基于單片機(jī)Biped型機(jī)器人設(shè)計及控制方法探究

1、基于單片機(jī)biped型機(jī)器人設(shè)計及控制方法探究摘要：本文在分析機(jī)器人運(yùn)動結(jié)構(gòu)與控制方法的基礎(chǔ)上， 將微型伺服電機(jī)應(yīng)用于機(jī)器人的運(yùn)動控制過程中，設(shè)計了一 種基于單片機(jī)控制的biped型機(jī)器人。重點(diǎn)介紹了該機(jī)器人 的整體方案、機(jī)械結(jié)構(gòu)、伺服電機(jī)及其控制系統(tǒng)的設(shè)計，并 通過后期實(shí)驗的測試，驗證了設(shè)計方案的可行性。關(guān)鍵詞：機(jī)器人；伺服電機(jī)；控制系統(tǒng)中圖分類號：tp23文獻(xiàn)標(biāo)識碼：b隨著機(jī)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(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

2、由度多和運(yùn)動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)定性對系統(tǒng)精度的影 響。同時，選用了 tr213高精度伺服電機(jī)，使機(jī)器人的運(yùn)動 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)動過程規(guī)劃等實(shí)驗驗證了系統(tǒng)的可行性，所設(shè) 計的機(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)計根據(jù)仿人機(jī)器人的行走、前進(jìn)、后退、重心

3、偏移和上下 樓梯等運(yùn)動過程要求，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)動系統(tǒng)等部分組成。由于人體為左右對稱結(jié)構(gòu)，為了達(dá)到仿人運(yùn)動的目的， biped型機(jī)器人也采用相同的對稱結(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 個階段。為了實(shí)現(xiàn)動作要求，機(jī)器人需要踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和 骯關(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(jī)器人在動作過程 中的重心穩(wěn)定；膝關(guān)節(jié)3、4和骯關(guān)節(jié)5、6通過配合轉(zhuǎn)動改 變

4、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)器人的動作要求；另外，雙足機(jī)器人各個 關(guān)節(jié)角的運(yùn)動范圍都大于人類各個關(guān)節(jié)角度的運(yùn)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(jī)的轉(zhuǎn)動控制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)動進(jìn)行驅(qū)動和控制，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，該脈沖寬度與電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)動角度，其驅(qū)動分 辨率達(dá)到lus,角度分辨率可達(dá)0.09。，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動 角度控制原理如圖2

5、所示。位于伺服電機(jī)內(nèi)部的齒輪組將電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度成大倍 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 輪組的末級一起轉(zhuǎn)動，測量舵機(jī)軸轉(zhuǎn)動角度；電路板檢測并 根據(jù)電位器判斷舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度，然后控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動到目標(biāo)角 度或保持在目標(biāo)角度，其內(nèi)部電路如圖3所示。pwm信號進(jìn)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(zhǔn)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(jù)展寬后的脈沖信號驅(qū)動伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動，在此過程 中，伺服電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)動到指定位置后停止 轉(zhuǎn)動。另

6、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信號給電機(jī)驅(qū)動電路bal6686以驅(qū)動伺服電機(jī)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(jī)產(chǎn)生一個反向電動勢，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信號來實(shí)現(xiàn)。由555定時器組成的振蕩器 作為時間基準(zhǔn)信號，通過對其產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)來產(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

7、 經(jīng)過整形處理，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的pwm脈寬調(diào)制信號，以提高機(jī)器 人動作的精度和穩(wěn)定性。同時，stc89c52單片機(jī)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(jī)進(jìn)行通信來完成對多路伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動的控 制。4驅(qū)動系統(tǒng)為了使biped型機(jī)器人具有足夠的驅(qū)動能力，在設(shè)計中 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)其空載時電 流很小，可以忽略不計，但當(dāng)其動態(tài)負(fù)荷扭矩達(dá)到最大時驅(qū) 動電流可達(dá)2a,但由于biped型機(jī)器人的6個自由度一般不 會全部同時工作在最大負(fù)荷狀態(tài)下，根據(jù)測試表明，在正常 情況下每個伺服電機(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)動要求。伺服 電機(jī)控制電路與伺服電機(jī)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(jī)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(shí)驗表明，所設(shè)計的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)定性對機(jī)器人運(yùn)動過程造 成的影響，為仿人機(jī)器人的開發(fā)和設(shè)計提供了一種比