六足爬行机器人系统设计 最后论文 - 图文(5)

六足爬行机器人控制系统设计

图3-3 舵机输出转角与输入信号脉冲宽度的关系

舵机的电源引线：电源引线有三条，舵机三条线中橙色的线是控制线，接到控制芯片上；红色的线是舵机工作电源线，一般工作电源是5V；黑色的线是地线。如图3-4所示。

图3-4 舵机电源引线

3. 1. 4 舵机的工作原理

控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1. 5ms 的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过多级减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。当然我们可以不用去了解它的具体工作原理，知道它的控制原理就够了。就像我们使用晶体管一样，知道可以拿它来做开关管或放大管就行了，至于管内的电子具体怎么流动是可以完全不用去考虑的

小型舵机的工作电压一般为4. 8V或6V，转速也不是很快，一般为 0. 22/60 度 或 0. 18/60 度，所以假如你更改角度控制脉冲的宽度太快时，舵机可能反应不过来。 如果需要更快速的反应，就需要更高的转速了。

要精确的控制舵机，其实没有我们想的那么容易，很多舵机的位置等级有1024个。如此说来，如果舵机的有效角度范围为180度的话，其控制的角度精度是可以达到180/1024度约0.18度了，从时间上看其实要求的脉宽控制精度为 2000/1024us 约

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2us。如果你拿了个舵机，连控制精度为 1 度都达不到的话，而且还看到舵机在发抖。在这种情况下，只要舵机的电压没有抖动，那抖动的就是你的控制脉冲了。使用传统单片机控制舵机的方案也有很多，多是利用定时器和中断的方式来完成控制的，这样的方式控制1个舵机还是相当有效的，但是随着舵机数量的增加，也许控制起来就没有那么方便而且可以达到约 2 微秒的脉宽控制精度了。

图3-5 TowerPro—MG995

国内市场上常见的微型伺服电机主要是JR、Futaba和辉盛三个品牌。 JR和Futaba品牌是日本生产的，价格相对较高，各方面性能较好；辉盛品牌为国内厂家制造，价格相对低廉。 但是，运动精度与速度以及稳定性，辉盛系类的微型伺服电机稍逊一筹。 另外，不同品牌的微型伺服电机的接头和正逆转的方向也有所不同 。JR 的伺服电机都是以 4. 8V 为测试电压，Futaba则是以 6. 0V 作为测试电压。速度快、扭力大的伺服电机，除了价格贵，还会伴随著高耗电的特点。对于应用于六足仿生机器人的微型伺服电机的要求，需要微型伺服电机具有体积小、重量轻、扭力大的特点。 不同品牌的微型伺服电机性能各有不同，见表3-1。

表3-1 伺服电机技术参数

品牌、类型 Futaba（s3801） Futaba（s5801） JR（NES-605） JR（NES-4721） 辉盛 （Tower Pro—MG995） 辉盛（Tower Pro—MG996R）

重量（g） 工作电压（V） 107 83 145 49 55. 2 55. 2

6 7. 2 4. 8 4. 8 4. 8~7. 2 4. 8-7. 2

无负载速度

扭力（Kg/cm） 结构尺寸（mm）

（sec/60°）

0. 26 0. 5 0. 28 0. 22

14 9. 8 10 8. 6

59. 2×28. 8×49. 8

46×25×44 63. 5×32×53. 5 39×19×33

0. 24(6. 0V) / 13. 0(6. 0V) / 15.

40. 6×19. 8×37. 8

0. 2(7. 2V) 0(7. 2V) 0. 17(4. 8V) 9. 0(4. 8V)/10.

40. 7×19. 7×42. 9

/0. 14(6V) 5(6V)

根据相关参考资料，利用微型伺服电机驱动关节机器人，通常扭矩为 3. 1 kg/cm 的伺服电机可以驱动 0. 45kg 的机器人。 TowerPro—MG995 型伺服马达最大扭矩为 15 kg/cm，故必须使机器人质量控制在 2. 15kg 之内。TowerPro—MG995的扭力在几个品牌中是最大的，并且工作电压的范围较为宽泛，重量虽然不是最轻的，但是它体

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积相对较小，性价比最优。最后决定选用 TowerPro—MG995 型微型伺服电机作为关节驱动元件。TowerPro—MG995如图3-5，技术参数见表3-1。

3. 2 伺服电机驱动电路的选择

六足仿生机器人伺服电机驱动电路的要求：

（1） 对伺服电机的供电必须输出稳定，且电流足够驱动12个伺服电机。 （2） 驱动电路输出的驱动信号稳定，以便伺服电机能够正常工作不产生抖动。 （3） 结构紧凑，体积小，物理性能稳定。 驱动电路的方案有两种：

a． 独立设计驱动电路或直接对MCU进行编程，使MCU产生控制伺服电机PWM 信号，利用程序改变PWM信号的脉宽，从而改变伺服电机的状态。

这种方式的优点是，可以使得主控电路与伺服电路最大化的集成，得到的电路规模为最小，给电路板在机器人身上的安装带来直接的便利，而且减少的机器人的总体重量。 机器人的伺服电机可以选择较小扭力的伺服电机。 缺点是：程序的规模较大，给调试带来较大的麻烦，使程序设计者不能把全部的精力用来规划机器人的运动。 机器人的程序规模变大，直接导致程序的不稳定。 在多个伺服电机同时工作状态和多个伺服电机的速度要协调的状态下，程序的编制尤为困难和繁杂。

b． 选择产品化的伺服电机控制器，通过与主控制器的通信来实现对伺服电机的 高效控制。

这种控制方式的优点是，可以方便的实现多个伺服电机的协调优化控制，较为轻松的达到多个伺服电机的同时启停的控制。 使程序的规模有相当大的精简，以往需要几十行的或者更多的程序，通常短短的几个控制字符就可以轻易的实现。 并且控制精度也有相当的提高。 程序设计者可以把丰富的精力用来研究机器人的动作规划。 缺点是，电路板的规模会有一定的提高，给电路板的安装带来一定麻烦。

综合各个方面的因素，决定选用第二种方式。

伺服电机驱动器采用mini USB 32微型伺服电机控制器。 这是一款功能较强、体积较小的微型伺服电机控制器。它有着很高的位置精度以及运动精度。结构如图3-6。

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1 、mini USB接口 2、TTL串口跳线 3、比特率设置 4、对外5V供电接口 5、4路输入接口 6、舵机信号接口

7、舵机电源正极 8、舵机电源负极 9、舵机供电 10、控制板电源(7V-12V)

图3-6 mini USB 32路舵机控制器

其主要特性有：

1、采用32位高速CPU，处理速度更快，控制更精确，运行更稳定。

2、自动识别波特率（9600，19200，38400，57600，115200，12800自动识别）。 3、真正的脱机运行（例如发送\带回车，舵机控制器上电之后自动运行第1，3，4，5，6，7个动作组，循环执行100次，性能稳定，添加500个动作组也完全没问题）。 …… 此处隐藏：1324字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……