六足爬行机器人系统设计 最后论文 - 图文(4)

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六足爬行机器人控制系统设计

式即中心转轴步态主要是这样的，以机器人向右90度转向为例：机器人在静止状态下六个足端点的分布（俯视图）如图2-2 所示。把左面三足分别命名为L1、L2、L3，右面三足分别命名为R1、R2、R3。采用中心转轴步态原地右转弯90度，首先L1、L2、L3 三条腿抬起并向右旋转，而R1、L2、R3 三条腿支撑地面；待L1、R2、L3 落地后，R1、L2、R3 再抬起向右旋转，落地，如此循环。每个动作周期机器人原地旋转22.5°，将此过程重复四次，就完成了右转弯90°的动作。L1 足端将最终落在（L1）位置处，其余足端类似。

图2-2 中心轴步态示意图

2. 2 本章小结

本章主要介绍了六足爬行机器人运动时的步态。

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3 六足爬行机器人硬件控制系统设计

在机器人机电控制系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。 舵机可以在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。

舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。目前在高档遥控玩具，如航模，包括飞机模型，潜艇模型。遥控机器人中已经使用得比较普遍。舵机是一种俗称，其实是一种伺服马达。

舵机有着如下的优点：大扭力、控制简单、装配灵活、相对经济，但它亦有着先天的不足：首先它是一个精细的机械部件，超出它承受范围的外力会导致其损坏，其次它内藏电子控制线路，不正确的电子连接也会对它造成损毁，因此，很有必要在使用前先了解舵机的工作原理，以免造成不必要的损失。

3. 1 舵机的应用

3. 1. 1 舵机的类型及安装

舵机是遥控模型无线电操纵系统中很重要的部件。如果不了解它的性能，不讲究正确的安装方法，轻则影响模型的飞行姿态，重则如果卡住模型则无法操纵，造成事故的发生。所以，在使用舵机前，了解它的性能和安装方法是必要的。目前市场上出售的模型舵机，主要是比例式的，类型有普通型、超小型，强力型和特殊用途型等几种。下面分别介绍一下它们各自的性能。

普通型：

45 克，0.2 秒/60 度，力矩 3 千克·厘米。这种舵机各方面性能都比较适中，一般用在尺寸不是很大的 P3A-1、2 和 P2B-1、2等模型上。

超小型：

20克，0.15 秒/60度，力矩2千克·厘米。它的体积小、重量轻，输出力矩小，通常用于小尺寸、舵面阻力相对小的模型上，如 P5A、小型电动类模型等。

强力型：

100克，0.2秒/60 度，力矩9千克·厘米。这种舵机输出力矩大，可以克服高速、大舵面带来的阻力大的缺点。主要用于尺寸和飞行重量大，速度快，舵面阻力大的模型，如 F3A、大型仿真飞机模型、现代特技飞机模型、喷射模型飞机和 F4 级模型等。

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特殊用途型：

多数特殊用途的舵机，其性能与强力型相似。通常用于专项任务，如收索机 (帆船)、起落架蛇机等。另外，还有—些耐高温和可防水的舵机，主要用于科学研究和工业方面，一般模型很少采用，但近年来这种舵机随着模型产品的发展在民用模型领域发展迅速。

—般的舵机内部的电路和齿轮等零件都是很精细的，自己较难制作，多采用成品舵机。日产成品舵机品质较好，剩余功率大，不易打齿、比较耐用。国产舵机质量有的也不错。安装舵机也很重要，安装方法主要有三种：

（1）用胶直接把舵机粘在模型上。要求粘接技术较高，不能更换，通常用于一些简单模型。

（2）对好舵机两边的安装孔，用螺钉固定。这种方法的好处是容易更换。 （3）利用配套的固定片及减震片固定。对于装大容积内燃机的模型，为了减少振动对舵机的损害，多采用这种方法。

舵机的安装位置应尽量靠近模型的重心。有条件时，舵机和接收机应尽量分别使用电源。电源电压不足时，应立即更换，以免舵机操纵失灵导致空中停机。舵机输出盘(摇臂)不同的角度和力臂孔，应尽量选择力臂大的，这样可以减小舵机负荷。输出盘与舵面，可以专用联杆或钢丝连接，前者效果较好。

3. 1. 2 舵机的构造

舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的 IC 判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位。位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会随之改变，藉由检测电阻值便可知转动的角度。一般的伺服马达是将细铜线缠绕在三极转子上，当电流流经线圈时便会产生磁场，与转子外围的磁铁产生排斥作用，进而产生转动的作用力。依据物理学原理，物体的转动惯量与质量成正比，因此要转动质量愈大的物体，所需的作用力也愈大。舵机为求转速快、耗电小，于是将细铜线缠绕成极薄的中空圆柱体，成一个重量极轻的五极中空转子，并将磁铁置於圆柱体内，这就是无核心马达，如图3-1所示。

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图3-1 舵机的结构

3. 1. 3 舵机的控制方法

标准的舵机有3条导线，分别是：电源线、地线、控制线，如图3-2所示。

图3-2 标准舵机

电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源。电压通常介于4—6V，一般取5V。注意，给舵机供电电源应能提供足够的功率。控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为20ms(即频率为50 Hz)。 当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。某型舵机的输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关系可用图3-3来表示。

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