舵機(jī)對機(jī)器人的驅(qū)動控制

劉學(xué)菁

（天津市第一輕工業(yè)學(xué)校，天津市 300131）

舵機(jī)對機(jī)器人的驅(qū)動控制

劉學(xué)菁

（天津市第一輕工業(yè)學(xué)校，天津市 300131）

機(jī)器人的研究應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，其中類人機(jī)器人的研究和應(yīng)用尤其受到了普遍的關(guān)注，并成為智能機(jī)器人領(lǐng)域中最活躍的研究熱點(diǎn)之一。研制與人類外觀特征類似，具有人類智能、靈活性，并能夠與人交流、不斷適應(yīng)環(huán)境的類人機(jī)器人一直是人類的夢想之一。本文闡述了采用了PIC系列單片機(jī)對機(jī)器人各功能子系統(tǒng)進(jìn)行控制的同時，通過對舵機(jī)的優(yōu)化控制使機(jī)器人具有多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)動模仿人類動作的能力。

類人機(jī)器人；運(yùn)動軌跡；驅(qū)動控制

類人機(jī)器人研究在很多方面已經(jīng)取得了突破，如關(guān)鍵機(jī)械單元、基本行走能力、整體運(yùn)動、動態(tài)視覺等，但是離理想中的要求還相去甚遠(yuǎn)，需要在類人機(jī)器人思維和學(xué)習(xí)能力、與環(huán)境的交互、軀體結(jié)構(gòu)和四肢運(yùn)動、體系結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行更進(jìn)一步的研究。研制與人類外觀特征類似，具有人類智能、靈活性，并能夠與人交流，不斷適應(yīng)環(huán)境的類人機(jī)器人一直是人類的夢想之一。

本文通過對舵機(jī)的優(yōu)化控制使機(jī)器人具有多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)動模仿人類動作的能力。

一、舵機(jī)對機(jī)器人的驅(qū)動控制

機(jī)器人上身的手臂及頭部結(jié)構(gòu)是由多舵機(jī)組成的。舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動器，適用于需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。

在機(jī)器人機(jī)電控制系統(tǒng)中，舵機(jī)控制效果是性能的重要影響因素。舵機(jī)可以在微機(jī)電系統(tǒng)和航模中作為基本的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其簡單的控制和輸出使得單片機(jī)系統(tǒng)非常容易與之接口。

下圖選用的舵機(jī)（圖0）是一種高性能舵機(jī)，其力矩是8．7 kg·cm ，速度為0．17 s／60°，型號是KRS－2346ICS。該舵機(jī)在同類產(chǎn)品中具有力矩大，穩(wěn)定性好，且易于控制等突出特點(diǎn)。只要按照要求給定脈沖周期寬度，舵機(jī)能從0°轉(zhuǎn)到0°，通過程序控制，使舵機(jī)勻速或變速轉(zhuǎn)動。

圖0 舵機(jī)外觀圖

舵機(jī)與外界的連接端口只有三端，其中與單片機(jī)的接口只有一端，稱之為控制線，另外兩端分別接電源與電源地，為電源線與地線。舵機(jī)與單片機(jī)接法如下圖1所示。舵機(jī)的控制信號是PWM信號，利用占空比的變化改變舵機(jī)的位置。一般舵機(jī)的控制要求如圖2所示。

圖1 舵機(jī)與單片機(jī)的接線圖

圖2 舵機(jī)的控制要求

用單片機(jī)作為舵機(jī)的控制單元，使PWM信號的脈沖寬度實(shí)現(xiàn)微秒級的變化，從而提高舵機(jī)的轉(zhuǎn)角精度。單片機(jī)完成控制算法，再將計算結(jié)果轉(zhuǎn)化為PWM信號輸出到舵機(jī)，由于單片機(jī)系統(tǒng)是一個數(shù)字系統(tǒng)，其控制信號的變化完全依靠硬件計數(shù)，所以受外界干擾較小，整個系統(tǒng)工作可靠。單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角的控制：首先是產(chǎn)生基本的PWM周期信號，即產(chǎn)生20 ms的周期信號；其次是脈寬的調(diào)整，即單片機(jī)模擬PWM信號的輸出，并且調(diào)整占空比。即可使舵機(jī)轉(zhuǎn)到相應(yīng)角度。

圖3 機(jī)器人移動輪示意圖

機(jī)器人手臂運(yùn)動的軌跡是指機(jī)器人在運(yùn)動過程中的位移、速度和加速度。而軌跡規(guī)劃是根據(jù)作業(yè)任務(wù)的要求，計算出預(yù)期的運(yùn)動軌跡，對機(jī)器人的任務(wù)、運(yùn)動路徑和軌跡進(jìn)行描述，機(jī)器人軌跡規(guī)劃屬于機(jī)器人底層規(guī)劃，是在機(jī)器人運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的基礎(chǔ)上，討論在關(guān)節(jié)空間和笛卡兒空間中機(jī)器人運(yùn)動的軌跡規(guī)劃和軌跡生成方法。

在規(guī)劃機(jī)器人的運(yùn)動軌跡時，還需要弄清在其路徑上是否存在障礙物。路徑規(guī)劃和障礙物的組合把機(jī)器人的規(guī)劃與控制方式劃分為四類，如下表1所示。本文采用了連續(xù)路徑的無障礙軌跡規(guī)劃方法。

表1 機(jī)器人手臂控制規(guī)劃

路徑有：離線無碰撞路徑規(guī)則、在線路徑跟蹤離線路徑規(guī)則、在線路徑跟蹤約束無位置控制、在線障礙探測和避障位置控制。機(jī)器人最常用的軌跡規(guī)劃方法有兩種：第一種方法要求對于選定的轉(zhuǎn)變結(jié)點(diǎn)（插值點(diǎn)）上的位姿、速度和加速度給出一組顯式約束（例如連續(xù)性），軌跡規(guī)劃對結(jié)點(diǎn)進(jìn)行插值，并滿足約束條件；第二種方法要求給出運(yùn)動路徑的解析式，如為直角坐標(biāo)空間中的直線路徑，軌跡規(guī)劃在關(guān)節(jié)空間或直角坐標(biāo)空間中確定一條軌跡來逼近預(yù)定的路徑。在第一種方法中，運(yùn)動的設(shè)定和軌跡規(guī)劃均在關(guān)節(jié)空間中進(jìn)行，因此可能會與障礙物相碰。第二種方法的路徑運(yùn)動是在直角坐標(biāo)空間中給定的，而關(guān)節(jié)驅(qū)動器是在關(guān)節(jié)空間中受控的，因此，為了得到與給定路徑十分接近的軌跡，首先必須采用某種函數(shù)逼近的方法將直角坐標(biāo)路徑約束（路徑運(yùn)動）轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)坐標(biāo)路徑約束（路徑運(yùn)動），然后確定滿足關(guān)節(jié)路徑約束（路徑運(yùn)動）的參數(shù)化路徑。目前，機(jī)器人的手臂或其它運(yùn)動方式是示教再現(xiàn)的，即首先教機(jī)器人如何做，機(jī)器人就記住了這個過程，于是它可以根據(jù)需要重復(fù)這個動作。對于連續(xù)路徑控制（圖4），不可能把機(jī)器人的運(yùn)動軌跡的所有點(diǎn)都示教一遍，讓機(jī)器人記住，因?yàn)檫@樣會增加計算機(jī)（單片機(jī)）的負(fù)擔(dān)或浪費(fèi)內(nèi)存。因此，對于有規(guī)律的軌跡，只要示教幾個特征點(diǎn)，（如直線需要示教兩點(diǎn)，圓弧需要示教三點(diǎn)），計算機(jī)或單片機(jī)就能利用插補(bǔ)算法獲得中間點(diǎn)的坐標(biāo)（相對于基坐標(biāo)系），機(jī)器人將這些運(yùn)算結(jié)果放入存儲器，以便以后的再現(xiàn)。

圖4 機(jī)器人軌跡控制過程圖

（二）舵機(jī)的軟件設(shè)計

舵機(jī)是小型仿人機(jī)器人常用的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它接收一定的控制信號，輸出相應(yīng)的角度。圖5所示為舵機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出舵機(jī)主要是由外殼、一個小型直流電機(jī)、一組減速齒輪、一個用于檢測轉(zhuǎn)角位置的檢測電位器和一塊控制電路板組成。其中，高速轉(zhuǎn)動的直流電動機(jī)提供了原始動力，經(jīng)過減速齒輪組減速后，通過輸出軸對外提供轉(zhuǎn)距，齒輪組的減速比越大，舵機(jī)的輸出力矩也越大。標(biāo)準(zhǔn)的舵機(jī)有3條導(dǎo)線，分別是：控制線、電源線、地線。電源線和地線用于提供舵機(jī)內(nèi)部的直流電機(jī)和控制線路所需的能源，電壓通常介于4～7．2 V，控制線的輸入是一個寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號。當(dāng)方波的脈沖寬度改變時，舵機(jī)轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生改變，角度變化與脈沖寬度的變化成正比，其輸出軸轉(zhuǎn)角與輸入信號的脈沖寬度之間的關(guān)系可用圖6所示。

圖5 舵機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖6 舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸入信號脈沖寬度的關(guān)系

舵機(jī)標(biāo)稱方波脈沖信號的周期為20 ms，事實(shí)上舵機(jī)角度控制對信號的周期要求為18～20 ms。舵機(jī)的控制信號被成為PPM（Pulse Position Modulation，即脈沖位置調(diào)制波）?？捎蒄PGA模擬電路或單片機(jī)來產(chǎn)生。

本文采用的PIC16F877為主控芯片，晶振頻率取值20 MHz，每條指令執(zhí)行時間為200 NS。從圖7可以看出，舵機(jī)角度變化1°時，脈寬改變?yōu)?700μs／180°＝9．4μs／°，單片機(jī)能執(zhí)行9．4μs／／0．2 μs／條約47條指令，用C語言很難實(shí)現(xiàn)在47條指令內(nèi)一次比較判斷完24路舵機(jī)的PPM信號。多路PPM信號產(chǎn)生的機(jī)理如圖13所示。為了產(chǎn)生精確的時間信號，占用了一個16位硬件計數(shù)器，計數(shù)基準(zhǔn)設(shè)為200 ns，同時用24個16位匹配寄存器保存每一路PPM信號的計數(shù)匹配值，該匹配值正比于舵機(jī)的期望角度。24路PPM信號分為8組，每組3路進(jìn)行分時控制。程序開始時，將第一組PPM信號相應(yīng)的引腳全置高電平，并且將計數(shù)器清零。然后不斷查詢計數(shù)器的值是否大于或等于匹配寄存器的值。如果是，將該路PPM信號的引腳置為低電平。每一組PPM信號占用的時隙均為2．4 ms（不足2．4 ms的延時到2．4 ms），保證每一路PPM 信號的周期T ＝2．4×8＝19．2ms。在8組PPM信號處理完畢后，再用0．5 ms～1 ms的時隙進(jìn)行系統(tǒng)的其他任務(wù)處理。這種分時控制的方法的最大特點(diǎn)是保證每一路PPM信號的時間誤差最小，且不會產(chǎn)生波形的抖動。對于PIC16F877單片機(jī)在20 M的系統(tǒng)時鐘下，1 ms內(nèi)能執(zhí)行5000條單周期指令，PPM的周期可以大于20 ms。

圖7 多路PPM信號產(chǎn)生機(jī)理

圖8 所示為多路PPM信號的發(fā)生流程圖。PA、PB、PC、PD、PE的24個端口均為PPM輸出端口，16位定時器用來和每組的3路PPM信號匹配寄存器進(jìn)行比較，基準(zhǔn)為200。

本文著重研究了用于組成機(jī)器人手臂的舵機(jī)的控制及各個子功能模塊的設(shè)計，為機(jī)器人的理論實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。

［1］殷際英，何廣平．關(guān)節(jié)型機(jī)器人［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003．

［2］蔡自興，周翔，李梅毅等．基于功能／行為集成的自主式移動機(jī)器人進(jìn)化控制體系結(jié)構(gòu)［J］．機(jī)器人，2000，（03）．

The Drive Control of the Robot from Servo

LIU Xue－jing
（Tianjin First Light Industry School，Tianjin 300131 China）

In the highly developing robot applications field，humanoid robot research are laid more emphasis on．Humanoid robot，with similar human features，intelligence and flexibility，is able to communicate with people and constantly adapt to the environment．This thesis describes the PIC MCU is used to control the subsystem of the robot to develop the multi－joint movement coordination ability through the servo control of the robot，which has been one of mankind＇s dreams．

humanoid robots；trajectory；drive control

TP24

A

1673－582X（2011）10－0082－05

2011－07－07

劉學(xué)菁（1976－），女，天津市人，碩士，天津市第一輕工業(yè)學(xué)校講師，主要從事機(jī)電專業(yè)教學(xué)工作。