何新強(qiáng),王宇俊,譚興軍

(西南大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院,重慶 400715)

偏心圓腿六足機(jī)器人控制電路設(shè)計(jì)

何新強(qiáng),王宇俊,譚興軍

(西南大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院,重慶 400715)

介紹了偏心圓腿六足機(jī)器人的控制電路設(shè)計(jì),該電路采用模塊化設(shè)計(jì)方法.控制電路分別由MCU核心電路、電源電路、紅外接收與解碼電路、信號(hào)采集電路和驅(qū)動(dòng)控制電路共5個(gè)部分組成,其中MCU作為可編程核心器件控制整個(gè)系統(tǒng)工作.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該控制電路能滿足偏心圓腿六足機(jī)器人的控制需要,從而保證了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性,為后繼的研究奠定了基礎(chǔ).

偏心圓腿六足機(jī)器人;模塊化設(shè)計(jì);MCU;紅外接收與解碼;信號(hào)采集;驅(qū)動(dòng)控制

0 引言

目前,用于人類不宜、不便或不能進(jìn)入的地域進(jìn)行獨(dú)立探測(cè)的機(jī)器人主要分3種:由輪子驅(qū)動(dòng)的輪式機(jī)器人、安裝履帶的履帶式機(jī)器人,以及基于仿生學(xué)的足式機(jī)器人[1].其中多足式機(jī)器人地面適應(yīng)性最好、可靠性較高、控制難度也較低.因此,多足機(jī)器人可廣泛應(yīng)用于野外偵察、災(zāi)難救援、核能工業(yè)、星球探測(cè)、水下探測(cè)等領(lǐng)域.

在各類多足機(jī)器人中,模仿六足綱昆蟲(chóng)的肢體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)控制策略而創(chuàng)造出的六足機(jī)器人是最容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行走的一種.六足機(jī)器人與兩足、四足機(jī)器人相比,具有控制難度小、地表適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、肢體冗余等特點(diǎn),這些特點(diǎn)使得六足機(jī)器人更能勝任野外偵查、水下搜尋以及太空探測(cè)等復(fù)雜地形環(huán)境中對(duì)獨(dú)立性、可靠性要求較高的工作.

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外對(duì)六足機(jī)器人進(jìn)行了廣泛的研究與應(yīng)用,美、日、德等發(fā)達(dá)國(guó)家從20世紀(jì)80年代就開(kāi)始大規(guī)模投入六足機(jī)器人的研發(fā).其中具有代表性的包括iRobot公司研制的Genghis、麻省理工學(xué)院研制的Attila、密歇根大學(xué)研制的Rhex.國(guó)內(nèi)關(guān)注和研制仿生六足機(jī)器人的研究者也越來(lái)越多,主要作品有沈陽(yáng)自動(dòng)化所研制的LR-1型六足步行機(jī)器人、北京理工大學(xué)研制的仿生六足爬行機(jī)器人和西南大學(xué)研制的ELHR系列.對(duì)于所有六足機(jī)器人的研究者來(lái)說(shuō),控制系統(tǒng)一直都是研究與設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容,不管提出的是何種類型的行走機(jī)構(gòu)與步態(tài)原理,研究者都必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)去實(shí)現(xiàn).而控制電路又是控制系統(tǒng)的物理實(shí)現(xiàn),是一切控制策略與算法實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)與平臺(tái),一定程度上控制電路決定了控制系統(tǒng)的功能性、穩(wěn)定性與實(shí)用性.

本文針對(duì)一種偏心圓腿結(jié)構(gòu)的六足機(jī)器人控制電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和討論.該控制電路采用模塊化設(shè)計(jì),降低了電路復(fù)雜度,保證了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性.電路選用目前已被廣泛使用、可靠性和穩(wěn)定性得到充分認(rèn)可,并在制作成本上也占優(yōu)勢(shì)的元器件.

1 偏心圓腿六足機(jī)器人概述

偏心圓腿六足機(jī)器人由遙控器與機(jī)器人構(gòu)成,通過(guò)遙控可控制機(jī)器人前行、后退和左右轉(zhuǎn)向.該機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)采用偏心圓結(jié)構(gòu),共有6條相同的偏心圓腿,分別由6個(gè)相同的直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng).機(jī)器人行走采用經(jīng)典的三角步態(tài),控制電路控制6條腿協(xié)同工作完成步態(tài)算法.該機(jī)器人的特點(diǎn)是:機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)稱簡(jiǎn)潔,可靠性高,穩(wěn)定性好;偏心圓腿比傳統(tǒng)桿狀腿柔性好、地面適應(yīng)性更強(qiáng),不僅適合平整硬質(zhì)地面,草地、沙灘、碎石等地面都能行走;越障能力強(qiáng),該機(jī)器人高112 mm,即能輕松越過(guò)70 mm的障礙物.

2 控制電路設(shè)計(jì)

2.1 控制電路總體框架

該偏心圓腿六足機(jī)器人控制電路采用模塊化設(shè)計(jì),降低了電路復(fù)雜度,保證了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性.如圖1所示,該控制電路由MCU核心電路、電源電路、紅外接收與解碼電路、信號(hào)采集電路和驅(qū)動(dòng)控制電路5個(gè)模塊組成.

控制電路的控制過(guò)程如下:機(jī)器人啟動(dòng)后自動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)初始化與腿的復(fù)位操作,包括電路自檢、中斷設(shè)置、各條腿與光電編碼器性能測(cè)試,并使所有腿立于地面將任意放置的機(jī)器人機(jī)身支撐起來(lái).復(fù)位操作完成后MCU開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)紅外通信接收與解碼電路傳來(lái)的遙控指令.若接收到遙控指令則執(zhí)行該指令所對(duì)應(yīng)的控制程序,否則繼續(xù)監(jiān)聽(tīng).當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到前進(jìn)的指令后,MCU即執(zhí)行前進(jìn)算法控制程序:通過(guò)分析采集的光電編碼信號(hào)判斷各條腿當(dāng)前所處的位置并調(diào)整到正確的位置.通過(guò)P3.2輸出高電平接通驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電源,根據(jù)算法通過(guò)P0口和P2口相關(guān)的引腳輸出PWM信號(hào)來(lái)控制各條腿旋轉(zhuǎn)從而驅(qū)動(dòng)機(jī)器人機(jī)身前進(jìn),同時(shí)通過(guò)光電編碼信號(hào)進(jìn)行反饋.當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到新的指令后MCU立即執(zhí)行新指令對(duì)應(yīng)的算法程序,當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到停止指令后MCU在保證機(jī)身處于支撐起的狀態(tài)下切斷所有控制端的PWM信號(hào),并通過(guò)P3.2輸出高電平切斷驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電源.

圖1 控制電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block d iagram of control circuit

2.2 MCU核心電路

MCU選擇AT MEL公司的AT89S52型單片機(jī).MCS51系列單片在國(guó)內(nèi)被廣泛使用,而AT89S52又是性價(jià)比最高,使用最多的型號(hào)之一.AT89S52最高工作頻率33MHz,該電路中為12MHz.它不僅提供8 KB片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器,256 Byte的片內(nèi)RAM,32個(gè)可編程I/O口,2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器,5×2級(jí)中斷機(jī)構(gòu)和一個(gè)全雙工可編程串行UART通道,支持在線可編程,還支持低功耗空閑和掉電模式,這些特點(diǎn)很好地滿足了該控制電路信號(hào)采集與驅(qū)動(dòng)控制的要求[2].

圖2 MCU核心電路Fig.2 MCU core circuit

如圖2所示的MCU核心電路中單片機(jī)采用按鍵復(fù)位,將P0口接上了上拉電阻以便P0口作為通用輸入輸出端口使用.雖然AT89S52內(nèi)部集成了256 Byte的片內(nèi)RAM,但系統(tǒng)涉及數(shù)據(jù)采集,需要更大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間.我們使用AT24C02為MCU提供了額外的256 Byte數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間以滿足系統(tǒng)需要.此外,為了方便程序的下載和在線調(diào)試,該電路將單片機(jī)ISP接口引出.

2.3 電源電路

由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用12 V直流減速電機(jī),控制電路使用TTL電平,因此系統(tǒng)需要12 V和5 V2種電源.該系統(tǒng)采用12 V電池組供電,并通過(guò)LM7805將12 V轉(zhuǎn)換成5 V給控制電路供電(圖3).LM7805是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司(National Semiconductor)推出的一款三端穩(wěn)壓電路.LM78××系列是一種降壓式正電壓輸出穩(wěn)壓器,采用TO-220封裝,內(nèi)置熱過(guò)載保護(hù)和短路保護(hù)電路,它們的外形酷似三極管,3只引腳分別為輸入、接地和輸出[3].LM7805的輸入電壓為5～35 V,但要獲得5 V的輸出至少需要2 V的壓差,一般使用時(shí)采用7～20 V輸入電源較佳.LM7805的輸出電壓+5 V,最大輸出電流1.5 A,當(dāng)需要更大輸出電流時(shí)可以將多片LM7805并聯(lián)使用或增加更有效的散熱片.

2.4 紅外接收與解碼電路

偏心圓腿六足機(jī)器人是移動(dòng)機(jī)器人,其正常工作時(shí)會(huì)在地面爬行,其身體重心呈正弦型波動(dòng).因此,若要對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,最好的辦法是通過(guò)遙控控制.根據(jù)機(jī)器人自身特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合,我們選擇紅外遙控對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)控制.紅外發(fā)射端使用普通家電遙控器,編碼格式為NEC Code重復(fù)脈沖格式;紅外接收端使用S M0038一體化接收頭接收紅外信號(hào),AT89S51單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)解碼,并通過(guò)一對(duì)數(shù)碼管顯示解碼結(jié)果以方便測(cè)試和調(diào)試.

圖3 電源電路Fig.3 Power circuit

S M0038是一個(gè)小功率一體化紅外接收器件,電路內(nèi)置P IN二極管、前置放大器、帶通濾波器、積分器和自動(dòng)增益控制電路,采用防電場(chǎng)干擾設(shè)計(jì)和塑料封裝[3].S M0038的輸出電平與TTL和CMOS兼容,且適用于包括NEC Code重復(fù)脈沖在內(nèi)的多種數(shù)據(jù)格式.如圖4所示,S M0038僅有3只引腳,從左到右依次為輸出端、VCC和GND.圖中的R1為單片機(jī)P0.0的上拉電阻,R2和C11組成的濾波電路用來(lái)抑制電源干擾.

圖4 紅外接收與解碼電路Fig.4 IR receiver and decod ing circuit

2.5 信號(hào)采集電路

偏心圓腿六足機(jī)器人共有6條腿,每條腿都由1個(gè)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng),6條腿協(xié)同工作以完成相應(yīng)的步態(tài)最終達(dá)到行走的功能.要精確控制這6條腿協(xié)同工作就必須獲得每條腿的實(shí)時(shí)狀態(tài),即檢測(cè)每條腿轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和轉(zhuǎn)過(guò)的角度.由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)不帶有編碼器,因此為每條腿都制作了一套紅外光電編碼器.每套編碼器都由碼盤、紅外收發(fā)對(duì)管和信號(hào)放大轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成,圖5所示的信號(hào)采集電路中包括了后兩者.

其中的碼盤是將一個(gè)圓均分成多個(gè)扇形,并涂成黑白相間的顏色.當(dāng)紅外線照射到白色部分時(shí)大部分會(huì)被反射回來(lái),而照射到黑色部分時(shí)大部分被吸收,只有很少一部分能被反射回來(lái).將碼盤固定在機(jī)器人腿上并與腿的軸心同心,這樣碼盤的轉(zhuǎn)動(dòng)狀況與腿的轉(zhuǎn)動(dòng)狀況就能保持一致,只要檢測(cè)碼盤就能知道腿的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài).其中的紅外收發(fā)對(duì)管選用RPR220.RPR220是一種一體化反射型光電探測(cè)器.其發(fā)射器是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管,而接收器是一個(gè)高靈敏度的硅平面光電三極管.其特點(diǎn)是自帶塑料透鏡以提高靈敏度,內(nèi)置可見(jiàn)光過(guò)濾器以減小離散光的影響,體積小、結(jié)構(gòu)緊湊且采用D IP4封裝.將RPR220固定在機(jī)器人側(cè)面正對(duì)著碼盤,當(dāng)碼盤旋轉(zhuǎn)到白色部分時(shí)便能輸出一個(gè)脈沖.

由于作為MCU的AT89S52單片機(jī)采用TTL電平,而RPR220輸出的信號(hào)很微弱且不是標(biāo)準(zhǔn)的方波,不能直接提供給MCU使用[4].因此,我們?cè)谒鼈冎虚g加入了一個(gè)信號(hào)放大轉(zhuǎn)換電路,將RPR220輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)TTL電平方波輸出.如圖5所示,其中的放大轉(zhuǎn)換功能由LM339完成.雖然LM339并不是放大器而是電壓比較器,但它有如下功能特性:當(dāng)同相輸入端電壓高于反相輸入端時(shí),輸出管截止,相當(dāng)于輸出端開(kāi)路;當(dāng)同相輸入端電壓低于反相輸入端時(shí),輸出管飽和,相當(dāng)于輸出端接低電位;只要2個(gè)輸入端電壓差別大于10 mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài).因此,把LM339用在RPR220輸出的弱電信號(hào)檢測(cè)上是可行的.每片LM339包含了4個(gè)獨(dú)立電壓比較器,機(jī)器人只需要6個(gè)電壓比較器,因此只需2片LM339即可.

圖5中同相輸入端為參考電壓,反相輸入端為比較電壓.當(dāng)碼盤旋轉(zhuǎn)到黑色部分時(shí),RPR220的光電三極管處于截止?fàn)顟B(tài),LM339的反相輸入端(圖中為6腳)電壓為VCC,大于同相輸入端(圖中為7腳)電壓,輸出端電壓為GND;當(dāng)碼盤旋轉(zhuǎn)到白色部分時(shí),RPR220的光電三極管處于飽和狀態(tài), LM339的反相輸入端電壓為UCE,小于同相輸入端電壓,輸出端電壓為VCC.輸出端需接一個(gè)上拉電阻才能輸出VCC電壓,并聯(lián)一個(gè)LED顯示輸出狀態(tài)以便測(cè)試和調(diào)試.由于RPR220的輸出狀態(tài)受與碼盤間距離、碼盤材質(zhì)等因素影響,因此LM339同相輸入端可以通過(guò)一個(gè)可變電阻器進(jìn)行調(diào)節(jié).

圖5 信號(hào)采集電路Fig.5 Signal acquisition circuit

2.6 驅(qū)動(dòng)控制電路

偏心圓腿六足機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制電路由2部分組成,即驅(qū)動(dòng)電源控制電路和驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制電路.為了保證系統(tǒng)的可靠性, MCU需要能控制驅(qū)動(dòng)電源VS.圖6所示為驅(qū)動(dòng)電源控制電路,該電路中通過(guò)一個(gè)常閉型電磁式繼電器來(lái)控制VS.當(dāng)MCU的P3.2腳置0時(shí)Q1截止,VS斷開(kāi),當(dāng)P3.2腳置1時(shí)Q1飽和,VS導(dǎo)通.輸出的VS作為L(zhǎng)298N的VS輸入,并聯(lián)的2個(gè)電容用以抑制電源抖動(dòng).

偏心圓腿六足機(jī)器人共有6個(gè)直流減速電機(jī),采用3片意法半導(dǎo)體公司(ST Microelectronics)的L298N作為驅(qū)動(dòng)控制器[5]. L298N是一種恒壓恒流橋式驅(qū)動(dòng)芯片,內(nèi)部包含2個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)電路,可以獨(dú)立驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流電機(jī)或1個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī).其輸出電壓可達(dá)46 V,輸出電流最高達(dá)2.5 A.如圖7所示為驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)的控制電路,VS接12 V驅(qū)動(dòng)電源,VCC接5 V邏輯電源.其中OUT1和OUT2為第1個(gè)H橋電路的2個(gè)輸出, IN1、 IN2、ENA為其控制信號(hào)的輸入端.當(dāng)ENA有效時(shí)第1個(gè)H橋電路使能,此時(shí)若 IN1為高電平 IN2為低電平則電流經(jīng)OUT1流出電機(jī)M1正向旋轉(zhuǎn),若IN1為低電平 IN2為高電平則電流經(jīng)OUT2流出電機(jī)M1反向旋轉(zhuǎn).OUT3和OUT4為第2個(gè)H橋電路的2個(gè)輸出, IN3、 IN4、ENB對(duì)其控制.為了節(jié)省引腳資源,將該電路的使能端ENA、ENB直接接VCC,通過(guò)對(duì) IN1～ IN4輸入PWM信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的方向與速度.

圖6 驅(qū)動(dòng)電源控制電路Fig.6 Drive power control circuit

雖然L298N的各控制端可直接與單片機(jī)引腳相連,但為了保證系統(tǒng)的可靠性我們將該信號(hào)進(jìn)行了光電隔離,以避免驅(qū)動(dòng)電流的波動(dòng)對(duì)控制電路其他部分造成影響.TLP521是東芝公司生產(chǎn)的光電耦合器,性能較好,使用也比較廣泛.TLP521-4內(nèi)部有4組相互獨(dú)立的光電耦合器,剛好可供1片L298N的控制端輸入.

3 實(shí)驗(yàn)與分析

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,本控制電路在實(shí)驗(yàn)用偏心圓腿六足機(jī)器人上得到很好效果,能夠很好地使偏心圓腿六足機(jī)器人完成直行前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)向、越障等步態(tài)控制.但作為MCU的AT89S52單片機(jī)功能非常有限,工作頻率低,不能裝載多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng);自制的光電編碼器精確度和穩(wěn)定性不是太理想.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所述偏心圓腿六足機(jī)器人控制電路采用模塊化設(shè)計(jì),分別由MCU核心電路、電源電路、紅外接收與解碼電路、信號(hào)采集電路和驅(qū)動(dòng)控制電路5個(gè)部分組成,其中MCU作為可編程核心器件控制整個(gè)系統(tǒng)工作.該電路與其他有關(guān)電路相比降低了電路復(fù)雜性,在成本上也比較低.該控制電路用于原理機(jī)進(jìn)行行走機(jī)構(gòu)的原理驗(yàn)證和步態(tài)算法的正確性檢測(cè),但對(duì)于有實(shí)際用途的機(jī)器人來(lái)說(shuō)還有很大的距離.當(dāng)然,筆者目前正著力于新一代更有實(shí)用性質(zhì)的六足機(jī)器人的研制,在控制電路的設(shè)計(jì)方面將會(huì)采用功能更強(qiáng)大、檔次更高的設(shè)備和元器.希望偏心圓腿六足機(jī)器人能早日投入使用.

圖7 驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制電路Fig.7 Drive motor control circuit

[1] 儲(chǔ)忠.六足仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)步態(tài)研究[D].安徽:合肥工業(yè)大學(xué),2007:3-5.

[2] 陳繼榮.智能電子創(chuàng)新制作——機(jī)器人制作入門[M].北京:科學(xué)出版社,2007:158.

[3] 譚興軍,王宇俊,何新強(qiáng).基于單片機(jī)的管道機(jī)器人多路數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2010,23(11):23-26.

[4] SARANL IU,BUEHLERM,KOD ITSCHEKD E.RHex:A simple and highlymobile robot[J].InternationalJournalofRoboticsResearch,2001, 20(7):616-631.

[5] 王倩.六足仿生機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃與控制系統(tǒng)研制[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2007:1-3.

Design of Control Circuit of Eccentric-Type Legged Hexapod Robot

HE Xin-qiang,WANG Yu-jun,TAN Xing-jun

(College of Com puter and Infor m ation Science,Southwest University,Chongqing400715,China)

Introduces the design of control circuit of an Eccentric-Type Legged Hexapod Robot,which is used of modular design method.The control circuit is made up ofMCU core circuit,power circuit,infrared receiver and decoding circuitry,signal acquisition circuit and drive control circuit,totally 5 parts,of which MCU controls the entire system work as a programmable core of device.Exper iments show that the control circuit canmeet the Eccentric-Type Legged Hexapod Robot’s control need,which can ensure system reliability,stability and scalability,as the basis for subsequent research.

eccentric-type legged hexapod robot;modular design;MCU;infrared receiver and decoder;signal acquisition;drive control

TP242.6

A

1007-0834(2011)01-0036-05

10.3969/j.issn.1007-0834.2011.01.012

2011-01-05

何新強(qiáng)(1976—),男,河南漯河人,西南大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院在讀碩士研究生.