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控制機(jī)器人行走設(shè)計(jì)
摘 要
本課題選用輪式作為機(jī)器人平臺(tái)設(shè)計(jì)研究，通過特殊的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，僅通過兩個(gè)電機(jī)的控制即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的全方位運(yùn)動(dòng)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆裝方便，易于實(shí)現(xiàn)輕型化。其結(jié)構(gòu)用空心管將兩輪聯(lián)接成“工”字形狀，兩輪軸心處各有一內(nèi)置步進(jìn)電機(jī)，控制車輪的正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人全方位的行走。在兩輪的內(nèi)側(cè)各有一個(gè)掛籃與空心管固定為一體，掛籃內(nèi)裝有蓄電池塊，既可作為動(dòng)力源，還可以當(dāng)作配重塊。掛籃與空心管通過螺絲聯(lián)接成一體，方便拆卸。在空心管的中端有一攝像頭，用于觀察反饋現(xiàn)場(chǎng)情況。通過遙控控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，可輕松實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)，后退，及原地轉(zhuǎn)向。掛籃底部裝有蓄電池塊，能夠起到偏重塊作用，保證了輪式機(jī)器人的在平路或斜坡上都能夠保持靜止?fàn)顟B(tài)。該機(jī)構(gòu)采用了一種全新、高效的內(nèi)驅(qū)動(dòng)方式，通過遙控電機(jī)的轉(zhuǎn)向，雙輪機(jī)器人能自如地完成直線、圓弧運(yùn)動(dòng)，最高運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了5m/s，能夠爬上30度的斜坡，并且能夠?qū)崿F(xiàn)原地自轉(zhuǎn)。在靜止?fàn)顟B(tài)下輪式機(jī)器人能夠沿任意方向啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)時(shí)特意采用弧形空心管，大大提高了機(jī)器人的底盤，使得該機(jī)器人行走可以直接通過障礙物，具有良好的過障礙能力，這在條件惡劣的道路上行走尤其重要。該輪式機(jī)器人在國(guó)內(nèi)外還處于剛剛起步階段，其前景廣闊，適用性較廣，在教學(xué)、科研、野外作業(yè)、民用運(yùn)輸方面有著廣泛的應(yīng)用前景，在反恐及其它尖端領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞： 超輕型機(jī)器人 輪式 平臺(tái)設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)
the type platform of light robot
This lesson all-directions sport for control for choosing using a type be used as the robot platform the design the research, passing the design of special sport organization, only passing two electrical engineerings can immediately realizing robot, and the construction is simple, and the pack convenient, apt to realize the light Its construction take care of to connect two s with hollow arc-shaped “ work" word shape, two axle hearts are each to have a the inside place an into the electrical engineering, control felloe positive and negative turn, realize the robot the all-directions to run about. In two rounds of seamy sides each reach a hang the basket to fix to integral whole with hollow tube, and hang an inside to pack to have the storage battery piece, since can be used as the motive , and can still regard as the heavy piece of Hang the basket to pass the screw with hollow tube to connect the integral whole, convenient unload. In the hollow tube of inside carry to have a the resemble the head, and used for to observe the circumstance of vera the spot. Pass to control from a distance to control the turning of electrical engineering the direction, relaxed realize the robot's headway, retreat, and originally turn direction. Hang a bottom to pack to have the storage battery piece, and can rise to over-emphasize a function, and guarantee the round the type robot on the even road or slope to can keep the static appearance. The inside that that organization adopted is an all new, efficiently move the way, and pass the turning of remote control electrical engineering the direction, double the slope for round robot can from if ground completing the straight line, arc the sport, tallest sport the speed come to 5 m/ s, can climbing ascending 30 degrees, and can realize to originally rotate. Under the quiet appearance round type robot can along arbitrarily the direction start the sport. |Design hour the adopt the hollow tube of arc-shaped, and consumedly increased the robot's bed rocked, and the making that robot to run about can directly pass the stumbling block, and have the good the obstacle ability, and this is the bad road in the term to up north route to walk particularly important. This type robot at domestic and international still be placed in just the start stage, its foreground is vast, applicability than wide, in the teaching, section , open country the homework, public conveyance aspect have got the extensive and applied foreground, and fear in the anti and the other and sophisticated realm have important of the application is worth a.
Key word: the type platform of light robot round design the application Stepper motor
目錄
摘 要 1
1 緒 論 1
1.1 課題研究目的 1
1.2 課題研究意義 2
1.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.3.1．國(guó)內(nèi)輕型機(jī)器人研究現(xiàn)狀 2
1.3.2．國(guó)外輕型機(jī)器人研究成果 5
2 課題方案設(shè)計(jì) 10
2．1步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 11
2．1．１步進(jìn)電機(jī)具有如下特點(diǎn)： 11
2．1．2步進(jìn)電機(jī)主要參數(shù)及性能指標(biāo) 12
2．2 設(shè)計(jì)方案 12
2．3 受力分析 13
2．4 設(shè)計(jì)校核 15
3 功能實(shí)現(xiàn) 18
3.1 機(jī)器人的各項(xiàng)參數(shù) 18
3.2 機(jī)器人的功能 19
3.3 遙控控制功能的實(shí)現(xiàn) 21
3．3．1控制器單元的選型 22
3．3．2單片機(jī)的確定 23
3．3．3 單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路 27
3．3．4 兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制電路 28
3．3．4 主控制電路圖 29
4 結(jié) 論 30
32
中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)
1 緒 論
1.1 課題研究目的
在當(dāng)今世界機(jī)器人已經(jīng)越來越廣泛的進(jìn)入人類的生活，在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)都有著機(jī)器人的利用，如機(jī)械制造，車輛運(yùn)用，冶金，醫(yī)療等等行業(yè)。在軍事上，隨著機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，世界各軍事大國(guó)也在加緊對(duì)軍用機(jī)器人的開發(fā)，應(yīng)用。其主要的發(fā)展方向就是遠(yuǎn)程遙控機(jī)器人的研制和應(yīng)用。遙控車輛是軍用地面無人車輛的起始發(fā)展階段，其研制時(shí)間長(zhǎng)，技術(shù)較為成熟，目前許多國(guó)家的部隊(duì)中都裝備有各種不同的遙控車輛。
遙控車輛是初級(jí)的不具備智能的無人車輛，它由遠(yuǎn)程受控車輛(以下簡(jiǎn)稱遠(yuǎn)程車輛)和控制臺(tái)(單元)組成。操縱者操縱控制臺(tái)(單元)發(fā)出各種指令，經(jīng)通信連接傳送至遠(yuǎn)程車輛，由遠(yuǎn)程車輛上的各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行各種指令，實(shí)現(xiàn)操縱者的控制要求。采用遙控形式的地面車輛(機(jī)器人)誕生于二戰(zhàn)時(shí)期。由于能承擔(dān)排除地雷和爆炸物、清障、三防偵察以及開辟通道等各種高危工作,世界各國(guó)從上世紀(jì)70年代末紛紛開始了遙控車輛的研制工作。
遙控車輛的操作員一般通過無線電向車輛及其任務(wù)系統(tǒng)發(fā)出大部分指令和派遣任務(wù)。對(duì)于車輛所處的環(huán)境、活動(dòng)狀態(tài)等信息，則主要靠各種傳感器來獲得。遠(yuǎn)程車輛沒有地形分析能力，也不能進(jìn)行軍事機(jī)動(dòng)，更不能接收其它來源的信息，其所有認(rèn)知過程都由操作員負(fù)責(zé)。遠(yuǎn)程車輛可完成探雷、排雷、爆破、爆炸物處理、未爆物排除、物資處理及單兵偵察與監(jiān)視等任務(wù)。
經(jīng)過初期的可行性研究，遙控車輛的研究集中于標(biāo)準(zhǔn)遙控系統(tǒng)的建立。標(biāo)準(zhǔn)遙控系統(tǒng)包括體系結(jié)構(gòu)的定義及各功能模塊的研制，目標(biāo)是不依賴于具體的車輛平臺(tái)、任務(wù)以及執(zhí)行硬件，而能夠根據(jù)需要快速實(shí)現(xiàn)車輛的遙控化。美國(guó)在波黑戰(zhàn)爭(zhēng)中就利用標(biāo)準(zhǔn)遙控系統(tǒng)快速地研制了Panther遙控掃雷車(在M60坦克底盤的基礎(chǔ)上)以及Mini flail小型掃雷車。
遙控機(jī)器人車輛是較低級(jí)的機(jī)器人系統(tǒng)，必須由操作者進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制，在目前的技術(shù)水平條件下，這種車輛的研制易獲成功，周期短，費(fèi)用低。
我所進(jìn)行的設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)出一雙輪式的遠(yuǎn)程控制機(jī)器人，以實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)程的無人偵查任務(wù)，減少人員，經(jīng)濟(jì)的損失。并通過這次設(shè)計(jì)檢驗(yàn)自己在機(jī)械設(shè)計(jì)這一專業(yè)類所學(xué)知識(shí)的掌握情況，并進(jìn)一步的查漏補(bǔ)缺，完算自己的知識(shí)體系，為以后的工作生活打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
1.2 課題研究意義
研制機(jī)器人的最初目的是為了幫助人們擺脫繁重勞動(dòng)或簡(jiǎn)單的重復(fù)勞動(dòng)，以及替代人到有輻射等危險(xiǎn)環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)，因此機(jī)器人最早在汽車制造業(yè)和核工業(yè)領(lǐng)域得以應(yīng)用。隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域、軍事、海洋探測(cè)、航天、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、林業(yè)也都開始使用機(jī)器人。
本課題選用輪式作為機(jī)器人平臺(tái)設(shè)計(jì)研究，兩輪式機(jī)器人在國(guó)內(nèi)外還處于剛剛起步階段，其前景廣闊，適用性較廣，在教學(xué)、科研、野外作業(yè)、民用運(yùn)輸方面有著廣泛的應(yīng)用前景，在反恐及其它尖端領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用價(jià)值。已經(jīng)初步做出了簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，解決了輪式機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)難題。
該輪式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)響應(yīng)迅速，具有高機(jī)動(dòng)的零半徑轉(zhuǎn)向能力，并且在運(yùn)動(dòng)過程中不存在失穩(wěn)狀態(tài)。攝像頭的密封式結(jié)構(gòu)可以將內(nèi)部器件密封保護(hù)起來，免受外界環(huán)境的影響，非常適合在潮濕、多塵土、多輻射或有毒的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)。它具有廣闊的應(yīng)用前景，例如，通過搭載視覺傳感器或氣體傳感器等設(shè)備，它可以在缺少人干預(yù)的環(huán)境中進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)偵察、室內(nèi)或庫房的巡邏及行星探測(cè)等任務(wù)，也可以通過搭載聲光電等設(shè)備作為一種新穎的具有移動(dòng)性和交互性的兒童玩具。
1.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
1.3.1．國(guó)內(nèi)輕型機(jī)器人研究現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)無人車輛的研究起步較晚，直到80年代末才開始這方面的研究。在863高技術(shù)計(jì)劃中，把智能移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)研究作為一個(gè)研究項(xiàng)目，對(duì)路徑規(guī)劃、測(cè)距系統(tǒng)、圖像處理技術(shù)、自動(dòng)技術(shù)系統(tǒng)等進(jìn)行了研究，并取得了許多成績(jī)，制成了無人駕駛的車輛。
上海大學(xué)談士力教授等科研人員經(jīng)過3年多時(shí)間的協(xié)作攻關(guān)，研制成功球形壁面爬行機(jī)器人。經(jīng)專家鑒定，這種機(jī)器人的爬行、吸附機(jī)理和機(jī)構(gòu)的應(yīng)用研究，為實(shí)用化提供了理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并具創(chuàng)新性，其性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。球形壁面爬行機(jī)器人可用來代替人工進(jìn)行的一些危險(xiǎn)操作，進(jìn)行各種儲(chǔ)存有毒有害介質(zhì)的球形儲(chǔ)存罐的檢修工作。其中包括核工業(yè)和城市石化工業(yè)球形儲(chǔ)液罐的視覺檢查、超聲側(cè)厚和焊縫探傷等作業(yè)?！∏蛐伪诿媾佬袡C(jī)器人采用了縮放機(jī)構(gòu)原理、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、真空吸附的六足移動(dòng)方案，具備在最小曲率半徑為2至5米的球形壁面上完成任意方向的直線移動(dòng)和原地轉(zhuǎn)向的能力，可采用多種步態(tài)行走，并能跨越300毫米高的條形障礙，其球面吸附機(jī)構(gòu)采用具有真空傳感功能的鉸接式橡膠真空吸盤，機(jī)器人的移動(dòng)速度可達(dá)每分鐘10米。該機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用上下微機(jī)控制方式，實(shí)現(xiàn)了18個(gè)關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)控制，具備自動(dòng)行走和手動(dòng)遙控動(dòng)能。
北京郵電大學(xué)以孫漢旭教授為首的研究小組承擔(dān)的國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的研究，經(jīng)過幾年的艱苦努力，開發(fā)出了擁有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、國(guó)內(nèi)首創(chuàng)且具有國(guó)際先進(jìn)水平的球形機(jī)器人。北京大學(xué)相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)球形機(jī)器人進(jìn)行了全面查新，結(jié)果表明，目前該結(jié)構(gòu)的球形機(jī)器人在國(guó)內(nèi)外尚無先例，屬創(chuàng)新性研究球形機(jī)器人是20世紀(jì)90年代機(jī)器人研究界提出的一個(gè)嶄新課題。北京郵電大學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室研制的球形機(jī)器人采用了一種全新、高效的內(nèi)驅(qū)動(dòng)方式，球形機(jī)器人能自如地完成直線、圓弧運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了3m/s，能夠爬上20度的斜坡，并且能夠?qū)崿F(xiàn)原地自轉(zhuǎn)。在靜止?fàn)顟B(tài)下球形機(jī)器人能夠沿任意方向啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)?！?
圖1 球形機(jī)器人
針對(duì)國(guó)內(nèi)危險(xiǎn)行業(yè)與部門實(shí)際需求，在國(guó)家863計(jì)劃的大力支持下，國(guó)內(nèi)一些科研院所學(xué)校圍繞少數(shù)型號(hào)的危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人進(jìn)行了重點(diǎn)攻關(guān)，尤其自“十五”863計(jì)劃實(shí)施以來，在危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人方面取得了較大的進(jìn)步，獲得了一批的成果，?中國(guó)自行研制的先進(jìn)“排爆機(jī)器人系統(tǒng)”，在最近舉行的反恐演習(xí)中頻頻上鏡，給人們留下了深刻印象；可以出入險(xiǎn)地執(zhí)行特種偵察任務(wù)的無人駕駛偵察車系統(tǒng)，可以攜帶真槍實(shí)彈沖鋒陷陣的無人駕駛戰(zhàn)車、坦克系統(tǒng)，早已研制成功 。
圖2 “靈蜥—B”型排爆機(jī)器人
中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所研制出了一種智能自主輪式移動(dòng)機(jī)器人，包括：攝像機(jī)，為機(jī)器人提供他所在環(huán)境的外部信息；工控機(jī)，通過總線CAN分別與電機(jī)驅(qū)動(dòng)/控制器、超聲環(huán)、紅外環(huán)進(jìn)行通信；運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)/控制其進(jìn)行控制。此發(fā)明機(jī)器人能夠根據(jù)超聲傳感器、紅外傳感器和視覺閂桿球進(jìn)行資助筆帳，利用視覺傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)特征識(shí)別。此外，該機(jī)器人還具有語音人一機(jī)交互功能。監(jiān)控人員能夠通過無線邁可直接對(duì)機(jī)器人進(jìn)行語音控制。同時(shí)，機(jī)器人能夠與人進(jìn)行交談、互相問候以及進(jìn)行自我介紹。
近些年來，隨著航天事業(yè)的飛速發(fā)展，我國(guó)開始了月球車系統(tǒng)的研究。月球車即月球探測(cè)機(jī)器人，分為有人駕駛和無人遙控兩種。我國(guó)研究的重點(diǎn)在后者，這是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到機(jī)械、機(jī)器人的遙控作業(yè)、空間技術(shù)、通訊和信號(hào)處理、加工自動(dòng)化和人工智能等諸多學(xué)科和領(lǐng)域。主要任務(wù)是：從遙感數(shù)據(jù)驗(yàn)證天文學(xué)推理的各種科學(xué)理論與事實(shí)，對(duì)特定地區(qū)進(jìn)行探測(cè)，判斷月球上的水溫、火山、峽谷、月球表面生成與進(jìn)化過程，對(duì)月球表面的太陽輻射線、太陽風(fēng)、隕石等的活動(dòng)情況進(jìn)行探測(cè)，對(duì)月球上的巖石進(jìn)行全面的調(diào)查與分析，對(duì)月球上所有區(qū)域的資源數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，為建立天文臺(tái)做地盤的調(diào)查，做各種元素的加熱實(shí)驗(yàn)及氦－3的抽樣實(shí)驗(yàn)。月球車的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其研究涉及到許多學(xué)科和領(lǐng)域，如機(jī)械、機(jī)器人的遙控作業(yè)、空間技術(shù)、通訊和信號(hào)處理、加工自動(dòng)化和人工智能等。
1.3.2．國(guó)外輕型機(jī)器人研究成果
1. 小型無人地面車輛(SUGV)
FCS家族中最小的平臺(tái)將是便攜式小型無人地面車輛（SUGV），能夠在城市地形中的隧道、下水道和洞穴內(nèi)執(zhí)行RSTA任務(wù)。小型無人車的目標(biāo)重量小于13.6公斤，能夠攜載重達(dá)2.72公斤的模塊式“即插即用”載荷。根據(jù)設(shè)想，小型無人地面車輛將能夠連續(xù)工作6個(gè)小時(shí)，在地面上能夠在距操作人員1000米遠(yuǎn)的地方遂行作戰(zhàn)任務(wù)，在隧道中能夠在距操作人員200米遠(yuǎn)的地方遂行作戰(zhàn)任務(wù)。
圖3 小型無人車 SUGV
2. “角斗士”戰(zhàn)術(shù)無人地面車
洛克希德·馬丁公司研制的“角斗士”機(jī)器人士兵是一種多用途系統(tǒng),主要有兩種類型：六輪式和履帶式。設(shè)計(jì)任務(wù)包括：偵察、監(jiān)視和目標(biāo)探測(cè)；工程偵察；直射；通信中繼；戰(zhàn)術(shù)欺騙；作戰(zhàn)補(bǔ)給；反狙擊部署。該車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于運(yùn)輸，適于在沿海戰(zhàn)場(chǎng)使用，主要供海軍陸戰(zhàn)隊(duì)旅和旅級(jí)以下單位使用，“角斗士”全重725公斤，公路行駛速度25千米/小時(shí)，越野速度10千米/小時(shí)。它采用混合電驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，能24小時(shí)使用?！敖嵌肥俊睂⒂筛邫C(jī)動(dòng)性多用途輪式車輛（HUMVEE）或V-22“魚鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)運(yùn)輸?！ ?
履帶式“角斗士”機(jī)器人士兵裝備有可保障車輛在黑暗和煙霧中視物能力的攝像機(jī)、GPS定位系統(tǒng)、聲學(xué)和激光搜索系統(tǒng)、可辨別生化武器的傳感器等各種設(shè)備，也可根據(jù)需要裝載各種武器和貨物。這是一種非公路型無人地面戰(zhàn)車，從理論上講，履帶也可以改換成輪胎?！敖嵌肥俊睋碛邢喈?dāng)?shù)闹橇λ?，能根?jù)機(jī)器視力算法、探測(cè)裝置融合算法到達(dá)指定地點(diǎn)，并能記住所走過的路線，之后絲毫不差地按原路自動(dòng)返回，也不會(huì)陷入臨時(shí)設(shè)置的障礙坑中。
圖4 六輪式“角斗士”
3. 微型機(jī)器人
美國(guó)新墨西哥冶金技術(shù)研究所的佩內(nèi)洛普·波士頓博士和麻省理工學(xué)院的斯蒂芬·杜伯斯基博士目前正在研制一批只有網(wǎng)球大小的微型機(jī)器人。這些采用彈跳方式運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人將被用來探測(cè)太陽系中的其他行星。較之“勇氣”號(hào)和“機(jī)遇”號(hào)這樣的火星車，目前仍處于研制階段的球形機(jī)器人將能夠更為容易地抵達(dá)那些地形復(fù)雜的區(qū)域。由于采用了特殊的跳躍式前進(jìn)機(jī)制，這種微型機(jī)器人可輕易地越過各種障礙物。不過新型機(jī)器人的體積雖小，但裝備卻一點(diǎn)兒也不含糊－－它們同樣也攜帶了微型照相機(jī)、光譜分析儀和其他多種傳感器。這些微型裝置最主要的優(yōu)點(diǎn)在于：重量輕，體積小，一次可成百上千地被投放到指定的探測(cè)對(duì)象上。當(dāng)?shù)诌_(dá)某一行星表面后，大量的微型機(jī)器人會(huì)組成一個(gè)龐大的探測(cè)網(wǎng)絡(luò)并可經(jīng)由軌道站或者直接將獲取的信息傳回地球。
圖5、微型機(jī)器人
4、雙輪行走運(yùn)輸機(jī)器人
三洋電機(jī)開發(fā)出了可依靠上體倒立來保持平衡的雙輪行走機(jī)器人“FLATHRU”，并在從2002年6月19日起至25日于福岡舉行的“機(jī)器人世界杯2002福岡·釜山”上做了參考展示（圖）。
FLATHRU的構(gòu)造為：頭部位于筒狀身體上部，底部左右各設(shè)計(jì)有一個(gè)輪子，頭部兼作載物平臺(tái)。當(dāng)然移動(dòng)時(shí)使用輪子。但是，直接靠輪子移動(dòng)會(huì)形成“2點(diǎn)支撐”，機(jī)器人站不穩(wěn)，最嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?。為此，新型機(jī)器人對(duì)輪子的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了控制，使其上體的重心始終位于連接兩輪的軸線上，能夠在上體倒立的同時(shí)保持平衡。銷售日期尚未確定。推出這種機(jī)器人主要是探求市場(chǎng)對(duì)于“生活輔助機(jī)器人”的需求。
新型機(jī)器人通過前進(jìn)和后退時(shí)將上體向前方或后方探出、使得重心前移或后移。此時(shí)根據(jù)車輪速度改變上體傾斜角度，來巧妙地掌握平衡。這樣一來，“即使地面稍有凹凸不平，也可以正常移動(dòng)，不會(huì)跌倒”。
為了使頭部的物品放置平臺(tái)保持水平，在頭部也設(shè)置了關(guān)節(jié)。除了考慮物品本身的重力外，還考慮到機(jī)器人加減速時(shí)作用于物體的慣性力，通過使頭部前后左右地移動(dòng)來保持平臺(tái)的水平。因此，在為用戶取水杯時(shí)，杯中的水不會(huì)撒出來。
圖6、遠(yuǎn)程控制運(yùn)輸機(jī)器人
5、美改進(jìn)型輪式機(jī)器人
由美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研制的改進(jìn)型輪式機(jī)器人自動(dòng)越野車“流浪者”（Nomad），將再次返回南極，對(duì)南極做更為出色的考察工作，在表面冰層尋找新的生命形式。
Nomad原型車于1997年裝配成功，曾經(jīng)穿過智利的阿塔卡馬沙漠，跋涉220公里，成功完成越野旅行試驗(yàn)。它也曾在南極從事過尋找隕石的工作。這次，改進(jìn)后的Nomad準(zhǔn)備再返南極，在冰層頂部尋找活微生物的痕跡。它裝有新的導(dǎo)航系統(tǒng)，可以自動(dòng)行駛很長(zhǎng)距離，還裝有風(fēng)力發(fā)電裝置，可以補(bǔ)充太陽能電池的電力損耗。
卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究人員最近在新罕布什爾州馬斯科姆湖的冰面上進(jìn)行了有關(guān)試驗(yàn)，以研究“流浪者”機(jī)器人越野車靠風(fēng)電和太陽能電力供電的可能性。結(jié)果，該車成功地穿過馬斯科姆湖的冰雪湖面，行駛了10公里。這項(xiàng)工作是“在南極用機(jī)器人探索生命計(jì)劃”（LORAX）的一部分，該計(jì)劃打算測(cè)量在南極高原近表面冰層生存的微生物的分布狀況。
卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、美國(guó)宇航局和美國(guó)陸軍寒冷地區(qū)研究與工程實(shí)驗(yàn)室共同進(jìn)行的這項(xiàng)研究，主要是在馬斯科姆湖的湖面上進(jìn)行長(zhǎng)距離自主導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)M南極高原的冰蓋層。美國(guó)陸軍寒冷地區(qū)研究和工程實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)向宇航局和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)提供后勤支持和實(shí)驗(yàn)設(shè)施。寒冷地區(qū)研究和工程實(shí)驗(yàn)室做出整個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)的冰厚度測(cè)量，并證實(shí)45厘米厚冰層為機(jī)器人越野車在南極實(shí)驗(yàn)的安全條件。
科研人員一直在對(duì)“流浪者”上的傳感器和計(jì)算機(jī)不斷進(jìn)行改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立行走和測(cè)量。1997年，“流浪者”穿過阿塔卡馬沙漠；2000年，“流浪者”獨(dú)立行走在南極發(fā)現(xiàn)隕石，并成為靠自己能力完成南極大陸科學(xué)考察的第一個(gè)機(jī)器人。野外試驗(yàn)的目標(biāo)是確立“流浪者”機(jī)器人車在冰雪上的可移動(dòng)性，而自主導(dǎo)航技術(shù)是滿足在南極的“穿越”需求。
宇航局艾姆斯研究中心的皮特森是該計(jì)劃的主要研究人員?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人研究所的威特格林和埃博斯特勒負(fù)責(zé)機(jī)器人越野車的設(shè)計(jì)、分析和研發(fā)其自主導(dǎo)航系統(tǒng)。加州大學(xué)伯克利分校的研究人員則負(fù)責(zé)研發(fā)熒光光譜儀，以識(shí)別南極冰層中微生物的存在和含量。
圖7、自動(dòng)越野車“流浪者”（Nomad）
2 課題方案設(shè)計(jì)
關(guān)于機(jī)器人我的設(shè)計(jì)方案是采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(即步進(jìn)角)?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，同時(shí)也可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。
步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式(PM)，反應(yīng)式(VR)和混合式(HB)。永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7．5度或15度；反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1．5度，但噪聲和振動(dòng)都很大，在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家80年代已被淘汰：混合式步進(jìn)電機(jī)混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)，分為兩相和五相，兩相步進(jìn)角一般為1．8度而五相步進(jìn)角一般為0．72度，這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。
2．1步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)
2．1．１步進(jìn)電機(jī)具有如下特點(diǎn)：
1、一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5％，步距值不受各種干擾因素的影響。簡(jiǎn)而言之，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的速度主要取決于脈沖信號(hào)的頻率，而轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的總位移量取決于總的脈沖個(gè)數(shù)。
2、位移與輸入脈沖信號(hào)相對(duì)應(yīng)，步距誤差不長(zhǎng)期積累。因此可以組成結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單而又具有一定精度的丌環(huán)控制系統(tǒng)，也可以在要求更高精度時(shí)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。
3、步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度取決于不同的磁性材料。步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)，一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上。所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80．90度完全正常。4、步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率(或速度)的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。
5、步進(jìn)電機(jī)有啟動(dòng)頻率要求和加速過程。雖然步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無法啟動(dòng)，并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)為“空載啟動(dòng)頻率"，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻(電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速)。
6、 無刷，電動(dòng)機(jī)本體部件少，可靠性高；控制性能好，起動(dòng)、停車、反轉(zhuǎn)及其他運(yùn)行方式的改變，都在少數(shù)脈沖內(nèi)完成，在一定的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，任何運(yùn)行方式都不會(huì)丟步；停止時(shí)有自鎖能力。
2．1．2步進(jìn)電機(jī)主要參數(shù)及性能指標(biāo)
l、相數(shù)m 電機(jī)上獨(dú)立成系統(tǒng)而存在的回路個(gè)數(shù)即是相數(shù)。步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)可以為任意數(shù)，m通常為2，3，4，5，6．
2、步距角p在不帶任何減速裝置的情況下，輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)所轉(zhuǎn)過的機(jī)械角位移即步距角。
3、距角特性步進(jìn)電機(jī)靜轉(zhuǎn)矩和失調(diào)角的關(guān)系稱為矩角特性。靜轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，控制繞組通以直流電，由失調(diào)角(定轉(zhuǎn)子中心線間夾角)的存在而引起的電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)繞組內(nèi)電流不變時(shí)，靜轉(zhuǎn)矩隨失調(diào)角在一個(gè)齒距角范圍內(nèi)變化一個(gè)周期，在近似分析中視距角特性為正弦曲線。
4、最大靜轉(zhuǎn)矩瓦即距角特性上最大電磁轉(zhuǎn)矩值，它的值取決于繞組內(nèi)電流的值及通電相數(shù)1331。
2．2 設(shè)計(jì)方案
如圖所示，其結(jié)構(gòu)用空心管將兩輪聯(lián)接成“工”字形狀，兩輪軸心處各有一內(nèi)置步進(jìn)電機(jī)，控制車輪的正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人全方位的行走。在兩輪的內(nèi)側(cè)各有一個(gè)掛籃與空心管固定為一體，掛籃內(nèi)裝有蓄電池塊，既可作為動(dòng)力源，還可以當(dāng)作配重塊。掛籃與空心管通過螺絲聯(lián)接成一體，方便拆卸。在空心管的中端有一攝像頭，用于觀察反饋現(xiàn)場(chǎng)情況。通過遙控控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，可輕松實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)，后退，及原地轉(zhuǎn)向。掛籃底部裝有蓄電池塊，能夠起到偏重塊作用，保證了輪式機(jī)器人的在平路或斜坡上都能夠保持靜止?fàn)顟B(tài)。該機(jī)構(gòu)采用了一種全新、高效的內(nèi)驅(qū)動(dòng)方式，通過遙控電機(jī)的轉(zhuǎn)向，雙輪機(jī)器人能自如地完成直線、圓弧運(yùn)動(dòng)，最高運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了5m/s，能夠爬上30度的斜坡，并且能夠?qū)崿F(xiàn)原地自轉(zhuǎn)。在靜止?fàn)顟B(tài)下輪式機(jī)器人能夠沿任意方向啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)時(shí)特意采用弧形空心管，大大提高了機(jī)器人的底盤，使得該機(jī)器人行走可以直接通過障礙物，具有良好的過障礙能力，這在條件惡劣的道路上行走尤其重要。
通過控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)同步同向轉(zhuǎn)動(dòng)，雙輪機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)快速直線行駛，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不存在失穩(wěn)狀態(tài)，易于控制。又可通過控制步進(jìn)電機(jī)同步反向轉(zhuǎn)動(dòng)，迅速實(shí)現(xiàn)后退，其反應(yīng)靈活，操作方便。還可單獨(dú)控制左右一側(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的左右轉(zhuǎn)彎，必要時(shí)還可控制兩側(cè)電機(jī)的同步異向轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。該設(shè)計(jì)平臺(tái)操作簡(jiǎn)便，用途廣泛，在未來各領(lǐng)域都能有著廣闊的發(fā)展空間。
車輪的電機(jī)采取內(nèi)置，沒有導(dǎo)線在外裸露，不易被障礙物掛住或掛斷導(dǎo)線，使機(jī)器人適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力增強(qiáng)；輪子與地面接觸產(chǎn)生的摩擦力為驅(qū)動(dòng)力，沒有被動(dòng)摩擦輪，運(yùn)動(dòng)效率高；輪子與地面接觸面小，對(duì)路面條件要求低，適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)。這種輪式機(jī)器人用最少的自由度，以欠驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的全方位運(yùn)動(dòng)。并在弧形管的中間安裝一搖控?cái)z像頭，通過控制攝像頭的云臺(tái)可控制攝像頭實(shí)現(xiàn)左右、高低轉(zhuǎn)動(dòng)，擴(kuò)大了攝像頭的觀察視野，使得攝像頭能夠全視距觀察現(xiàn)場(chǎng)情況。在特殊場(chǎng)合下，還可通過搭載武器、傳感器等特殊裝備，來完成一些特殊任務(wù)，減少在戰(zhàn)爭(zhēng)中的人員傷亡。這種機(jī)器人平臺(tái)在教學(xué)、科研、野外作業(yè)、民用運(yùn)輸方面有著廣泛的應(yīng)用前景，在反恐及其它尖端領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用價(jià)值。
2．3 受力分析
為了便于受力分析，我們可將該輪式超輕型機(jī)器人作為一整體，其受力可簡(jiǎn)化為重力G、地面的反作用力F、摩擦力，其受力分析取三種情況進(jìn)行研究，超輕型機(jī)器人在平路上行駛，爬坡，以及在斜坡上的靜止。下面從三種情況開始分析：
1.在平路上行駛時(shí)
在平路上行駛時(shí)，如圖所示，在路面受力分析如下，
G---重力 N---地面反作用力 Ff---摩擦力
在平路上時(shí)，機(jī)器人受本身重力G，地面的反作用力N，和摩擦力Ff.可知電機(jī)的額定功率P為240W，額定電壓為48V，額定轉(zhuǎn)速為190轉(zhuǎn)/分，機(jī)器人全重M為65kg，額定輸出轉(zhuǎn)矩為12N. m ,R為270mm。
解方程組，可求出機(jī)器人在平路上最大的直線行駛速度為5 m/s.
2.在斜面上行駛
G---重力 N---地面反作用力 Ff---摩擦力
爬坡時(shí)，如圖所示，由摩擦力對(duì)機(jī)器人的反作用力，使得扇形掛籃逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，起到偏心的作用，從而使得該機(jī)器人能輕松實(shí)現(xiàn)爬坡，并通過對(duì)電機(jī)的調(diào)節(jié)能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在斜坡的靜止。對(duì)超輕型機(jī)器人爬坡時(shí)的兩種狀態(tài)進(jìn)行分析：
上坡時(shí)，在電機(jī)的作用下，機(jī)器人向上運(yùn)動(dòng)，受自身重力G 和斜面的作用力N，和摩擦力影響。其平衡公式如下：
機(jī)器人在斜坡上靜止時(shí)，牽引力F 和重力沿斜面向下分力 G*sinα與摩擦力Ff 平衡，可求出最大的爬坡度。
2．4 設(shè)計(jì)校核
由于本機(jī)器人大部分的結(jié)構(gòu)采用的是現(xiàn)有零件，故僅對(duì)其連接軸進(jìn)行校核。
由于中間周在整個(gè)的運(yùn)動(dòng)過程中并沒有隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，故將其視為梁計(jì)算。可知中間軸的結(jié)構(gòu)如下圖所示:
1、對(duì)軸的強(qiáng)度進(jìn)行校核
（1）、作剪力圖、彎矩圖，判斷危險(xiǎn)面。
由上圖可知危險(xiǎn)面為I、II、III。
（2）、計(jì)算彎曲截面系數(shù)。
（3）、校核最大正應(yīng)力作用點(diǎn)的強(qiáng)度。
（4）、校核最大切應(yīng)力作用點(diǎn)的強(qiáng)度。
截面面積
可知合金剛的強(qiáng)度系數(shù)為740MPa。
0.57MPa<740MPa
故軸的強(qiáng)度足夠。
2、對(duì)軸的剛度進(jìn)行校核
軸的撓度圖如下：
由圖可知危險(xiǎn)點(diǎn)為軸的中點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行校核有
故軸的剛度足夠。
3 功能實(shí)現(xiàn)
3.1 機(jī)器人的各項(xiàng)參數(shù)
整車主要
技術(shù)參數(shù)
外形尺寸
860*430*780
整車質(zhì)量
不大于65 kg
最高車速
不大于18km/h
續(xù)行里程
450
變速
0-18km/h
12V蓄電池主要
技術(shù)參數(shù)
蓄電池類型
高能免維護(hù)鉛酸蓄電池
電池容量
9Ah
標(biāo)稱電壓
12V
48V電動(dòng)機(jī)主要
技術(shù)參數(shù)
電機(jī)類型
無刷無齒
額定功率
240W
額定轉(zhuǎn)速
190r/min
額定電壓
48V
額定輸出轉(zhuǎn)矩
12N.M
48V控制器和
充電器的主要
技術(shù)參數(shù)
欠壓保護(hù)
420.5V
過流保護(hù)
15A1A
充電電流
1.6A—1.8A
充電電壓
59.20.4V
浮充電壓
54.80.4V
浮充電流
0.4A0.1A
充電時(shí)間
6—9小時(shí)
充電輸入
AC220V50HZ
數(shù)碼攝像頭主要技術(shù)參數(shù)
產(chǎn)品名
SP-200AP CFG1
鏡頭
1/4“彩色SONY芯片佳能鏡頭
420線
1.0LUX F=3.9～85.8mm
22倍光學(xué)變焦
3.2 機(jī)器人的功能
機(jī)器人的整車圖如下:
1、運(yùn)動(dòng)功能
整個(gè)機(jī)器人在平時(shí)的直線運(yùn)動(dòng)中能達(dá)到18km/h的運(yùn)動(dòng)速度，并能實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)中向左、向右的轉(zhuǎn)彎。在原地的時(shí)候，能實(shí)現(xiàn)以半徑為1米的原地轉(zhuǎn)向。車體的最大爬坡度為30度。
2、偵察功能
由于在車上安裝有焦距為6mm，水平拍攝視野為60度的攝像機(jī)，車子在運(yùn)行過程中能對(duì)其經(jīng)過的地形進(jìn)行拍照，能所控制者得到車體運(yùn)行中所經(jīng)過地形的具體情況。
3、遠(yuǎn)程控制功能
通過遠(yuǎn)程的控制平臺(tái)，操作者能實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)程對(duì)車輛的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，使的車輛能更好的完成其任務(wù)。由于使用了遠(yuǎn)程操控技術(shù)，當(dāng)車輛用于戰(zhàn)場(chǎng)時(shí)，其能大大的減少人員的傷亡。
4、遠(yuǎn)程通信功能
由于車輛上裝有攝像機(jī)，如果在其上在裝載一話筒，就能實(shí)現(xiàn)車輛攜帶人員與后方基地人員的遠(yuǎn)程通信，能更好參加戰(zhàn)斗。
5、載物功能
在戰(zhàn)時(shí)可以在車輛的中間軸上加載物體，能通過車體的運(yùn)輸將戰(zhàn)時(shí)所缺少的物品無傷亡的送到戰(zhàn)場(chǎng)，減少了損失。
3.3 遙控控制功能的實(shí)現(xiàn)
移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制即控制機(jī)器人按規(guī)劃的軌跡運(yùn)動(dòng)，控制的好壞對(duì)機(jī)器人的性能有著直接的影響。移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器是移動(dòng)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行起著重要作用。世界各國(guó)都很重視移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的研究工作，并且投入了大量的人力和物力。目前，輪式移動(dòng)機(jī)器人常見的控制方法是雙閉環(huán)控制移動(dòng)機(jī)器人的左驅(qū)動(dòng)輪速度和右驅(qū)動(dòng)輪速度，其控制算法主要是PID控制算法和模糊邏輯控制算法。
國(guó)外：
PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一。由于PID控制器具有簡(jiǎn)單而固定的形式，算法簡(jiǎn)單、可靠性高，在很寬的操作條件范圍內(nèi)都能保持較好的魯棒性，能給設(shè)計(jì)人員提供一種簡(jiǎn)單而直接的調(diào)節(jié)方式，故在工業(yè)控制過程中，PID控制器是應(yīng)用最多的一種控制方式。
自1965年美國(guó)加利福尼亞大學(xué)控制論專家zadeh首次提出了用“隸屬函數(shù)”概念來定量描述事物模糊性的模糊集合理論以來，其理論和方法日臻完善zadeh把模糊控制應(yīng)用于自動(dòng)控制領(lǐng)域，開辟了模糊控制理論及其工程應(yīng)用的新時(shí)代。
從90年開始，DSP(Digital Signal Processor)技術(shù)和FPGA(Field Programmable Gate Array)芯片技術(shù)在美國(guó)得到高速發(fā)展，出現(xiàn)了一批高性能低價(jià)格的DSP，這些DSP的重要特性是它們的兼容性好而且浮點(diǎn)運(yùn)算速度快，使運(yùn)動(dòng)控制器能夠濃縮在一塊PCISA／PCI控制卡上，而且每個(gè)伺服軸的更新速率可以達(dá)到20s，而FPGA芯片技術(shù)則使通過軟件來更新硬件成為可能，如果將DSP和FPGA與PC相結(jié)合，則可充分利用現(xiàn)有的操作環(huán)境和資源，進(jìn)一步降低系統(tǒng)的成本，增加系統(tǒng)的通用性。
目前，國(guó)內(nèi)外高級(jí)運(yùn)動(dòng)控制器大多做成了ISA／PCI插卡形式，這種插卡形式能充分地利用計(jì)算機(jī)現(xiàn)有的軟件資源，總的看來，這種插卡形式的控制器功能強(qiáng)大，但結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜。從技術(shù)水平上看，國(guó)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)控制器(卡)落后于國(guó)外。
目前國(guó)外的高性運(yùn)動(dòng)控制卡主要有：
美國(guó)PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡：應(yīng)用領(lǐng)域涉及機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、雕刻機(jī)、旋轉(zhuǎn)刀、X-Y系統(tǒng)等各類自動(dòng)化設(shè)備。
日本三菱電機(jī)公司推出的第二代高性能Q系列運(yùn)動(dòng)控制器。主要特點(diǎn)有：體積小巧高速運(yùn)動(dòng)控制、配置靈活、SSCNET控制功能，Motion SFC編程，上位監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。
英國(guó)BALDOR公司推出的各種運(yùn)動(dòng)控制卡：功能很強(qiáng)，她采用類似Basic的結(jié)構(gòu)語言Mint，通俗易懂，編程比較容易。這種卡有總線型(PCL LSA)，獨(dú)立型(串口、USB)，驅(qū)動(dòng)集成型(步進(jìn)、伺服)多種形式，可以滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的特殊需要。
國(guó)內(nèi):
在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器中，處理器件接受高層控制級(jí)的指令，計(jì)算和輸出多路控制信號(hào)，協(xié)調(diào)各驅(qū)動(dòng)輪，并對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。目前，許多機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)均采用專用的微處理器，如以DSP為核心的微處理器制作專用的主板，采用專用的編程語言，并將控制算法固化在EPROM中。運(yùn)動(dòng)控制算法是移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)鍵，由于PID控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、參數(shù)易于調(diào)整，因此在移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制中得到了廣泛的應(yīng)用，但是移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的模型在實(shí)際系統(tǒng)中存在控制參數(shù)難以調(diào)整、控制系統(tǒng)存在噪聲影響等問題，即用傳統(tǒng)的比例控制器己不能達(dá)到較好的控制效果。
模糊邏輯法模擬駕駛員的駕駛思想，將模糊控制本身所具有的魯棒性與基于生理學(xué)上的“感知一動(dòng)作”行為結(jié)合起來，為移動(dòng)機(jī)器人在未知環(huán)境中運(yùn)動(dòng)提出了一種新思路，模糊控制不需要建立數(shù)學(xué)模型，可以利用語言描述復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，是一種基于非數(shù)學(xué)模型的控制方法，但是難以建立完善的推理規(guī)則。
3．3．1控制器單元的選型
移動(dòng)機(jī)器入運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心是微控制器，作為機(jī)器入控制器的核心部件，高性能的CPU是必需的，選擇一個(gè)什么樣的微控制器對(duì)于機(jī)器人小車的性能、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式有很大的影響，應(yīng)具體分析控制系統(tǒng)的特征和要求進(jìn)行微控制器的選擇， 應(yīng)以運(yùn)算速度、功能、兼容性、整個(gè)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、通信方式及通信速率、電機(jī)控制方式、ROM及RAM的大小為依據(jù)來選擇合適的微控制器。
目前微控制器主要有數(shù)字信號(hào)處理器DSP、現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列FPGA和單片機(jī)等類型。DSP具有數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、速度快等優(yōu)點(diǎn)，且其體積較小，有利于電路板布局，但是DSP在中斷處理、位處理或邏輯操作方面不如單片機(jī)，芯片價(jià)格尤其是浮點(diǎn)器件價(jià)格較貴，系統(tǒng)開發(fā)成本較高；FPGA是Filed Programmable Gate Array的縮寫，即現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列。FPGA是在CPLD的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型高性能可編程邏輯器件，它一般采用SRAM工藝，也有一些專用器件采用Flash工藝或反熔絲(Anti．Fuse)212藝等。FPGA的集成度很高，其器件密度從數(shù)萬系統(tǒng)門到數(shù)千萬系統(tǒng)門不等，可以完成極其復(fù)雜的時(shí)序與組合邏輯電路功能，適用于高速、高密度的高端數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，但其系統(tǒng)開發(fā)成本較高。
單片機(jī)雖然在運(yùn)算任務(wù)的完成上不如DSP，但是其成本低、易于開發(fā)、相關(guān)資料較全，配合一定的外圍芯片能夠很好地完成本系統(tǒng)的控制任務(wù)，隨著微電子工藝水平的提高，單片微型計(jì)算機(jī)技術(shù)有了飛躍的發(fā)展。單片機(jī)型號(hào)之多，已到了難以統(tǒng)計(jì)的地步。在MSC．5l系列單片機(jī)內(nèi)核8051／80C5l的基礎(chǔ)上Intel，Philips，Siemens等大公司紛紛推出各種派生芯片。如目前應(yīng)用最廣的8位單片機(jī)89C51，價(jià)格低廉、功能強(qiáng)大。但在一些復(fù)雜的系統(tǒng)中，就不得不考慮16位單片機(jī)。MCS．96系列16位單片機(jī)廣泛應(yīng)用于伺服系統(tǒng)、變頻調(diào)速等各類要求實(shí)時(shí)處理的控制系統(tǒng)?？紤]到機(jī)器人尺寸的限制，功耗等因素選擇一個(gè)功能齊全的單片機(jī)是比較合適的，定位合理的方案，可獲得較高的性能價(jià)格比。
3．3．2單片機(jī)的確定
ATmega128帶128K字節(jié)FLASH 的在線可編程8位微控制器。是AVR 系列中功能最強(qiáng)的單片機(jī)。
一．特 點(diǎn)：
(1) 先進(jìn)的RISC精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)
– 高性能 低功耗的 AVR ? 8位微控制器
– 133條功能強(qiáng)大的指令大部分在單時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行
– 32 x 8個(gè)通用工作寄存器+ 外設(shè)控制寄存器
– 全靜態(tài)操作
– 工作在16 MHz下具有16MIPS的性能
– 片內(nèi)帶有執(zhí)行時(shí)間為兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器
(2) 非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器
– 128K 字節(jié)在線可重復(fù)編程 Flash
擦寫次數(shù) 1000次
– BOOT區(qū)具有獨(dú)立的加密位
可通過片內(nèi)的引導(dǎo)程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程,寫操作時(shí)真正可讀
– 4K字節(jié)EEPROM
擦寫次數(shù) 100, 000 次
– 4K 字節(jié)內(nèi)部SRAM
– 最大 64K 字節(jié)可選外部存儲(chǔ)器空間
– 程序加密位
– 在線可編程SPI 接口
(3) JTAG (符合IEEE std. 1149.1標(biāo)準(zhǔn)) 接口
– 邊界掃描能力
– 廣泛的片內(nèi)Debug 支持
– 通過JTAG接口對(duì)Flash, EEPROM, 熔絲位和加密位編程
(4) 外設(shè)特點(diǎn)
– 兩個(gè)帶預(yù)分頻器和一種比較模式的8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器
– 兩個(gè)擴(kuò)充的帶預(yù)分頻器和比較模式捕獲模式的16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器
– 具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器
– 二通道8位PWM
– 6通道2到16位精度PWM
– 輸出比較調(diào)節(jié)器
– 8通道10位A/D轉(zhuǎn)換
8 個(gè)單端通道
7 個(gè)微分通道
2 個(gè)增益為1x, 10x 或 200x 的微分通道
– 兩線(I2C)串行接口
– 二路可編程串行UART接口
– 主/從SPI串行接口
– 帶內(nèi)部振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器
– 片內(nèi)模擬比較器
(5) 特別的MCU 特點(diǎn)
– 上電復(fù)位和可編程的低電壓檢測(cè)
– 內(nèi)部可校準(zhǔn)的RC振蕩器
– 外部和內(nèi)部中斷源
– 五種睡眠模式:空閑模式ADC噪聲抑制模式省電模式掉電模式待命模式和擴(kuò)展 待命模式
– 可軟件選擇時(shí)鐘頻率
– 通過一個(gè)熔絲選定ATmega103 兼容模式
– 全局上拉禁止
(6) I/O 和封裝
– 53個(gè)可編程的I/O 腳
– 64腳TQFP封裝
(7) 工作電壓
– 4.5 - 5.5V ATmega128
(8) 速度等級(jí)
– 0 - 16 MHz ATmega128
二．引腳配置：
ATmega128 的引腳配置
三．描述：
Atmega128是一款基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗CMOS8位單片機(jī)。通過在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令，ATmega8可以取得1MIPS/MHz的性能，從而使得設(shè)計(jì)人員可以在功耗和執(zhí)行速度之間取得平衡。
結(jié)構(gòu)圖
AVR核將32個(gè)工作寄存器和豐富的指令集聯(lián)結(jié)在一起。所有的工作寄存器都與ALU算術(shù)邏單元直接相連，允許在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行的單條指令同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器這種結(jié)構(gòu)提高了代碼效率使，AVR得到了比普通CISC單片機(jī)高將近10倍的性能。
ATmega128具有以下功能特點(diǎn):128K字節(jié)具備寫操作時(shí)可讀的在系統(tǒng)可編程FLASH，4K字節(jié)EEPROM，4K字節(jié)SRAM，53個(gè)通用I/O口，32個(gè)通用工作寄存器，實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器(RTC)，4個(gè)具有比較模式和PWM的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，2個(gè)USARTS，一個(gè)兩線(I2C)串行接口，一個(gè)8通道10位具有可選增益差分輸入的A/D轉(zhuǎn)換器，一個(gè)帶內(nèi)部振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，一個(gè)SPI口，一個(gè)符合IEEE std.1149.1標(biāo)準(zhǔn)的JTAG測(cè)試接口，也可用于訪問片內(nèi)Debug系統(tǒng)和編程，6種可通過軟件選擇的省電模式工作于空閑模式時(shí),CPU將停止運(yùn)行而SRAM，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，SPI口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電模式時(shí)振蕩器停止工作所有功能都被禁止而寄存器內(nèi)容得到保留，直到下一個(gè)外部中斷或硬件復(fù)位才退出此狀態(tài)。省電模式時(shí)異步定時(shí)器繼續(xù)工作，以使用戶能在芯片的其余部分處于睡眠狀態(tài)時(shí)保持定時(shí)器基準(zhǔn)。除異步定時(shí)器和ADC繼續(xù)工作外，ADC噪聲。抑制模式停止CPU運(yùn)行和所有的I/O單元以減少ADC轉(zhuǎn)換時(shí)的開關(guān)噪聲待命模式中除晶振工作外芯片的其余部分處于睡眠狀態(tài)。這就使得在低功耗的情況下能非?？斓膯?dòng)。在擴(kuò)展待命模式中主振蕩器和異步定時(shí)器繼續(xù)工作。
芯片是以ATMEL的高密度非易失性內(nèi)存技術(shù)生產(chǎn)的。FLASH程序存儲(chǔ)器可以通過SPI串行接口或通用編程器或運(yùn)行于AVR核上的片內(nèi)BOOT程序多次編程。BOOT程序可以用任意的接口下載到應(yīng)用FLASH程序存儲(chǔ)器中。當(dāng)應(yīng)用程序區(qū)被更新時(shí)BOOT區(qū)的軟件將繼續(xù)運(yùn)行提供寫操作時(shí)真正可讀的功能。通過將增強(qiáng)的RISC8位CPU與FLASH集成在一個(gè)芯片內(nèi)ATmega8為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的方案。ATmega128具有一整套的編程和系統(tǒng)開發(fā)工具C編譯器宏匯編器調(diào)試/模擬器JTAG ICE在線仿真器和SL-MEGA128評(píng)估板
3．3．3 單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路
單片機(jī)可以工作的最小系統(tǒng)一般由電源、復(fù)位電路、系統(tǒng)時(shí)鐘等構(gòu)成。
(1)復(fù)位電路
關(guān)于復(fù)位電路，當(dāng)晶振在20MHz以下時(shí)，電容可以不用，電阻為l0K。復(fù)位電路如圖所示：
(2)系統(tǒng)時(shí)鐘電路
采用外部時(shí)鐘源，時(shí)鐘頻率為0-40MHz，CPU最大操作時(shí)鐘頻率可達(dá)48MHz，振蕩器輸出頻率稱為系統(tǒng)時(shí)鐘電路如圖所示：
3．3．4 兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制電路
它是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（即步距角）。步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠從鎖定狀態(tài)正常啟動(dòng)的脈沖頻率?？蛰d牽出頻率是指步進(jìn)電機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況逐漸升高脈沖頻率使步進(jìn)電機(jī)不失步的最高頻率。步進(jìn)電機(jī)自定位轉(zhuǎn)矩是指在沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩。一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步距角的 3-5%，且不累積。利用步進(jìn)電機(jī)的特性，我們采用了用SH-20403兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)。其左右輪的控制電路如圖:
3．3．4 主控制電路圖
4 結(jié) 論
結(jié)合輕型機(jī)器人平臺(tái)的研究，本文主要圍繞輕型雙輪式機(jī)器人的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。對(duì)機(jī)器人的整體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算并校核機(jī)器人的軸部件，并對(duì)機(jī)器人的功能進(jìn)行研究。對(duì)上面的工作總結(jié)如下:
1輕型雙輪式機(jī)器人的設(shè)計(jì)，采用了雙步進(jìn)電機(jī)操控的方案。
2機(jī)器人采用了工字型結(jié)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便。
3電機(jī)采用了無刷無齒48V電機(jī)。
4對(duì)機(jī)器人在幾種工作情況下的受力情況進(jìn)行了分析，并對(duì)其進(jìn)行了校核計(jì)算。
5對(duì)機(jī)器人的控制進(jìn)行了研究及設(shè)計(jì)。
致 謝
本課題在導(dǎo)師耿宏偉的悉心指導(dǎo)和熱心關(guān)懷下完成，耿宏偉老師對(duì)課題的選定，整體的構(gòu)思，重點(diǎn)和難點(diǎn)的分析都給我以很大的啟迪；淵博的知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)、豐富的經(jīng)驗(yàn)給我留下了深刻的印象,另外對(duì)課題的進(jìn)度和各種資料的收集給予了很大的幫助。尤其耿宏偉老師在百忙之中，很關(guān)切我的畢業(yè)設(shè)計(jì)。開始即做出了科學(xué)的指導(dǎo)方向，在向我提供資料和指導(dǎo)的同時(shí)，鼓勵(lì)我發(fā)揮主觀能動(dòng)性，大膽設(shè)計(jì)，不必拘泥于資料。這給我極大的激勵(lì)和啟發(fā)，幫助我克服了畏難情緒，很快進(jìn)入了狀態(tài)。在設(shè)計(jì)中期，耿宏偉老師更是認(rèn)真關(guān)注我的設(shè)計(jì)進(jìn)程，及時(shí)對(duì)我遇到的問題作出指導(dǎo)，再次表示誠(chéng)摯的感謝并致以崇高的敬意！
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