電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第一章 緒論1.1 課題研究背景機(jī)器人（Robot）是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運(yùn)行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。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(xiǎn)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(shè)航天站、開發(fā)海洋、軍事作戰(zhàn)與反恐偵察等任務(wù)和需求的增加，人們對(duì)機(jī)器人的性能提出了更高的要求。它可以說是高級(jí)整合控制論、機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)、材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物。目前在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要用途。我國(guó)從1987年實(shí)施國(guó)家“863”高技

2、術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃以來，把智能機(jī)器人確立為自動(dòng)化領(lǐng)域的主體之一，在特種機(jī)器人、機(jī)器人應(yīng)用工程、機(jī)器人基礎(chǔ)學(xué)科等方面取得了很大成績(jī)。其中非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的機(jī)器人是當(dāng)今世界最重要的高技術(shù)之一，它集計(jì)算機(jī)、微電子、傳感、自動(dòng)控制等技術(shù)為一身，己成為衡量一個(gè)國(guó)家科技水平的重要標(biāo)志之一。仿生學(xué)（Bionics）是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一門綜合性邊緣科學(xué)，它由生命科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)科相互滲透、相互結(jié)合而成，通過學(xué)習(xí)、模仿、復(fù)制和再造生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、工作原理及控制機(jī)制，來改進(jìn)現(xiàn)有的或創(chuàng)造性的機(jī)械、儀器、建筑和工藝過程。仿生學(xué)將有關(guān)生物學(xué)原理應(yīng)用到對(duì)工程系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)中，尤其對(duì)當(dāng)今日益發(fā)展的機(jī)器人科學(xué)起到了巨大

3、的推動(dòng)作用。在35億年進(jìn)化過程中，生物發(fā)展了靈巧的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)敏的運(yùn)動(dòng)模式，成為機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的源泉之一。仿生機(jī)器人就是模仿自然界中生物的精巧結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)原理和行為方式等的機(jī)器人系統(tǒng)?？茖W(xué)家們向生物學(xué)習(xí)，創(chuàng)造出了眾多高性能的仿生機(jī)器人，如機(jī)器魚、機(jī)器蛇、機(jī)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(yùn)動(dòng)的四足動(dòng)物?？茖W(xué)家以壁虎的這種運(yùn)動(dòng)能力為研究模仿對(duì)象，研制出了各種爬壁機(jī)器人，爬壁機(jī)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(lǐng)域，爬壁機(jī)器人被用來清洗大廈外壁墻面和玻璃、檢測(cè)艦船船體、檢測(cè)核密封罐等；在軍事反恐領(lǐng)域，爬壁機(jī)器人

4、可用來進(jìn)行偵察竊聽、研制蛙人等；在航天領(lǐng)域，爬壁機(jī)器人可用來進(jìn)行艙外維修等。但傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人的吸附原理和移動(dòng)機(jī)理與真實(shí)壁虎毫無關(guān)系，其缺點(diǎn)限制看應(yīng)用環(huán)境和工作范圍，而壁虎的吸附原理和移動(dòng)方式為突破傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人的限制提供了新的思路，因而成為一個(gè)新的研究方向。1.1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前仿壁虎機(jī)器人技術(shù)的研究主要分為吸附技術(shù)的研究與移動(dòng)技術(shù)的研究，吸附技術(shù)研究主要是圍繞研制仿壁虎腳掌的吸附材料展開，移動(dòng)技術(shù)則主要是模仿生物的靈巧移動(dòng)方式。目前，美國(guó)、日本等西方發(fā)達(dá)國(guó)家都在開展仿壁虎機(jī)器人方面的研究，美國(guó)處在領(lǐng)先的位置，但仍處于初級(jí)階段。我國(guó)也已開展這方面的研究，其中在壁面清洗方面實(shí)現(xiàn)了爬壁機(jī)

5、器人的應(yīng)用，在壁虎腳掌吸附材料研制上也取得一定成果，但距離國(guó)外研究水平仍有一定的差距。美國(guó)圖1-1圖1-1所示是美國(guó)斯坦福大學(xué)的一個(gè)研究小組在2006年開發(fā)的一種仿壁虎機(jī)器人，稱為Stickybot 。Stickybot具有4只粘性腳足，每個(gè)腳足有4個(gè)腳趾，趾底長(zhǎng)著數(shù)百萬個(gè)極其微小的用于粘附的人造毛發(fā)（由人造橡膠制成），每個(gè)腳趾都有腳筋，腳筋可以實(shí)現(xiàn)腳趾的外翻與展平。每個(gè)腳足上的4個(gè)腳筋可以聯(lián)動(dòng)，從而輕松實(shí)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(gè)四桿機(jī)構(gòu)，依靠一個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)腿的前后移動(dòng)，并借助另外一個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)四桿機(jī)構(gòu)平面的轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)抬腿動(dòng)作。此外，

6、應(yīng)該另有一個(gè)馬達(dá)實(shí)現(xiàn)壁虎腳趾的驅(qū)動(dòng)。Stickybot 從吸附原理、運(yùn)動(dòng)形式、機(jī)器人外形上都比較接近真實(shí)的壁虎。CMU（Carnegie Mellon University）微小型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室研制了兩種結(jié)構(gòu)形式的爬壁機(jī)器人。一種是具有兩個(gè)行走輪、每個(gè)行走輪上具有3個(gè)吸附足的爬壁機(jī)器人，吸附足采用特殊的粘性材料粘附在墻面上。其移動(dòng)方式本質(zhì)上是輪式移動(dòng)，前進(jìn)和倒退通過改變兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向即可實(shí)現(xiàn)。支撐足與輪轂是球銷副連接，既可以在行進(jìn)時(shí)圍繞足踝軸轉(zhuǎn)動(dòng)，也可在轉(zhuǎn)彎時(shí)圍繞足中心軸旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)彎的時(shí)候一邊的輪子不轉(zhuǎn)，通過另一邊的輪子轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎。由于采用滾動(dòng)方式，因而可以實(shí)現(xiàn)不同法向面的過渡，即

7、從地面可自主爬到豎直面上。它的機(jī)構(gòu)比較巧妙，用兩個(gè)足式輪子實(shí)現(xiàn)了爬行、轉(zhuǎn)彎等運(yùn)動(dòng)，還可以實(shí)現(xiàn)墻面過渡。缺點(diǎn)是采用的是粘性材料對(duì)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(qiáng)。另一種是CMU開發(fā)的履帶式壁虎機(jī)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(jī)器人在墻面上的行走有如履帶機(jī)器人在地面上的行走。其移動(dòng)就是履帶傳動(dòng)，通過兩頭動(dòng)力輪的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)履帶在墻面上的移動(dòng)，在前端的履帶被壓在墻面上實(shí)現(xiàn)粘附的同時(shí)后面的履帶被拉起。履帶式機(jī)器人粘附面積較大，可以承受較大的負(fù)載，也可從地面過渡到豎直面上，但由于履帶機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)存在滑動(dòng)摩擦，會(huì)破壞吸附，因而不能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。加州大學(xué)伯克利分

8、校與iRobot 合作開發(fā)了 Mecho-Gecko 壁虎機(jī)器人。Mecho-Gecko 是兩輪驅(qū)動(dòng)的四輪式機(jī)器人，驅(qū)動(dòng)輪上長(zhǎng)有三足，通過在足上預(yù)裝粘合劑和剝離粘合劑來實(shí)現(xiàn)對(duì)壁面的吸附，其結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜。美國(guó)克利夫蘭 Case Western Reserve University 設(shè)計(jì)了一種輪腿式爬壁機(jī)器人，其機(jī)構(gòu)就像一輛汽車有4個(gè)車輪，每個(gè)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(gè)輪子的步調(diào)是錯(cuò)開的，以保證在行動(dòng)的時(shí)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(shí)現(xiàn)后退、轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作，所以它只是作為一種爬行材料的驗(yàn)證機(jī)器人，要實(shí)現(xiàn)實(shí)際的用途還有待改進(jìn)。日本為了實(shí)現(xiàn)各

9、種法向面的靈活過渡，東京工藝研究院和Isikawajima-Harima 重工業(yè)有限公司聯(lián)合設(shè)計(jì)開發(fā)了“忍者”機(jī)器人?！叭陶摺睓C(jī)器人的吸附方式采用的是一種被稱為VM（汽門復(fù)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(gè)真空吸盤的足，每條腿都有3個(gè)自由度，可以往3個(gè)方向挪動(dòng)。該機(jī)器人可以很方便地實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退，也可以橫向移動(dòng)，也很容易實(shí)現(xiàn)墻面過渡。它的移動(dòng)方式是與移動(dòng)方向同側(cè)的兩條腿吸附在墻上，另外兩條腿移動(dòng)，然后交換，如此交替實(shí)現(xiàn)移動(dòng)。日本三菱重工業(yè)公司正在銷售的一種磁性爬壁噴涂機(jī)器人，可以吸附在20mm以上厚度的建筑物上，磁力可達(dá)2000kgf 左右，并能

10、沿各種磁性結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，如鋼筋墻壁、天花板，甚至在潮濕的壁面運(yùn)動(dòng)，速度可達(dá)10m/min。日本應(yīng)用技術(shù)研究所研制出一種車輪式磁吸附爬壁機(jī)器人，它可以吸附在各種大型構(gòu)造物如油罐、球形煤氣罐、船舶等的壁面，代替人進(jìn)行檢查或修理等作業(yè)。這種爬壁機(jī)器人靠磁性車輪對(duì)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(xué)的宏油茂男研究開發(fā)了吸盤式磁吸附爬壁機(jī)器人，吸盤與壁面之間有一個(gè)很小的傾斜角度，這樣吸盤對(duì)壁面的吸力仍然很大，每個(gè)吸盤分別由一個(gè)電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)，與壁面線接觸的吸盤旋轉(zhuǎn)，爬壁機(jī)器人就隨著向前移動(dòng)，這種吸附機(jī)構(gòu)的吸附力可以達(dá)到很大。中國(guó)

11、國(guó)內(nèi)仿壁虎機(jī)器人技術(shù)的研究主要針對(duì)爬壁機(jī)器人展開，沈陽自動(dòng)化所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等研究單位都已經(jīng)對(duì)爬壁機(jī)器人做了大量研究，部分技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)品化，這些機(jī)器人主要采用了真空吸附和電磁吸附原理，其中用于非導(dǎo)磁壁面如高層建筑壁面清洗的機(jī)器人一般采用真空吸附方式，導(dǎo)磁壁面如大型鍋爐的壁面清洗以及具有放射性廢液儲(chǔ)罐焊縫的檢測(cè)和修復(fù)的機(jī)器人主要采用電磁吸附方式。哈爾濱工業(yè)大學(xué)時(shí)我國(guó)較早開展爬壁機(jī)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(jī)器人2000年在北京國(guó)貿(mào)大廈正式投入使用。CLR-2采用圓形的吸盤進(jìn)行吸附。上海大學(xué)談力士等人設(shè)計(jì)開發(fā)了面向球形存儲(chǔ)罐檢修

12、的球面移動(dòng)爬壁機(jī)器人，它采用真空吸附方式和腿足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以適應(yīng)不同曲率半價(jià)的曲面，并可跨越300mm高的障礙。北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所也是國(guó)內(nèi)較早開展爬壁機(jī)器人技術(shù)研究的單位之一，其研制開發(fā)的“藍(lán)天潔士”系列爬壁清洗機(jī)器人已向上海大學(xué)圖書館、國(guó)家大劇院、北京西站等單位銷售多臺(tái)?！八{(lán)天潔士”以2個(gè)緊密相連的、成十字交叉狀的無桿氣缸構(gòu)成其主體。機(jī)器人可以再X、Y兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。在X和Y氣缸的頂端有4個(gè)Z向氣缸用以支持和升降機(jī)器人的主體。各個(gè)Z向氣缸下端分別固連有2個(gè)真空吸盤，使得機(jī)器人能夠吸附于附著面。該機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，可自主運(yùn)動(dòng)，但缺點(diǎn)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(xué)機(jī)器人所研制出了微小型爬壁機(jī)器人，大小只有270mm*270mm，自重3.2kg，吸附力可達(dá)15kgf。該機(jī)器人采用負(fù)壓吸附方式，由中央高速旋轉(zhuǎn)電機(jī)將內(nèi)腔抽成真空，用彈性橡膠作裙邊密封，可以適應(yīng)具有不超過2cm寬淺溝的粗糙壁面。采用輪式移動(dòng)，通過調(diào)節(jié)兩側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎。2006年研制的正壓貼附爬壁機(jī)器人，它基于直升機(jī)原理，將螺旋槳總距設(shè)成負(fù)值從而產(chǎn)生壓力，將機(jī)器人壓附在墻面上，這種正壓機(jī)器人由于采用空氣壓力貼附在壁面上，所以對(duì)壁面粗糙度和材料均無要求。國(guó)內(nèi)其它一些研究機(jī)構(gòu)還研究了掄腿輪換式負(fù)壓爬壁機(jī)器人、磁吸附履帶式爬壁機(jī)器人、被動(dòng)負(fù)壓履帶式爬壁機(jī)器人等。1.1.2

14、壁虎機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)目前，仿生機(jī)器人研究的兩個(gè)主要方向是運(yùn)動(dòng)機(jī)理的研究和行為方式的研究。壁虎機(jī)器人應(yīng)該是能在各種壁面與天花板上靈活運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人，它主要模仿的是壁虎的吸附能力和運(yùn)動(dòng)能力。l 吸附技術(shù)傳統(tǒng)爬壁機(jī)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(diǎn)，但當(dāng)壁面凹凸不平時(shí)，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(duì)壁面的凹凸適應(yīng)性強(qiáng)，且吸附力遠(yuǎn)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(dǎo)磁材料，因此嚴(yán)重地限

15、制了爬壁機(jī)器人的應(yīng)用環(huán)境。近年來，科學(xué)家研究較多的是一種叫作干性粘合劑的吸附技術(shù)并己獲得較大進(jìn)展。干性粘合劑實(shí)際是一種人造仿生壁虎腳。生物科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，壁虎每個(gè)腳趾上有許許多多褶襞，每個(gè)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(gè)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(jì)算，一只大壁虎的四只腳產(chǎn)生的總作用力壓強(qiáng)相當(dāng)于10個(gè)大氣壓。壁虎就是通過“范德瓦爾斯力”牢牢地吸附在墻面上?？茖W(xué)家在生物壁虎原型吸附的功能原理和作用機(jī)理的基

16、礎(chǔ)上，探索出一種與壁虎趾表面結(jié)構(gòu)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(yīng)用MEMS加工技術(shù)，設(shè)計(jì)制作出模擬壁虎腳趾的吸附裝置，該吸附裝置能適應(yīng)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(shí)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(yīng)各種表面，但還有待于進(jìn)一步深入研究。表1-1 吸附方式優(yōu)缺點(diǎn)比較吸附方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)負(fù)壓吸附對(duì)壁面材料無要求，負(fù)載能力較強(qiáng)，技術(shù)相對(duì)成熟壁面粗糙度要求高，需要真空泵，有噪音，太空中不適用正壓貼附適應(yīng)各種壁面技術(shù)尚不成熟，有噪音，太空中不適用電磁吸附控制方

17、便，負(fù)載能力強(qiáng)，無噪音壁面需導(dǎo)磁，耗電永磁吸附不耗電，負(fù)載能力強(qiáng)，無噪音壁面需導(dǎo)磁，控制較繁瑣干性粘劑適應(yīng)各種壁面，無噪音加工較難，易耗損，技術(shù)尚不成熟l 移動(dòng)技術(shù) 目前，壁虎機(jī)器人的移動(dòng)方式主要是車輪式、履帶式、導(dǎo)軌式、腿足式和混合式。車輪式移動(dòng)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(duì)壁面適應(yīng)性強(qiáng)，著地面積大，但不易轉(zhuǎn)彎，越障礙能力差。導(dǎo)軌式移動(dòng)也較快，具有一定的越障礙能力，但不能轉(zhuǎn)向。腿足式移動(dòng)靈活，地面適應(yīng)能力強(qiáng)，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(dòng)速度慢、控制復(fù)雜?；旌鲜揭话悴捎幂喿慊旌希婢哕囕喪揭苿?dòng)和腿足式移動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，但控制和結(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜

18、。目前，常見的腿足式機(jī)器人以兩足式、四足式、六足式應(yīng)用較多。結(jié)構(gòu)主要為縮放型機(jī)構(gòu)、四連桿機(jī)構(gòu)、多關(guān)節(jié)串聯(lián)機(jī)構(gòu)、平行桿機(jī)構(gòu)、并聯(lián)機(jī)構(gòu)和擺動(dòng)縮放機(jī)構(gòu)。在微型爬壁機(jī)器人中以四連桿機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用較多。l 能源供給常規(guī)機(jī)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(diǎn)是電力供應(yīng)充足，缺點(diǎn)是電纜會(huì)對(duì)機(jī)器人的移動(dòng)范圍形成約束，并且電纜重力會(huì)對(duì)機(jī)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(jìn)一步提高。此外，新的能源供給方式也在積極探索之中。比如，通過微波對(duì)微機(jī)器人提供能量和控制信號(hào)就是一種較為理想的方法，日本DENSO公司已經(jīng)較為成

19、功地將微波技術(shù)應(yīng)用到一臺(tái)由8層PZT驅(qū)動(dòng)的無線微型腿足式管內(nèi)機(jī)器人上。l 驅(qū)動(dòng)方式目前，常規(guī)的壁虎機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置主要是氣泵和電機(jī)。對(duì)于微小型壁虎機(jī)器人，傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式其性能隨體積減小而迅速降低，且導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜化，引起結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳動(dòng)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(duì)微小型機(jī)器人，要采用新材料、新工藝開發(fā)出新型的微驅(qū)動(dòng)器，如目前已有直線驅(qū)動(dòng)電機(jī)、壓電陶瓷（PZT）、超聲電機(jī)、形狀記憶合金（SMA）等新型驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)，其中以形狀記憶合金、超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)器最引人注目。（1） SMA驅(qū)動(dòng)器SMA的主要特征是具有形狀記憶效應(yīng)，即某些被變形的金屬具有受熱后恢復(fù)其原來形狀的能力。SMA

20、驅(qū)動(dòng)器具有以下優(yōu)點(diǎn)：功率/質(zhì)量比大；結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，可直接輸出直線運(yùn)動(dòng)；動(dòng)作柔順、適應(yīng)性強(qiáng)，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(shí)間來實(shí)現(xiàn)加熱控制。SMA的缺點(diǎn)是響應(yīng)慢、位移小、壽命短、退化和費(fèi)電。但目前這些不足已基本上得打了很好的解決。如美國(guó)NanoMuscle 公司開發(fā)的SMA驅(qū)動(dòng)器，每秒鐘可以往復(fù)運(yùn)動(dòng)數(shù)次，最大行程可達(dá)到自身長(zhǎng)度的13%，可連續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)數(shù)百萬個(gè)周期，僅僅需要幾百毫安的供電。所以SMA 驅(qū)動(dòng)器在微型爬壁機(jī)器人上將具有較好的應(yīng)用前景。（2） 超聲電機(jī)超聲電機(jī)又稱電壓馬達(dá)，是采用壓電材料驅(qū)動(dòng)的一種新型微持電機(jī)，它利用逆壓電效應(yīng)使定子機(jī)體產(chǎn)生柔性

21、波動(dòng)，進(jìn)而在定子表面質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)摩擦作用下將振動(dòng)能耦合成轉(zhuǎn)子的力矩輸出。超聲電機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、定位精度高、響應(yīng)速度快、低轉(zhuǎn)速、大力距輸出等特點(diǎn)。由于超聲電機(jī)具有眾多的優(yōu)點(diǎn)，使得它將在微型機(jī)器人上具有很好的應(yīng)用前景，但由于超聲電機(jī)對(duì)于驅(qū)動(dòng)信號(hào)有較高的要求，所以控制相對(duì)復(fù)雜。1.1.3 壁虎機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)經(jīng)過對(duì)壁虎機(jī)器人國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀的分析和壁虎機(jī)器人各類關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)的比較，結(jié)合機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的總體趨勢(shì)，我們認(rèn)為壁虎機(jī)器人的發(fā)展有如下趨勢(shì)：n 吸附方式將越來越多地采用干性粘合劑負(fù)壓吸附方式和磁吸附方式技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相對(duì)成熟，并已有商用化產(chǎn)品出現(xiàn)。但它們的缺點(diǎn)也是顯而易見的。干性粘合劑

22、作為一種仿生智能材料，能夠適應(yīng)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MEMS加工技術(shù)和新材料的發(fā)展，人造壁虎腳掌的性能將會(huì)有明顯提升。目前，西方發(fā)達(dá)國(guó)家都很重視對(duì)壁虎腳掌仿生材料的研究，我國(guó)南京航空航天大學(xué)也已經(jīng)開展相關(guān)方面的研究。n 向微小型化發(fā)展科學(xué)家預(yù)言，21世紀(jì)的尖端技術(shù)之一是微型機(jī)器人。仿生微型機(jī)器人可用于小型管道檢測(cè)作業(yè)，可進(jìn)入人體腸道進(jìn)行檢查和實(shí)施治療而不傷害人體，也可以進(jìn)入狹小的復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行各種作業(yè)。因此，壁虎機(jī)器人的小型化和微型化是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。n 移動(dòng)方式用腿足式在移動(dòng)機(jī)器人中，輪式和履帶式移動(dòng)方式已獲得廣泛的應(yīng)用，但是腿足式移動(dòng)方式具有輪式和履

23、帶式所沒有的優(yōu)點(diǎn)。腿足式移動(dòng)方式的機(jī)器人可以相對(duì)較容易地跨過比較大的障礙，并且機(jī)器人的足所具有的大量的自由度可以使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加靈活，對(duì)凹凸不平的地形適應(yīng)能力更強(qiáng)。正是由于腿足式移動(dòng)結(jié)構(gòu)多樣、運(yùn)動(dòng)靈活，適應(yīng)于各種形狀的壁面，而且能夠跨越障礙物，因此足式結(jié)構(gòu)將在爬壁機(jī)器人上，尤其是在微小型爬壁機(jī)器人上，有著較好的應(yīng)用前景。n 生物壁虎機(jī)器人生物機(jī)器人是借助于電子信息技術(shù)刺激來控制動(dòng)物神經(jīng)信號(hào)，從而達(dá)到對(duì)動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)或某些行為的人為控制目的的技術(shù)。日本和美國(guó)DARPA都已設(shè)立了生物機(jī)器人研究計(jì)劃，而我國(guó)南京航空航天大學(xué)也已經(jīng)展開了生物壁虎機(jī)器人技術(shù)研究并已取得初步的成果。通過在壁虎上安裝載荷并控制

24、壁虎來完成任務(wù)將在能源供給、運(yùn)動(dòng)靈活性、隱蔽性、機(jī)動(dòng)性和適應(yīng)性方面較仿生壁虎機(jī)器人具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。1.2 課題的基本內(nèi)容設(shè)計(jì)一個(gè)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，通過控制機(jī)器人關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)仿壁虎型機(jī)器人的行走控制。用FutabaS3107舵機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；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(shù)路線、研究方案研究方法：在網(wǎng)上和圖書館查閱課題相關(guān)資料參考文獻(xiàn)、同學(xué)間的討論和請(qǐng)教指導(dǎo)老師技術(shù)路線：分為機(jī)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(jī)等。設(shè)計(jì)方案：主控部分使用PIC16F877A單片機(jī)；供電分兩部分供電，分別為

25、舵機(jī)供電和控制電路供電；通信部分選用MAX232和MC55；舵機(jī)用FutabaS3107舵機(jī)；采用電磁鐵作為吸附裝置代替仿壁虎腳掌材料；CAD模型進(jìn)行仿真測(cè)試。1.4 課題的效果預(yù)測(cè)通過分析仿真，設(shè)計(jì)的仿壁虎機(jī)器人能夠模仿壁虎爬行行為，并且滿足應(yīng)用人工壁虎腳掌材料對(duì)爬行運(yùn)動(dòng)的要求，而采用的對(duì)角線步態(tài)可以完成壁虎直線行走以及原地轉(zhuǎn)彎動(dòng)作。第二章 電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 電動(dòng)機(jī)種類在各類機(jī)電系統(tǒng)中，由于直流電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速性能，直流調(diào)速技術(shù)已廣泛運(yùn)用于工業(yè)、航天領(lǐng)域的各個(gè)方面。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，脈寬調(diào)制（PWM）直流調(diào)速技術(shù)成為一種常用的直流調(diào)速方法，它具有調(diào)速精度高、響應(yīng)

26、速度快、調(diào)速范圍寬和耗損低等特點(diǎn)。PWM驅(qū)動(dòng)裝置與傳統(tǒng)晶閘驅(qū)動(dòng)裝置比較，具有下列優(yōu)點(diǎn)：需用的大功率可控器件少，線路簡(jiǎn)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(yīng)用于現(xiàn)代直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)中。2.1.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為位移的幾點(diǎn)執(zhí)行元件，每當(dāng)輸入一個(gè)脈沖時(shí)，轉(zhuǎn)軸變轉(zhuǎn)過一個(gè)固定的機(jī)械角度，可以通過控制脈沖的個(gè)數(shù)來控制電動(dòng)機(jī)的角位移量，從而達(dá)到精確定位的目的；同時(shí)還可以通過控制脈沖頻率來控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。目前，比較常用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（HB）和單相式步

27、進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低、快速啟停、精確步進(jìn)、沒有積累誤差且能直接接收數(shù)字信號(hào)的特點(diǎn)，在數(shù)字控制系統(tǒng)中得到了廣泛地應(yīng)用。2.1.2 舵機(jī)最近幾年國(guó)內(nèi)機(jī)器人開始起步發(fā)展，很多高校、中小學(xué)都開始進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)教學(xué)。小型的機(jī)器人、模塊化的機(jī)器人、組件式的機(jī)器人是教學(xué)機(jī)器人的首選。在這些機(jī)器人產(chǎn)品中，舵機(jī)是最關(guān)鍵，使用最多的部件。 根據(jù)控制方式，舵機(jī)應(yīng)該稱為微型伺服馬達(dá)。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(jī)。舵機(jī)接受一個(gè)簡(jiǎn)單的控制指令就可以自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)到一個(gè)比較精確的角度，所以非常適合在關(guān)節(jié)型機(jī)器人產(chǎn)品使用。仿人型機(jī)器人就是舵機(jī)運(yùn)用的最高境界。1）舵機(jī)的結(jié)構(gòu)舵機(jī)簡(jiǎn)

28、單的說就是集成了直流電機(jī)、電機(jī)控制器和減速器等，并封裝在一個(gè)便于安裝的外殼里伺服單元。能夠利用簡(jiǎn)單的輸入信號(hào)比較精確的轉(zhuǎn)動(dòng)給定角度的電機(jī)系統(tǒng)。舵機(jī)安裝了一個(gè)電位器（或其它角度傳感器）檢測(cè)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)控制方式叫閉環(huán)控制，所以舵機(jī)更準(zhǔn)確的說是伺服馬達(dá)，英文 servo。舵機(jī)的主體結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，主要有幾個(gè)部分：外殼、減速齒輪組、電機(jī)、電位器、控制電路。簡(jiǎn)單的工作原理是控制電路接收信號(hào)源的控制信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；齒輪組將電機(jī)的速度成大倍數(shù)縮小，并將電機(jī)的輸出扭矩放大響應(yīng)倍數(shù)，然后輸出：電位器和齒輪組的末級(jí)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)量

29、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。圖2-1 舵機(jī)的結(jié)構(gòu)舵機(jī)的外殼一般是塑料的，特殊的舵機(jī)可能會(huì)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(jī)內(nèi)的電機(jī)運(yùn)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(qiáng)度較低；金屬齒輪強(qiáng)度高，但成本高，在裝配精度一般的情況下會(huì)有很大的噪音。2）舵機(jī)的規(guī)格和選型當(dāng)今使用的舵機(jī)有模擬舵機(jī)和數(shù)字舵機(jī)之分，不過數(shù)字舵機(jī)還是相對(duì)較少。下面的技術(shù)規(guī)格同時(shí)適用于兩種舵機(jī)。舵機(jī)的規(guī)格主要有幾個(gè)方面：轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩

30、、電壓、尺寸、重量、材料等。我們?cè)谧龆鏅C(jī)的選型時(shí)要對(duì)一下幾個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮。l 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速由舵機(jī)無負(fù)載的情況下轉(zhuǎn)過60°角所需時(shí)間來衡量，常見舵機(jī)的速度一般在0.11/60°0.21S/60°之間。l 轉(zhuǎn)矩舵機(jī)扭矩的單位是KG·CM，這是一個(gè)扭矩單位?？梢岳斫鉃樵诙姹P上距舵機(jī)軸中心水平距離1CM處，在舵機(jī)能夠帶動(dòng)的物體重量。l 電壓廠商提供的速度、轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)和測(cè)試電壓有關(guān)，在4.8V和6V兩種測(cè)試電壓下這兩個(gè)參數(shù)有比較大的差別。如Futaba S-9001在4.8V時(shí)扭力為3.9kg、速度為0.22秒，在6.0V時(shí)扭力為5.2kg、速度為0.18秒。若無特

31、別注明，JR的舵機(jī)都是以4.8V為測(cè)試電壓，F(xiàn)utaba則是以6.0V作為測(cè)試電壓。舵機(jī)的工作電壓對(duì)性能有重大的影響，舵機(jī)推薦的電壓一般都是4.8V或6V。當(dāng)然，有的舵機(jī)可以再7V以上工作，比如12V的舵機(jī)也不少。較高的電壓可以提高電機(jī)的速度和扭矩。選擇舵機(jī)還需要看我們的控制卡所能提供的電壓。l 尺寸、重量和材質(zhì)舵機(jī)的功率（速度×轉(zhuǎn)矩）和舵機(jī)的尺寸比值可以理解為該舵機(jī)的功率密度，一般同樣品牌的舵機(jī)，功率密度大的價(jià)格高。塑料齒輪的舵機(jī)在超出極限負(fù)荷的條件下使用可能會(huì)崩齒，金屬齒輪的舵機(jī)則可能會(huì)電機(jī)過熱損毀或外殼變形。所以材質(zhì)的選擇并沒有絕對(duì)的傾向，關(guān)鍵是將舵機(jī)使用在設(shè)計(jì)規(guī)格之內(nèi)。用戶一

32、般都對(duì)金屬制的物品比較信賴，齒輪箱期望選擇全金屬的，舵盤期望選擇金屬舵盤。但需要注意的是，金屬齒輪箱在長(zhǎng)時(shí)間過載下也不會(huì)損毀，最后確是電機(jī)過熱損壞或外殼變形，而這樣的損壞是致命的，不可修復(fù)的。塑料出軸的舵機(jī)如果使用金屬舵盤是很危險(xiǎn)的，舵盤和舵機(jī)軸在相互扭轉(zhuǎn)過程中，金屬舵盤不會(huì)磨損，舵機(jī)軸會(huì)在一段時(shí)間后變得光禿，導(dǎo)致舵機(jī)完全不能使用。綜上，選擇舵機(jī)需要在計(jì)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%左右甚至更大扭矩富余的舵機(jī)。3）舵機(jī)的工作原理FUTABA S3107微型舵機(jī)的性能： 尺寸（mm）：21.8*11*19.8。 重量：9g。 工作速度：0.12s/60°。

33、 輸出功率：1.2kg/cm。舵機(jī)的基本組成就是三個(gè)部分：一個(gè)齒輪減速直流電動(dòng)機(jī)、一個(gè)內(nèi)置減速器和一個(gè)位置反饋器。舵機(jī)的連線有三根，以Futaba 的舵機(jī)為例，紅色的為正電源線，黑色的為地線，白色的為控制信號(hào)線，如圖2-2所示。圖2-2 舵機(jī)控制線定義標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)電源線和地線用于提供舵機(jī)內(nèi)部的直流電動(dòng)機(jī)和控制線路所需的能源，電壓通常介于4-6V，一般取5V?？刂菩盘?hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)，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(fù)輸出到電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電

34、動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得到電壓差為0，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)?？刂芇WM脈沖信號(hào)與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2-3所示。圖2-3 舵機(jī)的PWM波形控制關(guān)系舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)應(yīng)于0°,2.5ms對(duì)應(yīng)于180°，中間為線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖2-4所示。圖2-4 脈沖寬度和轉(zhuǎn)到角度對(duì)應(yīng)關(guān)系由于5mV左右的電壓變化就能引起舵機(jī)抖動(dòng)，再加上20ms精確的控制信號(hào)周期要求，使用一般的模擬控制方式難以實(shí)現(xiàn)精度要求，所以舵機(jī)的控制一般采用單片機(jī)模擬PWM信號(hào)的形式，而且由于單片機(jī)是

35、一個(gè)數(shù)字控制系統(tǒng)，受外界的干擾小，其強(qiáng)大的功能能夠極大地簡(jiǎn)化機(jī)器人控制運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)，這里采用單片機(jī)作為機(jī)器人下位機(jī)控制器。2.2 單片機(jī)PWM模塊PWM是脈沖寬度調(diào)制，用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦波。如圖2-5所示。圖2-5 PWM脈沖寬度調(diào)制可看成N個(gè)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(diǎn)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(shí)器、比較器模塊硬件產(chǎn)生，可以通過設(shè)置相應(yīng)寄存器獲得所需寬度的PWM脈沖信號(hào)，硬件產(chǎn)生方式在軟件控制上較為簡(jiǎn)單，一般只需配置模塊的幾個(gè)寄存器即可。 2. I/O口模擬通過在程序中手動(dòng)置位或清除相應(yīng)斷

36、開的電平，得到與硬件模塊完全一樣的信號(hào)，在軟件方式下，需要定時(shí)器/計(jì)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(gè)PWM控制信號(hào)，這是可以通過單片機(jī)的控制端口模擬實(shí)現(xiàn)的。2.3 機(jī)器人電動(dòng)機(jī)控制設(shè)計(jì)中需要使用舵機(jī)作為機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，通過控制關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)仿壁虎型機(jī)器人的行走控制，直走、轉(zhuǎn)彎、靜止和吸附等狀態(tài)。該機(jī)器人配備了無線數(shù)傳模塊，可以實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)程控制，在計(jì)算機(jī)上配備類似無線模塊即可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)軟件程序控制機(jī)器人運(yùn)行。2.3.1 系統(tǒng)性能需求機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的重要組成部分，用于對(duì)機(jī)器人的控制，以完成特定的工作任務(wù)?？刂萍夹g(shù)和控制電路集成技術(shù)室仿壁虎機(jī)器人技術(shù)中的重要組成部

37、分。仿壁虎機(jī)器人的關(guān)節(jié)眾多，控制電路復(fù)雜，要使其具備與真實(shí)壁虎類似的功能，其控制電路就更加復(fù)雜，因此優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)，減小控制電路的體積和功耗有利于控制系統(tǒng)與機(jī)器人本體的更好融合。本設(shè)計(jì)的仿壁虎機(jī)器人選擇了Futaba S3107 舵機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，在仿壁虎腳掌材料還未研制成功地情況下，為了使所研制出來的樣機(jī)平臺(tái)能夠驗(yàn)證機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、不太規(guī)劃以及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性，采用電磁鐵作為吸附裝置代替仿壁虎腳掌材料。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2-6所示。上位機(jī)控制指令單片機(jī)數(shù)字開關(guān)電路電源吸盤機(jī)器人機(jī)械部分舵機(jī)電源圖2-6機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖該系統(tǒng)允許操作者在上位機(jī)（PC機(jī)）上輸入控制參數(shù)，如機(jī)器人的速度、機(jī)器人爬

38、行方向、機(jī)器人各關(guān)節(jié)的靜態(tài)轉(zhuǎn)角等，上位機(jī)控制程序?qū)巡僮髡叩妮斎雰?nèi)容轉(zhuǎn)譯為下位機(jī)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(jī)發(fā)送。下位機(jī)（機(jī)器人控制器）接收到控制指令后對(duì)指令作校驗(yàn)并解包數(shù)據(jù)分析指令，根據(jù)指令結(jié)合機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃結(jié)果，通過程序代碼模擬出I/O口的PWM波形，控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)器人機(jī)械本體部分，以達(dá)到控制機(jī)器人移動(dòng)的目的。由于目前仿壁虎機(jī)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(dāng)機(jī)器人抬腿時(shí)電磁鐵的吸附力必須消除，當(dāng)該條腿需要吸附在壁面時(shí)電磁鐵吸盤的吸附力必須能夠達(dá)到最大，以保證機(jī)器人的穩(wěn)定性和安全性，機(jī)器人下位機(jī)控制系統(tǒng)主要通過一個(gè)數(shù)字開關(guān)電路控

39、制通過電磁鐵電流的通斷以達(dá)到控制電磁鐵吸盤的吸附和脫附功能。2.3.2 原理圖設(shè)計(jì)機(jī)器人控制器的電路部分包括單片機(jī)、數(shù)字開關(guān)控制電路、舵機(jī)、位于腳掌上的電磁吸盤和電源。電源分別為單片機(jī)電路、電磁鐵和各舵機(jī)提供電源。上位機(jī)發(fā)出控制指令，單片機(jī)通過串口接收該控制指令后，控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，故需設(shè)計(jì)與PC機(jī)串口通信模塊。同時(shí)單片機(jī)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(guān)電路的通斷以達(dá)到控制機(jī)器人腳掌上吸盤的吸附與脫附效果。1) 電源部分電源設(shè)計(jì)部分的連接如圖2-7所示。圖2-7 電源部分電路電源部分有四個(gè)電源模塊，VCC為外界輸入電壓（選擇15V輸入）。VCC1和VCC2都輸出5V電壓提供

40、給機(jī)器人的12個(gè)舵機(jī)作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。由于12個(gè)舵機(jī)突然啟動(dòng)時(shí)有一個(gè)沖擊電流大約為1.8A之高。該電流比較大，一個(gè)電源模塊MC7805承受如此大的電流容易過熱燒壞，所以用兩個(gè)電源模塊獲得VCC1和VCC2 ，同時(shí)兩個(gè)電源模塊分配給12個(gè)舵機(jī)應(yīng)用也要考慮到盡量讓兩個(gè)電源模塊平均分擔(dān)舵機(jī)電流，根據(jù)步態(tài)規(guī)劃結(jié)果得知，處于對(duì)角線上的兩條腿上相對(duì)應(yīng)的舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)序相同。因此在電源模塊分配時(shí)將對(duì)角線上兩條腿的各舵機(jī)輸入電源分配在兩個(gè)不同的電源模塊上。VCC3輸出5V電壓，提供給單片機(jī)和無線串口作為工作電壓，將單片機(jī)的供給電源與舵機(jī)的供給電源分開的原因是，當(dāng)舵機(jī)啟動(dòng)時(shí)，輸入電源電壓會(huì)受到較大的干擾，這個(gè)干擾往

41、往會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)重起或者程序不穩(wěn)定；其他的3個(gè)電源模塊均為MC7805。VCC4的電源模塊選用MC7808，該模塊的作用是為機(jī)器人的視頻攝像頭提供一個(gè)外接的8V電壓。2) 單片機(jī)部分機(jī)器人控制器中單片機(jī)部分連接如圖2-8所示。圖2-8 單片機(jī)部分連接單片機(jī)的12個(gè)I/O口作為PWM輸出控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)角，4個(gè)I/O口輸出的SUCKn信號(hào)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(dá)到控制腳掌吸附力的功能。RXD、TXD分別為串口接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)引腳，RESET為復(fù)位信號(hào)，VCC接5V輸入電壓，SCK、MISO、MOSI作為單片機(jī)的在系統(tǒng)編程信號(hào)（ISP）；單片機(jī)通過串口接收上位

42、機(jī)的控制指令，如果串口沒有控制指令，機(jī)器人將采用默認(rèn)指令運(yùn)動(dòng)。3) 最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)的時(shí)鐘、復(fù)位和編程仿真模塊如圖2-9所示。圖2-9 最小系統(tǒng)各模塊系統(tǒng)采用外部8MHz時(shí)鐘和ISP在系統(tǒng)編程接口。4) 電磁吸盤控制模塊機(jī)器人控制電磁吸盤的數(shù)字開關(guān)控制電路如圖2-10所示。圖2-10 繼電器控制模塊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(shè)計(jì)中基極與發(fā)射極的電壓為5V時(shí)，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，其電阻大小為20；為了使功率管工作再最佳狀態(tài)，使電磁鐵上分擔(dān)電壓達(dá)到最大，可以求出R=24×

43、190×（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(cè)量，此時(shí)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(yīng)該選用1500。5) 串口通信模塊串口通信模塊如圖2-11所示。圖2-11 通過MAX232連接單片機(jī)和PC機(jī)單片機(jī)采用TTL電平邏輯，而PC機(jī)的串口采用RS232電平，兩種邏輯電平不能直接相連，應(yīng)用廣泛的MAX232可以實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。6) PWM電動(dòng)機(jī)控制模塊PWM舵機(jī)控制模塊如圖2-12所示。圖2-12 PWM控制舵機(jī)機(jī)器人使用了12路舵機(jī)，4個(gè)腿上各有3個(gè)舵機(jī)控制自由度。用單片機(jī)端口直接產(chǎn)出PWM波形實(shí)現(xiàn)舵機(jī)轉(zhuǎn)到控制。

44、2.3.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)步態(tài)是步行機(jī)器人的一種邁步方式，是步行機(jī)器人各腿協(xié)調(diào)運(yùn)行的規(guī)律，它是研究步行機(jī)構(gòu)正常工作的關(guān)鍵參數(shù)，是確保步行機(jī)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行的非常重要的因素，是仿生機(jī)器人研究時(shí)不可少的內(nèi)容，對(duì)于整體機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性及動(dòng)力特性都有直接影響，同時(shí)它也是直接影響到控制方法及實(shí)施的難易程度。爬行機(jī)器人在移動(dòng)過程中其每條腿都將分別處于支撐相和擺動(dòng)相兩種狀態(tài)，所謂支撐相是指支撐在壁面并推動(dòng)機(jī)器人身體移動(dòng)的階段，擺動(dòng)相是指腿抬起后離開壁面的階段。1) 向前爬行的設(shè)計(jì)方案機(jī)器人直線位移爬行的步驟如下。 開始運(yùn)動(dòng)時(shí)1號(hào)腿和3號(hào)腿吸附在墻面，2號(hào)和4號(hào)腿抬起。 除抬腿關(guān)節(jié)之外的其他關(guān)節(jié)通過轉(zhuǎn)動(dòng)使懸空腿往前伸的

45、同時(shí)回收支撐腿，從而帶動(dòng)身體向前移動(dòng)S1/2。 放下抬起的腿2,4使得機(jī)器人處于四足著地的穩(wěn)定狀態(tài)。 抬起1號(hào)和3號(hào)腿。 再往前移動(dòng)S1/2。 將抬起的1號(hào)和3號(hào)腿放下。到此機(jī)器人的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期完成，如此往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人連續(xù)前進(jìn)移動(dòng)。以上描述了機(jī)器人在Y方向的直線位移，由于四足機(jī)器人在X和Y方向的結(jié)構(gòu)完全一樣，因此可以仿照Y方向步態(tài)實(shí)現(xiàn)X方向的直線位移，取機(jī)器人X方向直線位移的步長(zhǎng)為S2。設(shè)計(jì)仿壁虎機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖2-13所示。圖2-13 仿壁虎機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖按順時(shí)針順序，從左上開始依次對(duì)仿壁虎機(jī)器人四個(gè)腳掌進(jìn)行編號(hào)，分別為1、2、3、4號(hào)足，其對(duì)應(yīng)腿編號(hào)與足編號(hào)相同。腳掌與腿之間存在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副

46、關(guān)節(jié)，用Ji表示，其中i=1,2,3,4表示足或腿編號(hào)。每個(gè)足對(duì)應(yīng)腿上有3個(gè)關(guān)節(jié)，用Jij表示，j=1,2,3表示第i條腿的關(guān)節(jié)編號(hào)。其中Ji1的轉(zhuǎn)動(dòng)軸垂直于Ji2的轉(zhuǎn)動(dòng)軸且相交，所以Ji1與Ji2組成第i條腿的JBFi關(guān)節(jié)。Ji3是第i條腿的JFTi關(guān)節(jié)，且Ji3的轉(zhuǎn)動(dòng)軸平行于Ji2的轉(zhuǎn)動(dòng)軸且平行于Ji的轉(zhuǎn)動(dòng)軸。Ji相當(dāng)于取了壁虎JTF關(guān)節(jié)的1自由度，此處取1自由度的目的是為了簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)。仿壁虎機(jī)器人的腳掌假設(shè)用圓盤代替。JB為模擬壁虎身體的關(guān)節(jié)。仿壁虎機(jī)器人采用對(duì)角線步態(tài)時(shí)其各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)元件的運(yùn)動(dòng)時(shí)序如圖2-14所示。圖2-14 對(duì)角線步態(tài)各關(guān)節(jié)時(shí)序圖通過控制各個(gè)關(guān)節(jié)上不同電動(dòng)機(jī)的脈沖形式，可

47、以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。2) 控制流程圖開始初始化計(jì)數(shù)器、UART、I/O中斷使能分析存儲(chǔ)指令，判斷爬行方向前進(jìn)？后退？左轉(zhuǎn)？右轉(zhuǎn)？靜止姿態(tài)控制？調(diào)用相應(yīng)的PWM產(chǎn)生時(shí)序函數(shù)分析指令，調(diào)節(jié)計(jì)數(shù)器值，控制速度默認(rèn)爬行方式PWM產(chǎn)生函數(shù)分析指令，調(diào)節(jié)計(jì)數(shù)器值，控制速度圖2-15下位機(jī)主程序流程圖如圖2-15所示為本課題研究的機(jī)器人下位機(jī)控制程序工作流程圖。單片機(jī)內(nèi)部設(shè)有兩個(gè)計(jì)數(shù)器，一個(gè)計(jì)數(shù)器控制機(jī)器人爬行周期（即機(jī)器人爬行速度），另一個(gè)計(jì)數(shù)器控制PWM波形，兩個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)協(xié)作實(shí)現(xiàn)控制機(jī)器人做各種不同特征的運(yùn)動(dòng)。如果單片機(jī)沒有接到上位機(jī)發(fā)送的控制指令，則控制機(jī)器人按照默認(rèn)的爬行方式爬行?？刂坪瘮?shù)中通過讀

48、取計(jì)數(shù)器數(shù)值，當(dāng)計(jì)數(shù)器值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間等于所需要的PWM脈寬，則設(shè)置相應(yīng)的I/O口，通過若干次比較可以模擬出12路PWM波形控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)通過4路I/O口控制功率三極管的通斷達(dá)到控制機(jī)器人腳掌的吸附和脫附。單片機(jī)AT89S52運(yùn)用兩個(gè)計(jì)數(shù)器模擬12路的PWM信號(hào)，控制12個(gè)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人的控制指令從上位機(jī)通過串口輸出到單片機(jī)。單片機(jī)采用中斷的方式接收PC機(jī)串口發(fā)送的控制命令，流程如圖2-16所示?？刂茀?shù)？讀取串口寄存器SBUF按順序存儲(chǔ)該參數(shù)指令頭？丟棄本次數(shù)據(jù)，繼續(xù)接收返回中斷圖2-16串口中斷程序流程圖3) 程序a) 主程序。Main() unsigned char counth,c

49、ountl,count0; unsigned char time0=0; ungigned int time0_countl=0; / const static unsigned char T=7;static unsigned char T=7; i=0; EA=0; P0=0xff; P1=0xff;P2=0xff;TH1=0x00;TL1=0x00;TR2=1;EA=1;While(1) Switch(head) Case 0xaa: global_control(); break;Case 0x77:/ 前進(jìn) forward(time0); timecontrol(T,&tim

50、e0,&time0_count1); break;Case 0x33:/ 左轉(zhuǎn) turnright(time0); timecontrol(T,&time0,&time0_count1); break;Case 0x66:/ 后退 backward(time0); timecontrol(T,&time0,&time0_count1); break;Case 0x22:/ 右轉(zhuǎn) turnleft (time0); timecontrol(T,&time0,&time0_count1); break;default:/ 默認(rèn)連續(xù)前進(jìn) for

51、ward(time0); timecontrol(T,&time0,&time0_count1); break;程序注解：在主程序中作初始化，后進(jìn)入while循環(huán)，當(dāng)沒有接收到上位機(jī)控制命令時(shí)，計(jì)算機(jī)按照默認(rèn)連續(xù)前進(jìn)方式工作，若收到上位機(jī)的控制命令，則選擇不同的分支執(zhí)行，可實(shí)現(xiàn)隨意控制、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和后退等動(dòng)作。b) 串口中斷服務(wù)程序。Void uart0_rx_isr(void) interrupt 4 unsigned char temp; Switch(i)Case 0: i=1; head=SBUF; SBUF=head; break;Case 1: number=SBU

52、F; SBUF= number; If(head=0xaa) i=2; Else i=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= portb number1; i=6; break;Case 6: p

53、ortcnumber1=SBUF; SBUF= portcnumber1; i=7; break;Case 7: portdnumber1=SBUF; SBUF= portd number1; i=8; break;Case 8: temp=SBUF; SBUF=i; i=0; break;default:break;程序注解：l i為一個(gè)8位全局變量。l 串行數(shù)據(jù)頭用0xaa標(biāo)識(shí)。單片機(jī)通過串口接收上位機(jī)的命令，以中斷的方式接收，當(dāng)單片機(jī)的串口模塊接收到數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)引發(fā)CPU中斷，當(dāng)程序中打開全局中斷后，程序會(huì)跳轉(zhuǎn)到串口接收程序，將串行數(shù)據(jù)寫入到全局?jǐn)?shù)組中。c) PWM控制直行子程序。/*12路

54、PWM輸出*/#define PIN_PWM1 P0_0#define PIN_PWM2 P0_1#define PIN_PWM3 P0_2#define PIN_PWM4 P0_3#define PIN_PWM5 P0_4#define PIN_PWM6 P0_5#define PIN_PWM7 P0_6#define PIN_PWM8 P0_7#define PIN_PWM9 P1_0#define PIN_PWM10 P1_1#define PIN_PWM11 P1_2#define PIN_PWM12 P1_3/*4路繼電器控制電磁吸盤模塊*/#define SUCK1 P2_0#de

55、fine SUCK2 P2_1#define SUCK3 P2_2#define SUCK4 P2_3Void forward(unsigned char time0) unsigned char counth ,countl; Switch(time0)/ 0x498(-30 degree); / 0x729(30 degree); / 0x5dc(0 degree); / 0x1f4(-90 degree),0x9c4(90 degree); case 0: /控制吸力 counth=TH1; countl=TL1; if(counth=0x04&&countl>=0x98)/-30° P0=0xFC;/ PIN_PWM6 PIN_PWM12 ; P1=0xEA;/ PIN_PWM8 ; P2=0xF5;/ PIN_PWM2 ;if(counth=0x05&&countl&g