以吸附在20mm以上厚度的建筑物上，磁力可達2000kgf左右，并能沿各種磁性結構運動，如鋼筋墻壁、

10、天花板，甚至在潮濕的壁面運動，速度可達10m/min。日本應用技術研究所研制出一種車輪式磁吸附爬壁機器人，它可以吸附在各種大型構造物如油罐、球形煤氣罐、船舶等的壁面，代替人進行檢查或修理等作業(yè)。這種爬壁機器人靠磁性車輪對壁面產(chǎn)生吸附力，其主要特征是：行走穩(wěn)定，速度快，適用于各種形狀的壁面，且不損壞壁面的油漆。1989年，日本東京工業(yè)大學的宏油茂男研究開發(fā)了吸盤式磁吸附爬壁機器人，吸盤與壁面之間有一個3鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書很小的傾斜角度，這樣吸盤對壁面的吸力仍然很大，每個吸盤分別由一個電動機來驅(qū)動，與壁面線接觸的吸盤旋轉，爬壁機器人就隨著向前移動，這種吸附機構的吸附力可以達到很大。中國

11、國內(nèi)仿壁虎機器人技術的研究主要針對爬壁機器人展開，沈陽自動化所、哈爾濱工業(yè)大學、上海大學、上海交通大學、北京航空航天大學等研究單位都已經(jīng)對爬壁機器人做了大量研究，部分技術已經(jīng)產(chǎn)品化，這些機器人主要采用了真空吸附和電磁吸附原理，其中用于非導磁壁面如高層建筑壁面清洗的機器人一般采用真空吸附方式，導磁壁面如大型鍋爐的壁面清洗以及具有放射性廢液儲罐焊縫的檢測和修復的機器人主要采用電磁吸附方式。哈爾濱工業(yè)大學時我國較早開展爬壁機器人研究的單位之一，他們開發(fā)的CLR-2型壁面清洗爬壁機器人2000年在北京國貿(mào)大廈正式投入使用。CLR-2采用圓形的吸盤進行吸附。上海大學談力士等人設計開發(fā)了面向球形存儲罐檢修

12、的球面移動爬壁機器人，它采用真空吸附方式和腿足式移動機構，可以適應不同曲率半價的曲面，并可跨越300mmi的障礙。北京航空航天大學機器人研究所也是國內(nèi)較早開展爬壁機器人技術研究的單位之一，其研制開發(fā)的“藍天潔士”系列爬壁清洗機器人已向上海大學圖書館、國家大劇院、北京西站等單位銷售多臺。“藍天潔士”以2個緊密相連的、成十字交叉狀的無桿氣缸構成其主體。機器人可以再X、Y兩個方向運動。在X和Y氣缸的頂端有4個Z向氣缸用以支持和升降機器人的主體。各個Z向氣缸下端分別周連有2個真空吸盤，使得機器人能夠吸附于附著面。該機器人機構簡單，可自主運動，但缺點是氣缸位置的精確定位比較困難。2005年北京航空航天大

13、學機器人所研制出了微小型爬壁機器人，大小只有270mm*270項m自重3.2kg,吸附力可達15kgf。該機器人采用負壓吸附方式，由中央高速旋轉電機將內(nèi)腔抽成真空，用彈性橡膠作裙邊密封，可以適應具有不超過2cm寬淺溝的粗糙壁面。采用輪式移動，通過調(diào)節(jié)兩側車輪的轉速實現(xiàn)機器人的前進、后退和轉彎。2006年研制的正壓貼附爬壁機器人，它基于直升機原理，將螺旋槳總距設成負值從而產(chǎn)生壓力，將機器人壓附在墻面上，這種正壓機器人由于采用空氣壓力貼附在壁面上，所以對壁面粗糙度和材料均無要求。國內(nèi)其它一些研究機構還研究了掄腿輪換式負壓爬壁機器人、磁吸附履帶式爬壁機器人、被動負壓履帶式爬壁機器人等。1.1.2 壁

14、虎機器人關鍵技術目前，仿生機器人研究的兩個主要方向是運動機理的研究和行為方式的研究。壁虎機器人應該是能在各種壁面與天花板上靈活運動的機器人，它主要模仿的是壁虎的吸附能力和運動能力。吸附技術傳統(tǒng)爬壁機器人有真空吸附和磁吸附兩種吸附形式，真空吸附方式具有不受壁面材料限制的優(yōu)點，但當壁面凹凸不平時，容易使吸盤漏氣，從而使吸附力和承載能力明顯下降。磁吸附法可分為電磁體和永磁體兩種，電磁體式維持吸附力需要電力，但控制較方便。永磁體式不受斷電的影響，使用中安全可靠，但控制較為麻煩。磁吸附方式對壁面的凹凸適應性強，且吸附力遠大于真空吸附方式，不存在真空漏氣的問題，但要求壁面必須是導磁材料，因此嚴重地限制了爬

15、壁機器人的應用環(huán)境。近年來，科學家研究較多的是一種叫作干性粘合劑的吸附技術并己獲得較大進展。干性粘合劑實際是一種人造仿生壁虎腳。生物科學家發(fā)現(xiàn)，壁虎每個腳趾上有許許多多褶裳，每個褶上密布著無數(shù)根剛毛，而每一根剛毛的尖端又都分布著數(shù)千個更加微小的襯墊，使壁虎腳掌和物體間的接觸幾乎接近分子水平，于是兩種不同分子之間的吸引力被壁虎巧妙充分地利用，這種特殊的黏著力是由壁虎腳底大量的剛毛與物體表面分子之間產(chǎn)生的“范德瓦爾斯力”累積而成的。根據(jù)計算，一只大壁虎的四只腳產(chǎn)生的總作用力壓強相當于10個大氣壓。壁虎就是通過“范德瓦爾斯力”牢牢地吸附在墻面上。科學家在生物壁虎原型吸附的功能原理和作用機理的基礎上，

16、探索出一種與壁虎趾表面結構相近的、經(jīng)物理改性的極性高分子材料（人造仿生壁虎腳干性粘合劑），并應用MEMS工技術，設計制作出模擬壁虎腳趾的吸附裝置，該吸附裝置能適應各種材質(zhì)（如玻璃、粉墻和金屬等）和任意形狀的表面（如平面、柱面、弧面、和拐角等）。但目前干性粘合劑的附著能力比起真實壁虎還相差很多，加工不易但易損耗。此外還有正壓吸附方式，它能適應各種表面，但還有待于進一步深入研究。表1-1吸附方式優(yōu)缺點比較吸附方式優(yōu)點缺點負壓吸附對壁向材料尢要求，負載能力較強，技術相對成熟壁向粗糙度要求舒，需要真空泵，有噪首，太空中不適用正壓貼附適應各種壁向技術尚不成熟，有噪音，太空中不適用電磁吸附控制方便，負載能

17、力強，無噪音壁面需導磁，耗電永磁吸附不耗電，負載能力強，無噪音壁面需導磁，控制較繁瑣干性粘劑適應各種壁向，尢噪首加工較難，易耗損，技術尚不成熟移動技術目前，壁虎機器人的移動方式主要是車輪式、履帶式、導軌式、腿足式和混合式。車輪式移動速度快、控制靈活，但維持一定的吸附力較困難，越障礙能力差；履帶式對壁面適應性強，著地面積大，但不易轉彎，越障礙能力差。導軌式移動也較快，具有一定的越障礙能力，但不能轉向。腿足式移動靈活，地面適應能力強，具有較高的越障礙能力和不同平面之間的過渡能力，但移動速度慢、控制復雜。混合式一般采用輪足混合，兼具車輪式移動和腿足式移動的優(yōu)點，但控制和結構也更為復雜。5鹽城工學院本

18、科生畢業(yè)設計說明書目前，常見的腿足式機器人以兩足式、四足式、六足式應用較多。結構主要為縮放型機構、四連桿機構、多關節(jié)串聯(lián)機構、平行桿機構、并聯(lián)機構和擺動縮放機構。在微型爬壁機器人中以四連桿機構和并聯(lián)機構應用較多。能源供給常規(guī)機器人能源供給一般采用有纜方式或者采用電池供電。有纜方式的優(yōu)點是電力供應充足，缺點是電纜會對機器人的移動范圍形成約束，并且電纜重力會對機器人形成一定影響。電池供電可以省去電纜，但其能量有限，而且電池隨著體積的縮小供電性能急劇下降，能量密度有待進一步提高。止匕外，新的能源供給方式也在積極探索之中。比如，通過微波對微機器人提供能量和控制信號就是一種較為理想的方法，日本DENS公

19、司已經(jīng)較為成功地將微波技術應用到一臺由8層PZT驅(qū)動的無線微型腿足式管內(nèi)機器人上。驅(qū)動方式目前，常規(guī)的壁虎機器人驅(qū)動裝置主要是氣泵和電機。對于微小型壁虎機器人，傳統(tǒng)驅(qū)動方式其性能隨體積減小而迅速降低，且導致傳動系統(tǒng)復雜化，引起結構復雜、傳動誤差增加、摩擦增大、重量加大等一系列問題，因而難以適用。針對微小型機器人，要采用新材料、新工藝開發(fā)出新型的微驅(qū)動器，如目前已有直線驅(qū)動電機、壓電陶瓷(PZT)、超聲電機、形狀記憶合金(SMA等新型驅(qū)動器出現(xiàn)，其中以形狀記憶合金、超聲電機驅(qū)動器最引人注目。(1) SMA驅(qū)動器SMA勺主要特征是具有形狀記憶效應,即某些被變形的金屬具有受熱后恢復其原來形狀的能力。

20、SMA!動器具有以下優(yōu)點：功率/質(zhì)量比大；結構緊湊、輕巧，可直接輸出直線運動；動作柔順、適應性強，可感知溫度和位移的變化；無噪音、無污染；易于控制，可通過控制電壓或通電時間來實現(xiàn)加熱控制。SMA勺缺點是響應慢、位移小、壽命短、退化和費電。但目前這些不足已基本上得打了很好的解決。如美國NanoMuscle公司開發(fā)的SMAE動器，每秒鐘可以往復運動數(shù)次，最大行程可達到自身長度的13%可連續(xù)往復運動數(shù)百萬個周期，僅僅需要幾百毫安的供電。所以SMA驅(qū)動器在微型爬壁機器人上將具有較好的應用前目樂0(2)超聲電機超聲電機又稱電壓馬達，是采用壓電材料驅(qū)動的一種新型微持電機，它利用逆壓電效應使定子機體產(chǎn)生柔性

21、波動，進而在定子表面質(zhì)點的振動摩擦作用下將振動能耦合成轉子的力矩輸出。超聲電機具有體積小、質(zhì)量輕、結構簡單緊湊、定位精度高、響應速度快、低轉速、大力距輸出等特點。由于超聲電機具有眾多的優(yōu)點，使得它將在微型機器人上具有很好的應用前景，但由于超聲電機對于驅(qū)動信號有較高的要求，所以控制相對復雜。1.1.3 壁虎機器人發(fā)展趨勢經(jīng)過對壁虎機器人國內(nèi)外現(xiàn)狀的分析和壁虎機器人各類關鍵技術優(yōu)缺點的比較，結合機器人技術發(fā)展的總體趨勢，我們認為壁虎機器人的發(fā)展有如下趨勢：吸附方式將越來越多地采用干性粘合劑負壓吸附方式和磁吸附方式技術發(fā)展已經(jīng)相對成熟，并已有商用化產(chǎn)品出現(xiàn)。但它們的缺點也是顯而易見的。干性粘合劑作為

22、一種仿生智能材料，能夠適應各種材質(zhì)壁面，并且沒有噪音。雖然目前其吸附能力還比較差，但相信隨著MEMSn工技術和新材料的發(fā)展，人造壁虎腳掌的性能將會有明顯提升。目前，西方發(fā)達國家都很重視對壁虎腳掌仿生材料的研究，我國南京航空航天大學也已經(jīng)開展相關方面的研究。向微小型化發(fā)展科學家預言，21世紀的尖端技術之一是微型機器人。仿生微型機器人可用于小型管道檢測作業(yè)，可進入人體腸道進行檢查和實施治療而不傷害人體，也可以進入狹小的復雜環(huán)境進行各種作業(yè)。因此，壁虎機器人的小型化和微型化是一個發(fā)展趨勢。移動方式用腿足式在移動機器人中，輪式和履帶式移動方式已獲得廣泛的應用，但是腿足式移動方式具有輪式和履帶式所沒有的

23、優(yōu)點。腿足式移動方式的機器人可以相對較容易地跨過比較大的障礙，并且機器人的足所具有的大量的自由度可以使機器人的運動更加靈活，對凹凸不平的地形適應能力更強。正是由于腿足式移動結構多樣、運動靈活，適應于各種形狀的壁面，而且能夠跨越障礙物，因此足式結構將在爬壁機器人上，尤其是在微小型爬壁機器人上，有著較好的應用前景。生物壁虎機器人生物機器人是借助于電子信息技術刺激來控制動物神經(jīng)信號，從而達到對動物的運動或某些行為的人為控制目的的技術。日本和美國DARP解已設立了生物機器人研究計劃，而我國南京航空航天大學也已經(jīng)展開了生物壁虎機器人技術研究并已取得初步的成果。通過在壁虎上安裝載荷并控制壁虎來完成任務將在

24、能源供給、運動靈活性、隱蔽性、機動性和適應性方面較仿生壁虎機器人具有更明顯的優(yōu)勢。1.2 課題的基本內(nèi)容設計一個電動機控制系統(tǒng)，通過控制機器人關節(jié)電動機，實現(xiàn)仿壁虎型機器人的行走控制。用FutabaS3107舵機作為驅(qū)動電動機；采用電磁鐵作為吸附裝置代替仿壁虎腳掌材料。1.3 課題的研究方法、技術路線、研究方案研究方法：在網(wǎng)上和圖書館查閱課題相關資料參考文獻、同學間的討論和請教7鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書指導老師技術路線：分為機器人控制系統(tǒng)硬件電路、C語言軟件編程、模擬仿真。硬件電路可包括電源電路、控制系統(tǒng)電路、通信電路、舵機等。設計方案：主控部分使用PIC16F877A單片機；供電分兩部

25、分供電，分別為舵機供電和控制電路供電；通信部分選用MAX232F口MC55舵機用FutabaS3107舵機；采用電磁鐵作為吸附裝置代替仿壁虎腳掌材料；CAD真型進行仿真測試。1.4 課題的效果預測通過分析仿真，設計的仿壁虎機器人能夠模仿壁虎爬行行為，并且滿足應用人工壁虎腳掌材料對爬行運動的要求，而采用的對角線步態(tài)可以完成壁虎直線行走以及原地轉彎動作。第二章電動機控制系統(tǒng)設計2.1 電動機種類在各類機電系統(tǒng)中，由于直流電動機具有良好的啟動、制動和調(diào)速性能，直流調(diào)速技術已廣泛運用于工業(yè)、航天領域的各個方面。隨著電力電子技術的發(fā)展，脈寬調(diào)制（PWM直流調(diào)速技術成為一種常用的直流調(diào)速方法，它具有調(diào)速精

26、度高、響應速度快、調(diào)速范圍寬和耗損低等特點。PWM區(qū)動裝置與傳統(tǒng)晶閘驅(qū)動裝置比較，具有下列優(yōu)點：需用的大功率可控器件少，線路簡單；調(diào)速范圍寬；電流波形系數(shù)好，附加損耗小；功率因數(shù)高；可以廣泛應用于現(xiàn)代直流電動機伺服系統(tǒng)中。2.1.1 步進電動機步進電動機是一種將數(shù)字信號轉換為位移的幾點執(zhí)行元件，每當輸入一個脈沖時，轉軸變轉過一個固定的機械角度，可以通過控制脈沖的個數(shù)來控制電動機的角位移量，從而達到精確定位的目的；同時還可以通過控制脈沖頻率來控制電動機轉動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。目前，比較常用的步進電動機包括反應式步進電動機（VR）、永磁式步進電動機（PM、混合式步進電動機（HB和單

27、相式步進電動機等。它具有結構簡單、可靠性高、成本低、快速啟停、精確步進、沒有積累誤差且能直接接收數(shù)字信號的特點，在數(shù)字控制系統(tǒng)中得到了廣泛地應用。2.1.2 舵機最近幾年國內(nèi)機器人開始起步發(fā)展，很多高校、中小學都開始進行機器人技術教學。小型的機器人、模塊化的機器人、組件式的機器人是教學機器人的首選。在這些機器人產(chǎn)品中，舵機是最關鍵，使用最多的部件。根據(jù)控制方式，舵機應該稱為微型伺服馬達。早期在模型上使用最多，主要用于控制模型的舵面，所以俗稱舵機。舵機接受一個簡單的控制指令就可以自動轉動到一個比較精確的角度，所以非常適合在關節(jié)型機器人產(chǎn)品使用。仿人型機器人就是舵機運用的最高境界。1）舵機的結構舵

28、機簡單的說就是集成了直流電機、電機控制器和減速器等，并封裝在一個便于安裝的外殼里伺服單元。能夠利用簡單的輸入信號比較精確的轉動給定角度的電機系統(tǒng)。舵機安裝了一個電位器（或其它角度傳感器）檢測輸出軸轉動角度，控制板根據(jù)電位器的信息能比較精確的控制盒保持輸出軸的角度。這樣的直流電機控制方式叫閉環(huán)控制，所以舵機更準確的說是伺服馬達，英文servo。舵機的主體結構如圖2-1所示，主要有幾個部分：外殼、減速齒輪組、電機、電位器、控制電路。簡單的工作原理是控制電路接收信號源的控制信號，并驅(qū)動電機轉動；齒輪組將電機的速度成大倍數(shù)縮小，并將電機的輸出扭矩放大響應倍數(shù)，然后輸出：電位器和齒輪組的末級一起轉動，測

29、量舵機軸轉動角度；電路板檢測并根據(jù)電位器判斷舵機轉動角度，然后控制舵機轉動到目標角度或保持在目標角度。舵盤圖2-1舵機的結構舵機的外殼一般是塑料的，特殊的舵機可能會有金屬鋁合金外殼。金屬外殼能夠提供更好的散熱，可以讓舵機內(nèi)的電機運行在更高功率下，以提供更高額扭矩輸出。金屬外殼也可以提供更牢固的固定位置。齒輪箱有塑料齒輪、混合齒輪、金屬齒輪的差別。塑料齒輪成本底，噪音小，但強度較低；金屬齒輪強度高，但成本高，在裝配精度一般的情況下會有很大的噪音。2）舵機的規(guī)格和選型當今使用的舵機有模擬舵機和數(shù)字舵機之分，不過數(shù)字舵機還是相對較少。下面的技術規(guī)格同時適用于兩種舵機。舵機的規(guī)格主要有幾個方面：轉速、

30、轉矩、電壓、尺寸、重量、材料等。我們在做舵機的選型時要對一下幾個方面進行綜合考慮。轉速轉速由舵機無負載的情況下轉過60。角所需時間來衡量，常見舵機的速度一般在0.11/6000.21S/60°之間。轉矩舵機扭矩的單位是KG-CM這是一個扭矩單位。可以理解為在舵盤上距舵機軸中心水平距離1CM處，在舵機能夠帶動的物體重量。電壓廠商提供的速度、轉矩數(shù)據(jù)和測試電壓有關，在4.8V和6V兩種測試電壓下這兩個參數(shù)有比較大的差別。如FutabaS-9001在4.8V時扭力為3.9kg、速度為0.22秒，在6.0V時扭力為5.2kg、速度為0.18秒。若無特別注明，JR的舵機都是以4.8V為測試電壓

31、，F(xiàn)utaba則是以6.0V作為測試電壓。舵機的工作電壓對性能有重大的影響，舵機推薦的電壓一般都是4.8V或6V。當然，有的舵機可以再7V以上工作，比如12V的舵機也不少。較高的電壓可以提高電機的速度和扭矩。選擇舵機還需要看我們的控制卡所能提供的電壓。尺寸、重量和材質(zhì)舵機的功率（速度x轉矩）和舵機的尺寸比值可以理解為該舵機的功率密度，一般同樣品牌的舵機，功率密度大的價格高。塑料齒輪的舵機在超出極限負荷的條件下使用可能會崩齒，金屬齒輪的舵機則可能會電機過熱損毀或外殼變形。所以材質(zhì)的選擇并沒有絕對的傾向，關鍵是將舵機使用在設計規(guī)格之內(nèi)。用戶一般都對金屬制的物品比較信賴，齒輪箱期望選擇全金屬的，舵盤

32、期望選擇金屬舵盤。但需要注意的是，金屬齒輪箱在長時間過載下也不會損毀，最后確是電機過熱損壞或外殼變形，而這樣的損壞是致命的，不可修復的。塑料出軸的舵機如果使用金屬舵盤是很危險的，舵盤和舵機軸在相互扭轉過程中，金屬舵盤不會磨損，舵機軸會在一段時間后變得光禿，導致舵機完全不能使用。綜上，選擇舵機需要在計算自己所需扭矩和速度，并確定使用電壓的條件下，選擇有150流右甚至更大扭矩富余的舵機。3）舵機的工作原理FUTABAS310微型舵機的性能：尺寸（mm：21.8*11*19.8。重量：9g。工作速度：0.12S/600。輸出功率：1.2kg/cm。舵機的基本組成就是三個部分：一個齒輪減速直流電動機、

33、一個內(nèi)置減速器和一個位置反饋器。舵機的連線有三根，以Futaba的舵機為例，紅色的為正電源線，黑色的為地線,白色的為控制信號線，如圖2-2所示。電源線地線GND控制線輸出轉袖O圖2-2舵機控制線定義標準舵機電源線和地線用于提供舵機內(nèi)部的直流電動機和控制線路所需的能源，電壓通常介于4-6V,一般取5V。控制信號由接收機的通道進入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個基準電路，產(chǎn)生周期為20m6寬度為1.5ms的基準信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負輸出到電動機驅(qū)動芯片決定電機的正反轉。當電動機轉速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉，使得到電

34、壓差為0,電動機停止轉動。控制PW啾沖信號與電動機轉角對應關系如圖2-3所示。輸備微制度舵機輸出軸轉角©OQO。>05 O 5 O9 4 - 4 9注4曾0tmiL5ms11鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書圖2-3舵機的PW峨形控制關系舵機的轉動角度范圍為0180°,控制電平脈沖周期一般為20ms脈沖寬度為0.52.5ms,即0.5ms對應于0°,2.5ms對應于180°,中間為線性對應關系，如圖2-4所示。T一角度-一折線圖2折線圖3圖2-4脈沖寬度和轉到角度對應關系由于5mV&右的電壓變化就能引起舵機抖動，再加上20ms精確的控制信號周期

35、要求，使用一般的模擬控制方式難以實現(xiàn)精度要求，所以舵機的控制一般采用單片機模擬PWMJ號的形式，而且由于單片機是一個數(shù)字控制系統(tǒng)，受外界的干擾小，其強大的功能能夠極大地簡化機器人控制運動控制器的設計，這里采用單片機作為機器人下位機控制器。2.2 單片機PWM1塊PW血脈沖寬度調(diào)制，用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦波。如圖2-5所示。H 圖2-5PWMB沖寬度調(diào)制可看成N個彼此相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等，用等幅不等寬矩形脈沖代替，中點重合，面積（沖量）相等寬度按正弦規(guī)律變化。1 .硬件產(chǎn)生通過定時器、比較器模塊硬件產(chǎn)生，可以通過設置相應寄存器獲得所需寬度的PW脈沖信號，硬件產(chǎn)生方

36、式在軟件控制上較為簡單，一般只需配置模塊的幾個寄存器即可。2 .I/O口模擬通過在程序中手動置位或消除相應斷開的電平，得到與硬件模塊完全一樣的信號，在軟件方式下，需要定時器/計數(shù)器配合。在硬件資源不足的情況下，如系統(tǒng)中需要多個PWME制信號，這是可以通過單片機的控制端口模擬實現(xiàn)的。2.3 機器人電動機控制設計中需要使用舵機作為機器人關節(jié)轉動電動機，通過控制關節(jié)電動機能夠?qū)崿F(xiàn)仿壁虎型機器人的行走控制，直走、轉彎、靜止和吸附等狀態(tài)。該機器人配備了無線數(shù)傳模塊，可以實現(xiàn)無線遠程控制，在計算機上配備類似無線模塊即可實現(xiàn)計算機軟件程序控制機器人運行。2.3.1 系統(tǒng)性能需求機器人控制系統(tǒng)是機器人的重要組

37、成部分，用于對機器人的控制，以完成特定的工作任務。控制技術和控制電路集成技術室仿壁虎機器人技術中的重要組成部分。仿壁虎機器人的關節(jié)眾多，控制電路復雜，要使其具備與真實壁虎類似的功能，其控制電路就更加復雜，因此優(yōu)化控制結構，減小控制電路的體積和功耗有利于控制系統(tǒng)與機器人本體的更好融合。本設計的仿壁虎機器人選擇了FutabaS3107舵機作為驅(qū)動電動機，在仿壁虎腳學材料還未研制成功地情況下，為了使所研制出來的樣機平臺能夠驗證機構設計、不太規(guī)劃以及控制系統(tǒng)設計結果的正確性，采用電磁鐵作為吸附裝置代替仿壁虎腳學材料。系統(tǒng)整體架構如圖2-6所示。圖2-6機器人控制系統(tǒng)框該系統(tǒng)允許操作者在上位機（PC機）

38、上輸入控制參數(shù)，如機器人的速度、機器人爬行方向、機器人各關節(jié)的靜態(tài)轉角等，上位機控制程序?qū)巡僮髡叩妮斎雰?nèi)容轉譯為下位機能夠理解并執(zhí)行的控制指令，將指令打包并通過串口方式向下位機發(fā)送。下位機（機器人控制器）接收到控制指令后對指令作校驗并解包數(shù)據(jù)分析指令，根據(jù)指令結合機器人步態(tài)規(guī)劃結果，通過程序代碼模擬出I/O口的PW極形，控制舵機轉動帶動機器人機械本體部分，以達到控制機器人移動的目的。由于目前仿壁虎機器人采用電磁鐵吸盤作為吸附裝置，電磁鐵的吸附力需要合理控制，當機器人抬腿時電磁鐵的吸附力必須消除，當該條腿需要吸附在壁面時電磁鐵吸盤的吸附力必須能夠達到最大，以保證機器人的穩(wěn)定性和安全性，機器人下

39、位機控制系統(tǒng)主要通過一個數(shù)字開關電路控制通過電磁鐵電流的通斷以達到控制電磁鐵吸盤的吸附和脫附功能。2.3.2 原理圖設計機器人控制器的電路部分包括單片機、數(shù)字開關控制電路、舵機、位于腳掌上的電磁吸盤和電源。電源分別為單片機電路、電磁鐵和各舵機提供電源。上位機發(fā)出控制指令，單片機通過串口接收該控制指令后，控制電動機運行，故需設計與PC機串口通信模塊。同時單片機的4路I/O作為腳掌吸附力控制端口，該輸出控制數(shù)字開關電路的通斷以達到控制機器人腳掌上吸盤的吸附與脫附效果。1）電源部分電源設計部分的連接如圖2-7所示。V£C1(5V)2IC75)5-rnrvVCC'J-Cliicap!

40、0J3ufVcrurtGNDVCC3Cap：OluF工二二Cl IVia VoutGNDCapi 0.3 JuFVCC1-012CapZ0 luF口 EVOLTPOV.TRYCCM5V MC7808VCC4< i-Cl Cap2 O.lJuFCap2Q luFycwv yevh Venn：ci| gndCap2 033uF0:VCC2_LCap2D.luF圖2-7電源部分電路電源部分有四個電源模塊，VCE外界輸入電壓（選擇15V輸入）。VCC休口VCC潘陳俞出5V電壓提供給機器人的12個舵機作為電機驅(qū)動電源。由于12個舵機突然啟動時有一個沖擊電流大約為1.8A之高。該電流比較大，一個電源

41、模塊MC780舞受如此大的電流容易過熱燒壞，所以用兩個電源模塊獲得VCC體口VCC2,同時兩個電源模塊分配給12個舵機應用也要考慮到盡量讓兩個電源模塊平均分擔舵機電流，根據(jù)步態(tài)規(guī)劃結果得知，處于對角線上的兩條腿上相對應的舵機轉動時序相同。因此在電源模塊分配時將對角線上兩條腿的各舵機輸入電源分配在兩個不同的電源模塊上。VCC3俞出5V電壓，提供給單片機和無線串口作為工作電壓，將單片機的供給電源與舵機的供給電源分開的原因是，當舵機啟動時，輸入電源電壓會受到較大的干擾，這個干擾往往會導致單片機重起或者程序不穩(wěn)定；其他的3個電源模塊均為MC7805VCC4勺電源模塊選用MC7808該模塊的作用是為機器

42、人的視頻攝像頭提供一個外接的8V電壓。2）單片機部分機器人控制器中單片機部分連接如圖2-8所示。UIVCC3cc和1PO.O'ADOPO.1ADIP0.21AD2P0.3AD3PQ4ATMP0.51AD5PWM1XTAL119XTALlXTAL2P412XTAL2IStr-JJ至6PWM45PWM5PWM6PWM7P0.6AD6P0.7AD7322PWMSRESET9RSTU-Ix-31PLQ/T2PL1,-T2EXP1.2P1.3Pl.4P1.5P5、母30-iALE*PWM11當PWM12RXDW.P3jOKxD«IOSITXDIT廠insoa-_pj.irrxDPL.&

43、lt;51天Ek嗎PJ.ZIxfQP37rv1T?P3.3INT1P3.4T0P3.srriP3.7RBaP2.1-'A9P2.2A10P23/A11P2.4ZA12P2.5/A1,3SUCKLSLCK2力SUCK3MSUCK4二5f寫7P2.fr1AH7flZUP2.7/A15、圖2-8單片機部分連接單片機的12個I/O口作為PW喻出控制舵機的轉角，4個I/O口輸出的SUCKn信號作為腳掌吸附力控制端口，I/O口利用高低電壓控制功率三極管的通斷達到控制腳掌吸附力的功能。RXDTXD分別為用口接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)引腳，RESE叨復位彳S號，VCC接5V輸入電壓，SCKMISOMOS作為單

44、片機的在系統(tǒng)編程信號（ISP）;單片機通過串口接收上位機的控制指令，如果用口沒有控制指令，機器人將采用默認指令運動。3）最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)的時鐘、復位和編程仿真模塊如圖2-9所示。15鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書圖2-9最小系統(tǒng)各模塊系統(tǒng)采用外部8MHz寸鐘和ISP在系統(tǒng)編程接口。4）電磁吸盤控制模塊機器人控制電磁吸盤的數(shù)字開關控制電路如圖2-10所示圖2-10繼電器控制模塊I 2Unsarts一 互該部分由功率三極管D1758和位于基極的上拉電阻R組成，功率三極管D1758的集電極接吸盤電磁鐵。本設計中基極與發(fā)射極的電壓為5V時，該功率三極管的放大倍數(shù)大約為190,腳掌吸附元件為電磁鐵

45、，其電阻大小為20Q;為了使功率管工作再最佳狀態(tài)，使電磁鐵上分擔電壓達到最大，可以求出R=24X190X（5-0.7）/（VCC-2,輸入電壓VCC等于15V主要為電磁鐵提供電流，經(jīng)過測量，此時功率管集電極到發(fā)射極的電壓大約為2V,可以算出基極的電阻R大小應該選用1500Q。5）串口通信模塊串口通信模塊如圖2-11所示。luF3V. I'llSW1NC1+vccV+GNDC1-TIoukC2-TRlin二 X1AX232R】仇uV-TlinT2outT2mR2iiR2mntXL4X23212IL1。2Q RXD1百丁15HT1|hVCC3TTL RS232m r加光圖2-11通過MAX

46、2321接單片機和PC機單片機采用TTL電平邏輯，而PC機的串口采用RS232電平，兩種邏輯電平不能直接相連，應用廣泛的MAX23卻以實現(xiàn)電平轉換。6) PWMfe動機控制模塊PW哪機控制,K塊如圖2-12所示。圖2-12PWM控制舵機機器人使用了12路舵機，4個腿上各有3個舵機控制自由度。用單片機端口直接產(chǎn)出PW極形實現(xiàn)舵機轉到控制。2.3.3軟件系統(tǒng)設計步態(tài)是步行機器人的一種邁步方式，是步行機器人各腿協(xié)調(diào)運行的規(guī)律，它是研究步行機構正常工作的關鍵參數(shù)，是確保步行機構穩(wěn)定運行的非常重要的因素，是仿生機器人研究時不可少的內(nèi)容，對于整體機構的運動特性及動力特性都有直接影響，同時它也是直接影響到控

47、制方法及實施的難易程度。爬行機器人在移動過程中其每條腿都將分別處于支撐相和擺動相兩種狀態(tài)，所謂支撐相是指支撐在壁面并推動機器人身體移動的階段，擺動相是指腿抬起后離開壁面的階段。1)向前爬行的設計方案機器人直線位移爬行的步驟如下。 開始運動時1號腿和3號腿吸附在墻面，2號和4號腿抬起。 除抬腿關節(jié)之外的其他關節(jié)通過轉動使懸空腿往前伸的同時回收支撐腿，從而帶動身體向前移動S/2。#電動機控制系統(tǒng)的設計放下抬起的腿2,4使得機器人處于四足著地的穩(wěn)定狀態(tài)。抬起1號和3號腿。再往前移動S1/2。將抬起的1號和3號腿放下。到此機器人的一個運動周期完成，如此往復運動實現(xiàn)機器人連續(xù)前進移動。以上描述了機器人在

48、Y方向的直線位移，由于四足機器人在X和Y方向的結構完全一樣，因此可以仿照Y方向步態(tài)實現(xiàn)X方向的直線位移，取機器人X方向直線位移的步長為S2。設計仿壁虎機器人結構如圖2-13所示。圖2-13仿壁虎機器人結構圖按順時針順序，從左上開始依次對仿壁虎機器人四個腳掌進行編號，分別為1、2、3、4號足，其對應腿編號與足編號相同。腳掌與腿之間存在一個轉動副關節(jié)，用Ji表示，其中i=1,2,3,4表示足或腿編號。每個足對應腿上有3個關節(jié)，用Jij表示，j=1,2,3表示第i條腿的關節(jié)編號。其中Ji1的轉動軸垂直于Ji2的轉動軸且相交，所以Ji1與Ji2組成第i條腿的JBFi關節(jié)。Ji3是第i條腿的JFTi關節(jié)

49、，且Ji3的轉動軸平行于Ji2的轉動軸且平行于Ji的轉動軸。Ji相當于取了壁虎JTF關節(jié)的1自由度，此處取1自由度的目的是為了簡化機構。仿壁虎機器人的腳掌假設用圓盤代替。JB為模擬壁虎身體的關節(jié)。仿壁虎機器人采用對角線步態(tài)時其各關節(jié)驅(qū)動元件的運動時序如圖2-14所示。4鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書nnL LTHTHJJ5人3、4，n 一 口 一 n一口圖2-14對角線步態(tài)各關節(jié)時序圖抬起EE伸腿/收腿抬起/壓F伸腿/收腿抬起/壓E伸腿/收腿抬起K卜.伸腿/收腿通過控制各個關節(jié)上不同電動機的脈沖形式，可以實現(xiàn)機器人的運動。2）控制流程圖圖2-15下位機主程序流程圖如圖2-15所示為本課題研究的

50、機器人下位機控制程序工作流程圖。單片機內(nèi)部設有兩個計數(shù)器，一個計數(shù)器控制機器人爬行周期（即機器人爬行速度），另一個計數(shù)器控制PW破形，兩個計數(shù)器同時協(xié)作實現(xiàn)控制機器人做各種不同特征的運動。如果單片機沒有接到上位機發(fā)送的控制指令，則控制機器人按照默認的爬行方式爬行。控制函數(shù)中通過讀取計數(shù)器數(shù)值，當計數(shù)器值所對應的時間等于所需要的PW嘛寬，則設置相應的I/O口，通過若干次比較可以模擬出12路PW瞰形控制舵機轉動，同時通過4路I/O口控制功率三極管的通斷達到控制機器人腳掌的吸附和脫附。單片機AT89S521用兩個計數(shù)器模擬12路的PW此號,控制12個舵機運動，機器人的控制指令從上位機通過串口輸出到單

51、片機。單片機采用中斷的方式接收PC機用口發(fā)送的控制命令，流程如圖2-16所示。返回中斷圖2-16串口中斷程序流程圖3)程序a)主程序。Main()unsignedcharcounth,countl,count0;unsignedchartime0=0;ungignedinttime0_countl=0;/conststaticunsignedcharT=7;staticunsignedcharT=7;i=0;EA=0;P0=0xff;P1=0xff;P2=0xff;TH1=0x00;TL1=0x00;TR2=1;EA=1;While(1)Switch(head)Case0xaa:global_

52、control();break;Case0x77:/前進21鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書forward(timeO);timecontrol(T,&time0,&time0_count1);break;Case0x33:/左轉turnright(timeO);timecontrol(T,&time0,&time0_count1);break;Case0x66:/后退backward(timeO);timecontrol(T,&time0,&time0_count1);break;Case0x22:/右轉turnleft(time。)；timec

53、ontrol(T,&time0,&time0_count1);break;default:/默認連續(xù)前進forward(timeO);timecontrol(T,&time0,&time0_count1);break;程序注解：在主程序中作初始化，后進入while循環(huán)，當沒有接收到上位機控制命令時,計算機按照默認連續(xù)前進方式工作，若收到上位機的控制命令，則選擇不同的分支執(zhí)行，可實現(xiàn)隨意控制、左轉、右轉和后退等動作。b)用口中斷服務程序。Voiduart0_rx_isr(void)interrupt4unsignedchartemp;Switch(i)Case0:

54、i=1;head=SBUF;SBUF=head;break;Case 1:number=SBUF;SBUF=number;If(head=0xaa)i=2;Elsei=0;break;Case 2:number1=SBUF;SBUF=number1;i=3;break;Case 3:comparedhnumber1=SBUF;SBUF=comparedhnumber1;i=4;break;Case 4:comparedlnumber1=SBUF;SBUF=comparedlnumber1;i=5;break;Case 5:portbnumber1=SBUF;SBUF=portbnumber1;i=6;break;Case 6:portcnumber1=SBUF;SBUF=portcnumber1;i=7;break;Case 7:portdnumber1=SBUF;SBUF=portdnumber1;i=8;break;Case 8:temp=SBUF;SBUF=i;i=0;break;default:break;程序注解：i為一個8位全局變量。串行數(shù)據(jù)頭用0xaa標識。單片機通過串口接收上位機的命令，以中斷的方式接收，當單片機的串口模塊接收到數(shù)據(jù)時會引發(fā)CPU中斷，當程序中打開全局中斷后，程序會跳轉到串口接收程序，將串行數(shù)據(jù)寫入到全局數(shù)組中。c)PWM6制直行子