趙瑞林+盧慶林+張順星

收稿日期：2013-06-11

基金項(xiàng)目：陜西省教育廳2013年自然科學(xué)專項(xiàng)科學(xué)研究項(xiàng)目（2013JK1088）

作者簡(jiǎn)介：趙瑞林(1976—)，男，陜西寶雞人，副教授，碩士，研究方向：控制工程與控制理論。

文章編號(hào)：1003-6199(2014)02-0073-04

摘 要：教學(xué)型雙足機(jī)器人的研究制作是桌上型的重量很輕的作實(shí)驗(yàn)用的小型雙足步行機(jī)器人。研究舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制方法、框架的設(shè)計(jì)以及制作能通過(guò)伺服電機(jī)控制運(yùn)動(dòng)的一種經(jīng)濟(jì)型的雙足步行機(jī)器人。用單片機(jī)與CPLD控制伺服電機(jī)，通過(guò)預(yù)先給定機(jī)器人各個(gè)部位的運(yùn)動(dòng)軌跡，運(yùn)算確定好各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度及控制系統(tǒng)的控制算法，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的實(shí)際行走過(guò)程。

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關(guān)鍵詞：雙足機(jī)器人；控制系統(tǒng)；硬件結(jié)構(gòu)；電路設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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Bipedal Walking Robot Teachingoriented Structure and Control Circuit Design

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ZHAO Ruilin，LU Qinglin，ZHANG Shunxing

(College of Electrical Engineering,Shannxi Poletechnic Institute，Xianyang,Shannxi 712000,China)

Abstract:Teachingoriented research biped robot is made of very light weight desktops to experiment with a small bipedal walking robot. Studied the servo drive control method, the framework design and production of a servo motor control movement through an economical bipedal walking robot. MCU and CPLD control servo motor, given in advance through various parts of the robot trajectory calculation to determine a good rotation angle of each joint control algorithms and control systems in order to achieve the actual robot during walking.

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Key words:biped Robot；control systems；hardware structure；circuit design

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1 引 言

雙足步行是步行方式中自動(dòng)化程度最高、最為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。雙足步行系統(tǒng)具有非常豐富的動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)步行的環(huán)境要求很低，既能在平地上行走，也能在非結(jié)構(gòu)性的復(fù)雜地面上行走，對(duì)環(huán)境有很好的適應(yīng)性，與其它足式機(jī)器人相比，雙足機(jī)器人具有支撐面積小，支撐面的形狀隨時(shí)間變化較大，質(zhì)心的相對(duì)位置高的特點(diǎn)，是其中最復(fù)雜，控制難度最大的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。但由于雙足機(jī)器人比其它足式機(jī)器人具有更高的靈活性，因此具有自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，更適合在人類的生活或工作環(huán)境中與人類協(xié)同工作，而不需要專門為其對(duì)這些環(huán)境進(jìn)行大規(guī)模改造。

2 雙足步行機(jī)器人自由度的確定

雙足步行機(jī)器人的機(jī)構(gòu)是所有部件的載體，也是設(shè)計(jì)雙足步行機(jī)器人最基本的和首要的工作。它必須能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人的前后左右以及爬斜坡和上樓梯等的基本功能，因此自由度的配置必須合理:首先分析一下步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程(前向)和行走步驟:重心右移(先右腿支撐)、左腿抬起、左腿放下、重心移到雙腿中間、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心移到雙腿間，共分8個(gè)階段［1］。從機(jī)器人步行過(guò)程可以看出:機(jī)器人向前邁步時(shí)，髓關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)必須各自配置有一個(gè)俯仰自由度以配合實(shí)現(xiàn)支撐腿和上軀體的移動(dòng);要實(shí)現(xiàn)重心轉(zhuǎn)移，髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)自由度是必不可少的;機(jī)器人要達(dá)到目標(biāo)位置，有時(shí)必須進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，所以需要有髖關(guān)節(jié)上的轉(zhuǎn)體自由度。另外膝關(guān)節(jié)處配置一個(gè)俯仰自由度能夠調(diào)整擺動(dòng)腿的著地高度，使上下臺(tái)階成為可能，還能實(shí)現(xiàn)不同的步態(tài)。這樣最終決定髖關(guān)節(jié)配置3個(gè)自由度，包括轉(zhuǎn)體(roll)、俯仰(pitch)和偏轉(zhuǎn)(yaw)自由度，膝關(guān)節(jié)配置一個(gè)俯仰自由度，踝關(guān)節(jié)配置有俯仰和偏轉(zhuǎn)兩個(gè)自由度。這樣，每條腿配置6個(gè)自由度，兩條腿共12個(gè)自由度［2］。髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的俯仰自由度共同協(xié)調(diào)動(dòng)作可完成機(jī)器人的在縱向平面(前進(jìn)方向)內(nèi)的直線行走功能；髖關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)體自由度可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎功能；髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)自由度協(xié)調(diào)動(dòng)作可實(shí)現(xiàn)在橫向平面內(nèi)的重心轉(zhuǎn)移功能。機(jī)器人的轉(zhuǎn)體(roll)、俯仰(pitch)和偏轉(zhuǎn)(yaw)定義如圖1所示。其中，定義y軸方向?yàn)榍斑M(jìn)方向，z軸方向?yàn)闄C(jī)器人的身高方向［3］。

圖1 步行機(jī)器人方向示意圖

機(jī)器人的自由度配置如圖2所示。

圖2 自由度配置圖

3 動(dòng)力源的設(shè)計(jì)

目前市場(chǎng)上，有很多種電動(dòng)機(jī)向機(jī)器人提供能源：直流電機(jī)、交流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)。由于雙足步行機(jī)器人要求的精度要求比較高，而交直流電機(jī)通電就轉(zhuǎn)，斷電就停，比較難進(jìn)行機(jī)器人的位置控制；步進(jìn)電機(jī)雖能按一定的精度工作，但它本身是一個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，精度達(dá)不到要求。因此，本文選擇使用伺服電動(dòng)機(jī)。在本文中使用的是價(jià)格比較便宜的伺服電動(dòng)機(jī)——舵機(jī)。電動(dòng)舵機(jī)的工作原理如圖3所示。其中，舵機(jī)控制器一般采用PID控制，以滿足舵機(jī)動(dòng)靜態(tài)指標(biāo)要求；伺服功率放大器一般由脈沖寬度調(diào)制器(PWM)和開(kāi)關(guān)控制電路組成；直流伺服電機(jī)是電動(dòng)舵機(jī)的執(zhí)行元件，可采用有刷或無(wú)刷直流電機(jī)；減速機(jī)構(gòu)一般采用蝸輪蝸桿或絲缸減速機(jī)構(gòu)。

圖3 電動(dòng)舵機(jī)工作原理方框圖

由于本研究制作的機(jī)器人是桌上型的重量很輕的作實(shí)驗(yàn)用的小型雙足步行機(jī)器人。因此機(jī)器人的各關(guān)節(jié)也是選擇使用舵機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。此類電機(jī)的特點(diǎn)就是體積小、重量輕且控制簡(jiǎn)單，另外價(jià)格也較便宜。表1示出了電機(jī)的參數(shù)。步行機(jī)器人每條腿的自由度為6，各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)使用的是HG14-M的大力矩舵機(jī)。

表1 RC伺服電機(jī)的參數(shù)

型號(hào)

尺寸（cm3）

扭矩

空載速度

電壓

HG14-M

40.5×16.5×35

12.5kg.cm

0.15

5-10V

計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化2014年6月

第33卷第2期趙瑞林等：教學(xué)型雙足步行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及其控制電路設(shè)計(jì)

4 機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)本課題的要求，本文設(shè)計(jì)了機(jī)器人的機(jī)構(gòu)，其主要特點(diǎn)是布置對(duì)稱性。步行運(yùn)動(dòng)中普遍存在結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，Goldberg等人研究了步行運(yùn)動(dòng)中的對(duì)稱性，發(fā)現(xiàn)機(jī)身運(yùn)動(dòng)的對(duì)稱性和腿機(jī)構(gòu)的對(duì)稱性之間存在相互關(guān)系。在單足支撐階段對(duì)稱性的機(jī)身運(yùn)動(dòng)要求腿部機(jī)構(gòu)也是對(duì)稱的；在雙足支撐階段如圖4，機(jī)身對(duì)稱性運(yùn)動(dòng)未必需要腿部機(jī)構(gòu)的對(duì)稱性，除非有額外的約束條件。根據(jù)這點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)也采用對(duì)稱性布置。

圖4 雙足步行機(jī)器人雙腿模型圖

框架的設(shè)計(jì)有效的利用了RC伺服電機(jī)的尺寸大小，并使電機(jī)的活動(dòng)范圍能盡量符合各關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍。采用多關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。行走機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)平地前后行、平地側(cè)行、轉(zhuǎn)彎、上下臺(tái)階、爬斜坡等功能。整個(gè)結(jié)構(gòu)采用1mm的鋁合金(LY12)鈑金材料，這種材料重量輕、硬度高、強(qiáng)度雖不如鋼，但卻大大高于普通鋁合金。由于機(jī)器人的各關(guān)節(jié)是用RC伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為了減小機(jī)器人的體積、減輕重量，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)做成是框架型的?？蚣艿脑O(shè)計(jì)有效的利用了RC伺服電機(jī)的尺寸大小，并使電機(jī)的活動(dòng)范圍能盡量符合各關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍。

5 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

由于本機(jī)器人機(jī)構(gòu)采用了12個(gè)舵機(jī)，本控制系統(tǒng)就是要實(shí)現(xiàn)能同時(shí)驅(qū)動(dòng)這12個(gè)舵機(jī)的功能。舵機(jī)的控制信號(hào)為周期是20ms的脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)，其中脈沖寬度從0.5ms－2.5ms，相對(duì)應(yīng)舵盤的位置為0～180°，呈線性變化。也就是說(shuō)，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會(huì)保持在一個(gè)相對(duì)應(yīng)的角度上，無(wú)論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個(gè)另外寬度的脈沖信號(hào)，它才會(huì)改變輸出角度到新的對(duì)應(yīng)的位置上。舵機(jī)控制電路如圖5所示。本文采用一片51的單片機(jī)和一片復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)實(shí)現(xiàn)了PWM的產(chǎn)生。由于CPLD具有他特有的并行處理能力和大量的IO接口，可以同時(shí)控制幾十甚至上百個(gè)舵機(jī)同時(shí)工作，可以為后續(xù)的工作留出一定的空間，但由于CPLD不具備事務(wù)處理能力，實(shí)際應(yīng)用中還需要MCU協(xié)同工作，本文使用51系列的單片機(jī)和CPLD協(xié)同控制舵機(jī)，另外，使用了單片機(jī)，還可以為后續(xù)的傳感器反饋處理留出空間。

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圖5 舵機(jī)控制電路

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控制系統(tǒng)所圖6所示，選用“上位機(jī)+串口+下位機(jī)”的控制系統(tǒng)解決方案。上位機(jī)控制軟件的主要功能是對(duì)預(yù)定的機(jī)器人動(dòng)作進(jìn)行規(guī)劃和位置插補(bǔ)，再按照一定時(shí)間間隔和次序進(jìn)行發(fā)送給下位機(jī),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)位置和近似的速度控制;下位機(jī)主要功能是接收上位機(jī)發(fā)送的位置信號(hào)，根據(jù)信號(hào)要求產(chǎn)生PWM波，控制機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人按動(dòng)作規(guī)劃完成溜冰動(dòng)作。相應(yīng)的，下位機(jī)主要由完成串口通信、數(shù)據(jù)的調(diào)度和12個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成。

圖6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖7為CPLD的12路舵機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖，CPLD通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的接口與51單片機(jī)進(jìn)行通信，把要驅(qū)動(dòng)的12個(gè)舵機(jī)的PWM信號(hào)數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，從而通過(guò)數(shù)字PWM生成器驅(qū)動(dòng)12個(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)到需要的角度，當(dāng)需要轉(zhuǎn)換到下一個(gè)角度時(shí)，通過(guò)與51單片機(jī)的接口，從51單片機(jī)中傳送新的PWM信號(hào)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中進(jìn)行更新，這樣數(shù)字PWM生成器就會(huì)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)新的角度［4］。

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圖7 CPLD的12路舵機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖

6 硬件電路設(shè)計(jì)

圖8所示為控制系統(tǒng)的硬件電路板線路設(shè)計(jì)圖。為了避免舵機(jī)的供電電源產(chǎn)生的電壓波動(dòng)對(duì)控制電路的干擾，控制電路與舵機(jī)的電源要進(jìn)行隔離，即分開(kāi)供電?？刂齐娐冯娫词褂玫氖且粋€(gè)9V輸出的AC-DC變壓電源經(jīng)7805芯片后提供的5V電源，而舵機(jī)的電源提供了一個(gè)接口，外接一個(gè)6V的直流電源。

控制芯片模塊包括單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、外部程序存儲(chǔ)芯片擴(kuò)展以及大規(guī)模CPLD芯片。單片機(jī)采用Atmel公司的AT89S52，它是8位的高性能嵌入式控制器,其內(nèi)部集成了8k的可在線編程的Flash存儲(chǔ)器;256字節(jié)的RAM，可尋址64字節(jié)，具有32根I/O口、3個(gè)可編程定時(shí)器、8個(gè)中斷源、6個(gè)中斷矢量、1個(gè)看門狗定時(shí)器。時(shí)鐘電路給系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn),設(shè)計(jì)時(shí)采用11.05296MHz晶振。同時(shí)，本設(shè)計(jì)還擴(kuò)展了一片8k×8位的外部存儲(chǔ)芯片2864。CPLD芯片采用的是ALTERA公司的EPM7128。

串行通信模塊主要用于AT89S52單片機(jī)與PC機(jī)之間的串行通信。由于PC機(jī)的COM口符合RS-232標(biāo)準(zhǔn), AT89S52單片機(jī)上的串行接口是CMOS電平，在RS-232與CMOS電平通信時(shí),需要電平轉(zhuǎn)換，因此，設(shè)計(jì)時(shí)利用MAX232芯片來(lái)作電平轉(zhuǎn)換［5］。

12路舵機(jī)的控制信號(hào)來(lái)自CPLD芯片的I/O口(引腳30、31、33、34、35、36、37、39、40、41、44、45)。為了防止干擾，13路舵機(jī)控制信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)經(jīng)過(guò)TLP-521光電隔離，通過(guò)隔離出來(lái)的控制信號(hào)，還必須接入LM324比較器，以消除毛刺，增加信號(hào)的穩(wěn)定性，提高信號(hào)的輸出電流，以便舵機(jī)能夠正確工作不至于產(chǎn)生不必要的抖動(dòng)［6］。

圖8 機(jī)器人控制器線路圖

7 結(jié) 語(yǔ)

在本文中，探討了舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制方法、框架的設(shè)計(jì)以及制作了能通過(guò)伺服電機(jī)控制運(yùn)動(dòng)的一種經(jīng)濟(jì)型的雙足步行機(jī)器人。另外，實(shí)現(xiàn)了用單片機(jī)與CPLD控制12個(gè)伺服電機(jī)的設(shè)想。今后，將研討運(yùn)用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的原理，通過(guò)預(yù)先給定機(jī)器人各個(gè)部位的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)運(yùn)算確定好各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度然后通過(guò)控制系統(tǒng)得控制算法，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的實(shí)際行走過(guò)程。

參考文獻(xiàn)

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5 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

由于本機(jī)器人機(jī)構(gòu)采用了12個(gè)舵機(jī)，本控制系統(tǒng)就是要實(shí)現(xiàn)能同時(shí)驅(qū)動(dòng)這12個(gè)舵機(jī)的功能。舵機(jī)的控制信號(hào)為周期是20ms的脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)，其中脈沖寬度從0.5ms－2.5ms，相對(duì)應(yīng)舵盤的位置為0～180°，呈線性變化。也就是說(shuō)，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會(huì)保持在一個(gè)相對(duì)應(yīng)的角度上，無(wú)論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個(gè)另外寬度的脈沖信號(hào)，它才會(huì)改變輸出角度到新的對(duì)應(yīng)的位置上。舵機(jī)控制電路如圖5所示。本文采用一片51的單片機(jī)和一片復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)實(shí)現(xiàn)了PWM的產(chǎn)生。由于CPLD具有他特有的并行處理能力和大量的IO接口，可以同時(shí)控制幾十甚至上百個(gè)舵機(jī)同時(shí)工作，可以為后續(xù)的工作留出一定的空間，但由于CPLD不具備事務(wù)處理能力，實(shí)際應(yīng)用中還需要MCU協(xié)同工作，本文使用51系列的單片機(jī)和CPLD協(xié)同控制舵機(jī)，另外，使用了單片機(jī)，還可以為后續(xù)的傳感器反饋處理留出空間。

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圖5 舵機(jī)控制電路

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控制系統(tǒng)所圖6所示，選用“上位機(jī)+串口+下位機(jī)”的控制系統(tǒng)解決方案。上位機(jī)控制軟件的主要功能是對(duì)預(yù)定的機(jī)器人動(dòng)作進(jìn)行規(guī)劃和位置插補(bǔ)，再按照一定時(shí)間間隔和次序進(jìn)行發(fā)送給下位機(jī),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)位置和近似的速度控制;下位機(jī)主要功能是接收上位機(jī)發(fā)送的位置信號(hào)，根據(jù)信號(hào)要求產(chǎn)生PWM波，控制機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人按動(dòng)作規(guī)劃完成溜冰動(dòng)作。相應(yīng)的，下位機(jī)主要由完成串口通信、數(shù)據(jù)的調(diào)度和12個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成。

圖6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖7為CPLD的12路舵機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖，CPLD通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的接口與51單片機(jī)進(jìn)行通信，把要驅(qū)動(dòng)的12個(gè)舵機(jī)的PWM信號(hào)數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，從而通過(guò)數(shù)字PWM生成器驅(qū)動(dòng)12個(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)到需要的角度，當(dāng)需要轉(zhuǎn)換到下一個(gè)角度時(shí)，通過(guò)與51單片機(jī)的接口，從51單片機(jī)中傳送新的PWM信號(hào)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中進(jìn)行更新，這樣數(shù)字PWM生成器就會(huì)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)新的角度［4］。

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圖7 CPLD的12路舵機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖

6 硬件電路設(shè)計(jì)

圖8所示為控制系統(tǒng)的硬件電路板線路設(shè)計(jì)圖。為了避免舵機(jī)的供電電源產(chǎn)生的電壓波動(dòng)對(duì)控制電路的干擾，控制電路與舵機(jī)的電源要進(jìn)行隔離，即分開(kāi)供電?？刂齐娐冯娫词褂玫氖且粋€(gè)9V輸出的AC-DC變壓電源經(jīng)7805芯片后提供的5V電源，而舵機(jī)的電源提供了一個(gè)接口，外接一個(gè)6V的直流電源。

控制芯片模塊包括單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、外部程序存儲(chǔ)芯片擴(kuò)展以及大規(guī)模CPLD芯片。單片機(jī)采用Atmel公司的AT89S52，它是8位的高性能嵌入式控制器,其內(nèi)部集成了8k的可在線編程的Flash存儲(chǔ)器;256字節(jié)的RAM，可尋址64字節(jié)，具有32根I/O口、3個(gè)可編程定時(shí)器、8個(gè)中斷源、6個(gè)中斷矢量、1個(gè)看門狗定時(shí)器。時(shí)鐘電路給系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn),設(shè)計(jì)時(shí)采用11.05296MHz晶振。同時(shí)，本設(shè)計(jì)還擴(kuò)展了一片8k×8位的外部存儲(chǔ)芯片2864。CPLD芯片采用的是ALTERA公司的EPM7128。

串行通信模塊主要用于AT89S52單片機(jī)與PC機(jī)之間的串行通信。由于PC機(jī)的COM口符合RS-232標(biāo)準(zhǔn), AT89S52單片機(jī)上的串行接口是CMOS電平，在RS-232與CMOS電平通信時(shí),需要電平轉(zhuǎn)換，因此，設(shè)計(jì)時(shí)利用MAX232芯片來(lái)作電平轉(zhuǎn)換［5］。

12路舵機(jī)的控制信號(hào)來(lái)自CPLD芯片的I/O口(引腳30、31、33、34、35、36、37、39、40、41、44、45)。為了防止干擾，13路舵機(jī)控制信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)經(jīng)過(guò)TLP-521光電隔離，通過(guò)隔離出來(lái)的控制信號(hào)，還必須接入LM324比較器，以消除毛刺，增加信號(hào)的穩(wěn)定性，提高信號(hào)的輸出電流，以便舵機(jī)能夠正確工作不至于產(chǎn)生不必要的抖動(dòng)［6］。

圖8 機(jī)器人控制器線路圖

7 結(jié) 語(yǔ)

在本文中，探討了舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制方法、框架的設(shè)計(jì)以及制作了能通過(guò)伺服電機(jī)控制運(yùn)動(dòng)的一種經(jīng)濟(jì)型的雙足步行機(jī)器人。另外，實(shí)現(xiàn)了用單片機(jī)與CPLD控制12個(gè)伺服電機(jī)的設(shè)想。今后，將研討運(yùn)用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的原理，通過(guò)預(yù)先給定機(jī)器人各個(gè)部位的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)運(yùn)算確定好各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度然后通過(guò)控制系統(tǒng)得控制算法，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的實(shí)際行走過(guò)程。

參考文獻(xiàn)

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［6］ 曹小松,唐鴻儒,楊炯．移動(dòng)機(jī)器人多傳感器信息融合測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化儀表，2009，24(5)：4-8．

5 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

由于本機(jī)器人機(jī)構(gòu)采用了12個(gè)舵機(jī)，本控制系統(tǒng)就是要實(shí)現(xiàn)能同時(shí)驅(qū)動(dòng)這12個(gè)舵機(jī)的功能。舵機(jī)的控制信號(hào)為周期是20ms的脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)，其中脈沖寬度從0.5ms－2.5ms，相對(duì)應(yīng)舵盤的位置為0～180°，呈線性變化。也就是說(shuō)，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會(huì)保持在一個(gè)相對(duì)應(yīng)的角度上，無(wú)論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個(gè)另外寬度的脈沖信號(hào)，它才會(huì)改變輸出角度到新的對(duì)應(yīng)的位置上。舵機(jī)控制電路如圖5所示。本文采用一片51的單片機(jī)和一片復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)實(shí)現(xiàn)了PWM的產(chǎn)生。由于CPLD具有他特有的并行處理能力和大量的IO接口，可以同時(shí)控制幾十甚至上百個(gè)舵機(jī)同時(shí)工作，可以為后續(xù)的工作留出一定的空間，但由于CPLD不具備事務(wù)處理能力，實(shí)際應(yīng)用中還需要MCU協(xié)同工作，本文使用51系列的單片機(jī)和CPLD協(xié)同控制舵機(jī)，另外，使用了單片機(jī)，還可以為后續(xù)的傳感器反饋處理留出空間。



圖5 舵機(jī)控制電路



控制系統(tǒng)所圖6所示，選用“上位機(jī)+串口+下位機(jī)”的控制系統(tǒng)解決方案。上位機(jī)控制軟件的主要功能是對(duì)預(yù)定的機(jī)器人動(dòng)作進(jìn)行規(guī)劃和位置插補(bǔ)，再按照一定時(shí)間間隔和次序進(jìn)行發(fā)送給下位機(jī),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)位置和近似的速度控制;下位機(jī)主要功能是接收上位機(jī)發(fā)送的位置信號(hào)，根據(jù)信號(hào)要求產(chǎn)生PWM波，控制機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人按動(dòng)作規(guī)劃完成溜冰動(dòng)作。相應(yīng)的，下位機(jī)主要由完成串口通信、數(shù)據(jù)的調(diào)度和12個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成。

圖6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖7為CPLD的12路舵機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖，CPLD通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的接口與51單片機(jī)進(jìn)行通信，把要驅(qū)動(dòng)的12個(gè)舵機(jī)的PWM信號(hào)數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，從而通過(guò)數(shù)字PWM生成器驅(qū)動(dòng)12個(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)到需要的角度，當(dāng)需要轉(zhuǎn)換到下一個(gè)角度時(shí)，通過(guò)與51單片機(jī)的接口，從51單片機(jī)中傳送新的PWM信號(hào)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中進(jìn)行更新，這樣數(shù)字PWM生成器就會(huì)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)新的角度［4］。



圖7 CPLD的12路舵機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖

6 硬件電路設(shè)計(jì)

圖8所示為控制系統(tǒng)的硬件電路板線路設(shè)計(jì)圖。為了避免舵機(jī)的供電電源產(chǎn)生的電壓波動(dòng)對(duì)控制電路的干擾，控制電路與舵機(jī)的電源要進(jìn)行隔離，即分開(kāi)供電。控制電路電源使用的是一個(gè)9V輸出的AC-DC變壓電源經(jīng)7805芯片后提供的5V電源，而舵機(jī)的電源提供了一個(gè)接口，外接一個(gè)6V的直流電源。

控制芯片模塊包括單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、外部程序存儲(chǔ)芯片擴(kuò)展以及大規(guī)模CPLD芯片。單片機(jī)采用Atmel公司的AT89S52，它是8位的高性能嵌入式控制器,其內(nèi)部集成了8k的可在線編程的Flash存儲(chǔ)器;256字節(jié)的RAM，可尋址64字節(jié)，具有32根I/O口、3個(gè)可編程定時(shí)器、8個(gè)中斷源、6個(gè)中斷矢量、1個(gè)看門狗定時(shí)器。時(shí)鐘電路給系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn),設(shè)計(jì)時(shí)采用11.05296MHz晶振。同時(shí)，本設(shè)計(jì)還擴(kuò)展了一片8k×8位的外部存儲(chǔ)芯片2864。CPLD芯片采用的是ALTERA公司的EPM7128。

串行通信模塊主要用于AT89S52單片機(jī)與PC機(jī)之間的串行通信。由于PC機(jī)的COM口符合RS-232標(biāo)準(zhǔn), AT89S52單片機(jī)上的串行接口是CMOS電平，在RS-232與CMOS電平通信時(shí),需要電平轉(zhuǎn)換，因此，設(shè)計(jì)時(shí)利用MAX232芯片來(lái)作電平轉(zhuǎn)換［5］。

12路舵機(jī)的控制信號(hào)來(lái)自CPLD芯片的I/O口(引腳30、31、33、34、35、36、37、39、40、41、44、45)。為了防止干擾，13路舵機(jī)控制信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)經(jīng)過(guò)TLP-521光電隔離，通過(guò)隔離出來(lái)的控制信號(hào)，還必須接入LM324比較器，以消除毛刺，增加信號(hào)的穩(wěn)定性，提高信號(hào)的輸出電流，以便舵機(jī)能夠正確工作不至于產(chǎn)生不必要的抖動(dòng)［6］。

圖8 機(jī)器人控制器線路圖

7 結(jié) 語(yǔ)

在本文中，探討了舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制方法、框架的設(shè)計(jì)以及制作了能通過(guò)伺服電機(jī)控制運(yùn)動(dòng)的一種經(jīng)濟(jì)型的雙足步行機(jī)器人。另外，實(shí)現(xiàn)了用單片機(jī)與CPLD控制12個(gè)伺服電機(jī)的設(shè)想。今后，將研討運(yùn)用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的原理，通過(guò)預(yù)先給定機(jī)器人各個(gè)部位的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)運(yùn)算確定好各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度然后通過(guò)控制系統(tǒng)得控制算法，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的實(shí)際行走過(guò)程。

參考文獻(xiàn)

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［6］ 曹小松,唐鴻儒,楊炯．移動(dòng)機(jī)器人多傳感器信息融合測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化儀表，2009，24(5)：4-8．