偏心圓腿六足機器人控制電路設計

何新強,王宇俊,譚興軍

(西南大學計算機與信息科學學院,重慶 400715)

偏心圓腿六足機器人控制電路設計

何新強,王宇俊,譚興軍

(西南大學計算機與信息科學學院,重慶 400715)

介紹了偏心圓腿六足機器人的控制電路設計,該電路采用模塊化設計方法.控制電路分別由MCU核心電路、電源電路、紅外接收與解碼電路、信號采集電路和驅動控制電路共5個部分組成,其中MCU作為可編程核心器件控制整個系統(tǒng)工作.實驗驗證,該控制電路能滿足偏心圓腿六足機器人的控制需要,從而保證了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和可擴展性,為后繼的研究奠定了基礎.

偏心圓腿六足機器人;模塊化設計;MCU;紅外接收與解碼;信號采集;驅動控制

0 引言

目前,用于人類不宜、不便或不能進入的地域進行獨立探測的機器人主要分3種:由輪子驅動的輪式機器人、安裝履帶的履帶式機器人,以及基于仿生學的足式機器人[1].其中多足式機器人地面適應性最好、可靠性較高、控制難度也較低.因此,多足機器人可廣泛應用于野外偵察、災難救援、核能工業(yè)、星球探測、水下探測等領域.

在各類多足機器人中,模仿六足綱昆蟲的肢體結構和運動控制策略而創(chuàng)造出的六足機器人是最容易實現(xiàn)穩(wěn)定行走的一種.六足機器人與兩足、四足機器人相比,具有控制難度小、地表適應性強、穩(wěn)定性好、肢體冗余等特點,這些特點使得六足機器人更能勝任野外偵查、水下搜尋以及太空探測等復雜地形環(huán)境中對獨立性、可靠性要求較高的工作.

近年來,國內外對六足機器人進行了廣泛的研究與應用,美、日、德等發(fā)達國家從20世紀80年代就開始大規(guī)模投入六足機器人的研發(fā).其中具有代表性的包括iRobot公司研制的Genghis、麻省理工學院研制的Attila、密歇根大學研制的Rhex.國內關注和研制仿生六足機器人的研究者也越來越多,主要作品有沈陽自動化所研制的LR-1型六足步行機器人、北京理工大學研制的仿生六足爬行機器人和西南大學研制的ELHR系列.對于所有六足機器人的研究者來說,控制系統(tǒng)一直都是研究與設計的重點內容,不管提出的是何種類型的行走機構與步態(tài)原理,研究者都必須設計相應的控制系統(tǒng)去實現(xiàn).而控制電路又是控制系統(tǒng)的物理實現(xiàn),是一切控制策略與算法實現(xiàn)的基礎與平臺,一定程度上控制電路決定了控制系統(tǒng)的功能性、穩(wěn)定性與實用性.

本文針對一種偏心圓腿結構的六足機器人控制電路的設計進行分析和討論.該控制電路采用模塊化設計,降低了電路復雜度,保證了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和可擴展性.電路選用目前已被廣泛使用、可靠性和穩(wěn)定性得到充分認可,并在制作成本上也占優(yōu)勢的元器件.

1 偏心圓腿六足機器人概述

偏心圓腿六足機器人由遙控器與機器人構成,通過遙控可控制機器人前行、后退和左右轉向.該機器人的行走機構采用偏心圓結構,共有6條相同的偏心圓腿,分別由6個相同的直流減速電機驅動.機器人行走采用經典的三角步態(tài),控制電路控制6條腿協(xié)同工作完成步態(tài)算法.該機器人的特點是:機械結構對稱簡潔,可靠性高,穩(wěn)定性好;偏心圓腿比傳統(tǒng)桿狀腿柔性好、地面適應性更強,不僅適合平整硬質地面,草地、沙灘、碎石等地面都能行走;越障能力強,該機器人高112 mm,即能輕松越過70 mm的障礙物.

2 控制電路設計

2.1 控制電路總體框架

該偏心圓腿六足機器人控制電路采用模塊化設計,降低了電路復雜度,保證了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和可擴展性.如圖1所示,該控制電路由MCU核心電路、電源電路、紅外接收與解碼電路、信號采集電路和驅動控制電路5個模塊組成.

控制電路的控制過程如下:機器人啟動后自動進行系統(tǒng)初始化與腿的復位操作,包括電路自檢、中斷設置、各條腿與光電編碼器性能測試,并使所有腿立于地面將任意放置的機器人機身支撐起來.復位操作完成后MCU開始監(jiān)聽紅外通信接收與解碼電路傳來的遙控指令.若接收到遙控指令則執(zhí)行該指令所對應的控制程序,否則繼續(xù)監(jiān)聽.當監(jiān)聽到前進的指令后,MCU即執(zhí)行前進算法控制程序:通過分析采集的光電編碼信號判斷各條腿當前所處的位置并調整到正確的位置.通過P3.2輸出高電平接通驅動電路的驅動電源,根據(jù)算法通過P0口和P2口相關的引腳輸出PWM信號來控制各條腿旋轉從而驅動機器人機身前進,同時通過光電編碼信號進行反饋.當監(jiān)聽到新的指令后MCU立即執(zhí)行新指令對應的算法程序,當監(jiān)聽到停止指令后MCU在保證機身處于支撐起的狀態(tài)下切斷所有控制端的PWM信號,并通過P3.2輸出高電平切斷驅動電路的驅動電源.

圖1 控制電路結構框圖Fig.1 Block d iagram of control circuit

2.2 MCU核心電路

MCU選擇AT MEL公司的AT89S52型單片機.MCS51系列單片在國內被廣泛使用,而AT89S52又是性價比最高,使用最多的型號之一.AT89S52最高工作頻率33MHz,該電路中為12MHz.它不僅提供8 KB片內Flash程序存儲器,256 Byte的片內RAM,32個可編程I/O口,2個16位定時/計數(shù)器,5×2級中斷機構和一個全雙工可編程串行UART通道,支持在線可編程,還支持低功耗空閑和掉電模式,這些特點很好地滿足了該控制電路信號采集與驅動控制的要求[2].

圖2 MCU核心電路Fig.2 MCU core circuit

如圖2所示的MCU核心電路中單片機采用按鍵復位,將P0口接上了上拉電阻以便P0口作為通用輸入輸出端口使用.雖然AT89S52內部集成了256 Byte的片內RAM,但系統(tǒng)涉及數(shù)據(jù)采集,需要更大的數(shù)據(jù)存儲空間.我們使用AT24C02為MCU提供了額外的256 Byte數(shù)據(jù)存儲空間以滿足系統(tǒng)需要.此外,為了方便程序的下載和在線調試,該電路將單片機ISP接口引出.

2.3 電源電路

由于驅動電機采用12 V直流減速電機,控制電路使用TTL電平,因此系統(tǒng)需要12 V和5 V2種電源.該系統(tǒng)采用12 V電池組供電,并通過LM7805將12 V轉換成5 V給控制電路供電(圖3).LM7805是美國國家半導體公司(National Semiconductor)推出的一款三端穩(wěn)壓電路.LM78××系列是一種降壓式正電壓輸出穩(wěn)壓器,采用TO-220封裝,內置熱過載保護和短路保護電路,它們的外形酷似三極管,3只引腳分別為輸入、接地和輸出[3].LM7805的輸入電壓為5～35 V,但要獲得5 V的輸出至少需要2 V的壓差,一般使用時采用7～20 V輸入電源較佳.LM7805的輸出電壓+5 V,最大輸出電流1.5 A,當需要更大輸出電流時可以將多片LM7805并聯(lián)使用或增加更有效的散熱片.

2.4 紅外接收與解碼電路

偏心圓腿六足機器人是移動機器人,其正常工作時會在地面爬行,其身體重心呈正弦型波動.因此,若要對其進行實時控制,最好的辦法是通過遙控控制.根據(jù)機器人自身特點和應用場合,我們選擇紅外遙控對其進行實時控制.紅外發(fā)射端使用普通家電遙控器,編碼格式為NEC Code重復脈沖格式;紅外接收端使用S M0038一體化接收頭接收紅外信號,AT89S51單片機進行信號解碼,并通過一對數(shù)碼管顯示解碼結果以方便測試和調試.

圖3 電源電路Fig.3 Power circuit

S M0038是一個小功率一體化紅外接收器件,電路內置P IN二極管、前置放大器、帶通濾波器、積分器和自動增益控制電路,采用防電場干擾設計和塑料封裝[3].S M0038的輸出電平與TTL和CMOS兼容,且適用于包括NEC Code重復脈沖在內的多種數(shù)據(jù)格式.如圖4所示,S M0038僅有3只引腳,從左到右依次為輸出端、VCC和GND.圖中的R1為單片機P0.0的上拉電阻,R2和C11組成的濾波電路用來抑制電源干擾.

圖4 紅外接收與解碼電路Fig.4 IR receiver and decod ing circuit

2.5 信號采集電路

偏心圓腿六足機器人共有6條腿,每條腿都由1個電機獨立驅動,6條腿協(xié)同工作以完成相應的步態(tài)最終達到行走的功能.要精確控制這6條腿協(xié)同工作就必須獲得每條腿的實時狀態(tài),即檢測每條腿轉動的速度和轉過的角度.由于驅動電機不帶有編碼器,因此為每條腿都制作了一套紅外光電編碼器.每套編碼器都由碼盤、紅外收發(fā)對管和信號放大轉換電路構成,圖5所示的信號采集電路中包括了后兩者.

其中的碼盤是將一個圓均分成多個扇形,并涂成黑白相間的顏色.當紅外線照射到白色部分時大部分會被反射回來,而照射到黑色部分時大部分被吸收,只有很少一部分能被反射回來.將碼盤固定在機器人腿上并與腿的軸心同心,這樣碼盤的轉動狀況與腿的轉動狀況就能保持一致,只要檢測碼盤就能知道腿的轉動狀態(tài).其中的紅外收發(fā)對管選用RPR220.RPR220是一種一體化反射型光電探測器.其發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管,而接收器是一個高靈敏度的硅平面光電三極管.其特點是自帶塑料透鏡以提高靈敏度,內置可見光過濾器以減小離散光的影響,體積小、結構緊湊且采用D IP4封裝.將RPR220固定在機器人側面正對著碼盤,當碼盤旋轉到白色部分時便能輸出一個脈沖.

由于作為MCU的AT89S52單片機采用TTL電平,而RPR220輸出的信號很微弱且不是標準的方波,不能直接提供給MCU使用[4].因此,我們在它們中間加入了一個信號放大轉換電路,將RPR220輸出的信號轉換成標準TTL電平方波輸出.如圖5所示,其中的放大轉換功能由LM339完成.雖然LM339并不是放大器而是電壓比較器,但它有如下功能特性:當同相輸入端電壓高于反相輸入端時,輸出管截止,相當于輸出端開路;當同相輸入端電壓低于反相輸入端時,輸出管飽和,相當于輸出端接低電位;只要2個輸入端電壓差別大于10 mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉換到另一種狀態(tài).因此,把LM339用在RPR220輸出的弱電信號檢測上是可行的.每片LM339包含了4個獨立電壓比較器,機器人只需要6個電壓比較器,因此只需2片LM339即可.

圖5中同相輸入端為參考電壓,反相輸入端為比較電壓.當碼盤旋轉到黑色部分時,RPR220的光電三極管處于截止狀態(tài),LM339的反相輸入端(圖中為6腳)電壓為VCC,大于同相輸入端(圖中為7腳)電壓,輸出端電壓為GND;當碼盤旋轉到白色部分時,RPR220的光電三極管處于飽和狀態(tài), LM339的反相輸入端電壓為UCE,小于同相輸入端電壓,輸出端電壓為VCC.輸出端需接一個上拉電阻才能輸出VCC電壓,并聯(lián)一個LED顯示輸出狀態(tài)以便測試和調試.由于RPR220的輸出狀態(tài)受與碼盤間距離、碼盤材質等因素影響,因此LM339同相輸入端可以通過一個可變電阻器進行調節(jié).

圖5 信號采集電路Fig.5 Signal acquisition circuit

2.6 驅動控制電路

偏心圓腿六足機器人的驅動控制電路由2部分組成,即驅動電源控制電路和驅動電機控制電路.為了保證系統(tǒng)的可靠性, MCU需要能控制驅動電源VS.圖6所示為驅動電源控制電路,該電路中通過一個常閉型電磁式繼電器來控制VS.當MCU的P3.2腳置0時Q1截止,VS斷開,當P3.2腳置1時Q1飽和,VS導通.輸出的VS作為L298N的VS輸入,并聯(lián)的2個電容用以抑制電源抖動.

偏心圓腿六足機器人共有6個直流減速電機,采用3片意法半導體公司(ST Microelectronics)的L298N作為驅動控制器[5]. L298N是一種恒壓恒流橋式驅動芯片,內部包含2個H橋驅動電路,可以獨立驅動2個直流電機或1個兩相步進電機.其輸出電壓可達46 V,輸出電流最高達2.5 A.如圖7所示為驅動2個電機的控制電路,VS接12 V驅動電源,VCC接5 V邏輯電源.其中OUT1和OUT2為第1個H橋電路的2個輸出, IN1、 IN2、ENA為其控制信號的輸入端.當ENA有效時第1個H橋電路使能,此時若 IN1為高電平 IN2為低電平則電流經OUT1流出電機M1正向旋轉,若IN1為低電平 IN2為高電平則電流經OUT2流出電機M1反向旋轉.OUT3和OUT4為第2個H橋電路的2個輸出, IN3、 IN4、ENB對其控制.為了節(jié)省引腳資源,將該電路的使能端ENA、ENB直接接VCC,通過對 IN1～ IN4輸入PWM信號來控制電機的方向與速度.

圖6 驅動電源控制電路Fig.6 Drive power control circuit

雖然L298N的各控制端可直接與單片機引腳相連,但為了保證系統(tǒng)的可靠性我們將該信號進行了光電隔離,以避免驅動電流的波動對控制電路其他部分造成影響.TLP521是東芝公司生產的光電耦合器,性能較好,使用也比較廣泛.TLP521-4內部有4組相互獨立的光電耦合器,剛好可供1片L298N的控制端輸入.

3 實驗與分析

從實驗結果來看,本控制電路在實驗用偏心圓腿六足機器人上得到很好效果,能夠很好地使偏心圓腿六足機器人完成直行前進、后退、左右轉向、越障等步態(tài)控制.但作為MCU的AT89S52單片機功能非常有限,工作頻率低,不能裝載多任務實時操作系統(tǒng);自制的光電編碼器精確度和穩(wěn)定性不是太理想.

4 結束語

本文所述偏心圓腿六足機器人控制電路采用模塊化設計,分別由MCU核心電路、電源電路、紅外接收與解碼電路、信號采集電路和驅動控制電路5個部分組成,其中MCU作為可編程核心器件控制整個系統(tǒng)工作.該電路與其他有關電路相比降低了電路復雜性,在成本上也比較低.該控制電路用于原理機進行行走機構的原理驗證和步態(tài)算法的正確性檢測,但對于有實際用途的機器人來說還有很大的距離.當然,筆者目前正著力于新一代更有實用性質的六足機器人的研制,在控制電路的設計方面將會采用功能更強大、檔次更高的設備和元器.希望偏心圓腿六足機器人能早日投入使用.

圖7 驅動電機控制電路Fig.7 Drive motor control circuit

[1] 儲忠.六足仿生機器人的運動步態(tài)研究[D].安徽:合肥工業(yè)大學,2007:3-5.

[2] 陳繼榮.智能電子創(chuàng)新制作——機器人制作入門[M].北京:科學出版社,2007:158.

[3] 譚興軍,王宇俊,何新強.基于單片機的管道機器人多路數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)的設計[J].工業(yè)控制計算機,2010,23(11):23-26.

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[5] 王倩.六足仿生機器人步態(tài)規(guī)劃與控制系統(tǒng)研制[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2007:1-3.

Design of Control Circuit of Eccentric-Type Legged Hexapod Robot

HE Xin-qiang,WANG Yu-jun,TAN Xing-jun

(College of Com puter and Infor m ation Science,Southwest University,Chongqing400715,China)

Introduces the design of control circuit of an Eccentric-Type Legged Hexapod Robot,which is used of modular design method.The control circuit is made up ofMCU core circuit,power circuit,infrared receiver and decoding circuitry,signal acquisition circuit and drive control circuit,totally 5 parts,of which MCU controls the entire system work as a programmable core of device.Exper iments show that the control circuit canmeet the Eccentric-Type Legged Hexapod Robot’s control need,which can ensure system reliability,stability and scalability,as the basis for subsequent research.

eccentric-type legged hexapod robot;modular design;MCU;infrared receiver and decoder;signal acquisition;drive control

TP242.6

A

1007-0834(2011)01-0036-05

10.3969/j.issn.1007-0834.2011.01.012

2011-01-05

何新強(1976—),男,河南漯河人,西南大學計算機與信息科學學院在讀碩士研究生.