基于單片機的Biped型機器人設計的創(chuàng )新策略論文
隨著(zhù)機電一體化技術(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(lái)越廣泛的應用。目前，仿人機器人作為機器人研究的熱門(mén)領(lǐng)域受到了極高的關(guān)注，其中，Biped型機器人以其結構復雜，自由度多和運動(dòng)控制精度要求高等特點(diǎn)已經(jīng)成為了仿人機器人研究的重中之重。
本文通過(guò)研究仿人機器人運動(dòng)過(guò)程規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，減少了傳統控制方法不穩定性對系統精度的影響。同時(shí)，選用了TR213高精度伺服電機，使機器人的運動(dòng)機構在運行過(guò)程中協(xié)調、平穩。并通過(guò)單自由度調試、多自由度調試、運動(dòng)過(guò)程規劃等實(shí)驗驗證了系統的可行性，所設計的機械結構及控制方法真正地實(shí)現了Biped型機器人控制的高精度、高穩定性和智能化。
1 整體結構設計
根據仿人機器人的行走、前進(jìn)、后退、重心偏移和上下樓梯等運動(dòng)過(guò)程要求，Biped型機器人主要由機械結構、高精度伺服電機、伺服控制系統和驅動(dòng)系統等部分組成。
由于人體為左右對稱(chēng)結構，為了達到仿人運動(dòng)的目的，Biped型機器人也采用相同的對稱(chēng)結構，如圖1所示。
以機器人行走過(guò)程中的右腿向前移動(dòng)過(guò)程為例，在此過(guò)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(gè)階段。為了實(shí)現動(dòng)作要求，機器人需要踝關(guān)節、膝關(guān)節和髖關(guān)節6個(gè)自由度配合完成，其各關(guān)節的.轉動(dòng)角度范圍如表1所示。從表中可以看出，踝關(guān)節1、2可以通過(guò)轉動(dòng)完成整體結構重心沿y軸方向的移動(dòng)控制，保持機器人在動(dòng)作過(guò)程中的重心穩定；膝關(guān)節3、4和髖關(guān)節5、6通過(guò)配合轉動(dòng)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(shí)現機器人的動(dòng)作要求；另外，雙足機器人各個(gè)關(guān)節角的運動(dòng)范圍都大于人類(lèi)各個(gè)關(guān)節角度的運動(dòng)范圍，可以滿(mǎn)足模仿人類(lèi)動(dòng)作的關(guān)節角度范圍要求。
2 高精度伺服電機的轉動(dòng)控制
Biped型機器人的各關(guān)節的位置采用TR213高精度伺服電機的轉動(dòng)進(jìn)行驅動(dòng)和控制，并由STC89C52單片機產(chǎn)生周期為20ms，脈寬為0.5ms-2.5ms的脈沖寬度調制（PWM）信號，該脈沖寬度與電機轉動(dòng)的偏轉角度成正比，通過(guò)不同的脈沖輸入寬度可精確地控制伺服電機的轉動(dòng)角度，其驅動(dòng)分辨率達到1μs，角度分辨率可達0.09°，伺服電機的轉動(dòng)角度控制原理如圖2所示。
位于伺服電機內部的齒輪組將電機的轉動(dòng)速度成大倍數縮小，并將電機的輸出扭矩放大倍數后輸出；電位器和齒輪組的末級一起轉動(dòng)，測量舵機軸轉動(dòng)角度；電路板檢測并根據電位器判斷舵機轉動(dòng)角度，然后控制舵機轉動(dòng)到目標角度或保持在目標角度，其內部電路如圖3所示。
PWM信號進(jìn)入信號解調芯片BA6688后將產(chǎn)生直流偏置電壓信號，該信號和芯片內部5K電位器所產(chǎn)生的基準電壓信號進(jìn)行比較，將得到的脈沖進(jìn)行展寬后輸入至芯片BAL6686，芯片根據展寬后的脈沖信號驅動(dòng)伺服電機轉動(dòng)，在此過(guò)程中，伺服電機的轉動(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)，伺服電機轉動(dòng)到指定位置后停止轉動(dòng)。另外，解調后的直流偏置電壓通過(guò)與在電位器上得到反饋電壓進(jìn)行比較可得到正負電壓差，BA6688將該電壓差輸送的PWM信號給電機驅動(dòng)電路BAL6686以驅動(dòng)伺服電機正反轉。疊加在5K電位器上的另外一個(gè)信號Motor Back EMF信號將會(huì )使伺服電機產(chǎn)生一個(gè)反向電動(dòng)勢，通過(guò)和給定的基準電壓進(jìn)行比較可以改變伺服電機的轉速，從而控制機器人的動(dòng)作速度。
3 伺服控制系統
Biped型機器人的伺服電機控制主要是通過(guò)STC89C52單片機所產(chǎn)生的PWM信號來(lái)實(shí)現。由555定時(shí)器組成的振蕩器作為時(shí)間基準信號，通過(guò)對其產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計數來(lái)產(chǎn)生PWM脈沖信號，并由I/O口進(jìn)行多路輸出，輸出后的信號經(jīng)過(guò)整形處理，產(chǎn)生標準的PWM脈寬調制信號，以提高機器人動(dòng)作的精度和穩定性。同時(shí)，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(xiàn)燒錄功能與上位機進(jìn)行通信來(lái)完成對多路伺服電機轉動(dòng)的控制。
4 驅動(dòng)系統
為了使Biped型機器人具有足夠的驅動(dòng)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(shí)電流很小，可以忽略不計，但當其動(dòng)態(tài)負荷扭矩達到最大時(shí)驅動(dòng)電流可達2A，但由于Biped型機器人的6個(gè)自由度一般不會(huì )全部同時(shí)工作在最大負荷狀態(tài)下，根據測試表明，在正常情況下每個(gè)伺服電機的電流小于0.5A，因此，采用電流為10A的直流穩壓電源為其供電，即可滿(mǎn)足其驅動(dòng)要求。伺服電機控制電路與伺服電機驅動(dòng)電路采用分開(kāi)供電模式，由7805穩壓芯片為其提供穩定電壓，以減小伺服電機電壓波動(dòng)對其造成的干擾，來(lái)提高控制精度。
結語(yǔ)
理論與實(shí)驗表明，所設計的Biped型機器人具有控制精度高、穩定性好和結構簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。通過(guò)高精度伺服電機和控制系統有效地減少了系統不穩定性對機器人運動(dòng)過(guò)程造成的影響，為仿人機器人的開(kāi)發(fā)和設計提供了一種比較理想的方法與解決方案。
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