基于雙足負(fù)載機(jī)器人的大功率舵機(jī)的設(shè)計(jì)

王曉楓，華云松

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

基于雙足負(fù)載機(jī)器人的大功率舵機(jī)的設(shè)計(jì)

王曉楓，華云松

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

研究設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于雙足負(fù)載機(jī)器人的功率較大的小型舵機(jī)系統(tǒng)，相較于常規(guī)電動(dòng)舵機(jī)，具有功率密度高和承載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。該舵機(jī)系統(tǒng)以IRF530作為開(kāi)關(guān)元件、IR2110作為柵極驅(qū)動(dòng)芯片，通過(guò)功率放大電路實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，然后經(jīng)由反饋模塊，控制舵面的偏轉(zhuǎn)角度并調(diào)節(jié)回路電流，從而構(gòu)成一個(gè)閉合反饋的舵機(jī)系統(tǒng)。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證了本次設(shè)計(jì)的基于雙足負(fù)載機(jī)器人的小型化大功率舵機(jī)系統(tǒng)的合理性與正確性。

舵機(jī)；閉合反饋系統(tǒng)；雙足負(fù)載機(jī)器人

舵機(jī)系統(tǒng)作為一種高精度、高響應(yīng)速度的位置伺服系統(tǒng)，通過(guò)接受主控系統(tǒng)給定的舵面偏轉(zhuǎn)信號(hào)，從而操縱舵面的偏轉(zhuǎn)角度，是機(jī)電控制系統(tǒng)的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)[1]。且電動(dòng)舵機(jī)以其能源單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好、可靠性高，使用維護(hù)性方便，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)在航天、船舶、機(jī)器人等領(lǐng)域備受人們關(guān)注[2]。在航天方面，舵機(jī)是飛行器制導(dǎo)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其飛行姿態(tài)變換的俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)都是靠舵機(jī)相互配合完成的，因此舵機(jī)的性能直接影響飛行過(guò)程中的動(dòng)態(tài)品質(zhì)[3]。在船舶方面，舵機(jī)是一種大甲板機(jī)械，具有保持或改變行向的作用。船用舵機(jī)目前多用電液式，即液壓設(shè)備由電動(dòng)設(shè)備進(jìn)行遙控操作[4]。

上述系統(tǒng)中的舵機(jī)都屬于大型的大功率電動(dòng)舵機(jī)，而本文研究的舵機(jī)是針對(duì)雙足負(fù)載機(jī)器人系統(tǒng)而言。舵機(jī)作為主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其控制效果是影響雙足負(fù)載機(jī)器人系統(tǒng)性能的重要因素[5]。常見(jiàn)的小型舵機(jī)一般功率較小，對(duì)于雙足負(fù)載機(jī)器人系統(tǒng)而言，這類(lèi)舵機(jī)的顯然無(wú)法實(shí)現(xiàn)其多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)控制[6-7]。針對(duì)這一情況，本文研究并設(shè)計(jì)一種完整的小型化、大功率電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)。

1 舵機(jī)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

舵機(jī)作為一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，是雙足機(jī)器人系統(tǒng)的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)[8]。本次設(shè)計(jì)中，舵機(jī)系統(tǒng)采用閉環(huán)反饋的控制方式，由圖1可見(jiàn)，具體組成部分有：減速齒輪組、電位計(jì)、電流傳感器、電機(jī)、控制電路。

圖1 舵機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

舵機(jī)系統(tǒng)工作原理：控制電路接收主控板的信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)一系列齒輪組，減速后傳動(dòng)至輸出舵盤(pán)。舵機(jī)的輸出軸和電位計(jì)相連，舵盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，帶動(dòng)電位計(jì)，電位計(jì)將輸出一個(gè)電壓反饋信號(hào)至回路，然后控制電路根據(jù)電位計(jì)反饋信號(hào)決定電機(jī)的偏轉(zhuǎn)方向與角度，直到達(dá)到目標(biāo)位置停止。同時(shí)，控制電路也根據(jù)電流傳感器的反饋信號(hào)調(diào)節(jié)回路電流，起到了限流保護(hù)的作用。

2 控制電路的設(shè)計(jì)

2.1 H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的方式有多種，對(duì)于單向的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，只要用一個(gè)大功率三極管或場(chǎng)效應(yīng)管或繼電器直接帶動(dòng)電機(jī)即可，但當(dāng)電機(jī)需要雙向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以使用由4個(gè)功率元件組成的H 橋電路[9]。本次設(shè)計(jì)中采用H橋?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。

功率器件作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路必不可少的部分，其性能也影響著整個(gè)舵機(jī)系統(tǒng)的性能。如表1所示，即為各類(lèi)型功率電力電子器件的主要技術(shù)特點(diǎn)[10]。

表1 各類(lèi)功率電力電子器件比較

MOSFET管是電壓控制型元件，具有輸入阻抗大、開(kāi)關(guān)速度快、無(wú)二次擊穿等特點(diǎn)，在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可提供近似電源電壓的電壓，并結(jié)合表1 比較分析，本次設(shè)計(jì)中的H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路選用MOSFET管作為開(kāi)關(guān)元件，可達(dá)到較好的驅(qū)動(dòng)效果。如圖2所示，即為4片MOSFET構(gòu)成的H橋電路。

圖2 H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，選用選用IR公司的N溝道增強(qiáng)型MOSFET管IRF530，其漏極電流為14 A，并可承受49 A的單脈沖電流，最大電壓100 V，其導(dǎo)通電阻≤0.16 Ω，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)大功率電機(jī)的目的。

2.2 IR2110功率驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

為了驅(qū)動(dòng)4片IRF530芯片，本次設(shè)計(jì)中選用了兩片IR2110，同時(shí)外接少量的輔助器件可構(gòu)成集成度高、體積小的H型功率驅(qū)動(dòng)電路。如圖3所示，即為單片IR2110驅(qū)動(dòng)單橋臂IRF530的原理圖。

圖3 單片IR2110驅(qū)動(dòng)單橋臂IRF530的原理圖

其中C1、C3、C4均為各電源與地之間的電容，利用電容的儲(chǔ)能防止電壓有大的波動(dòng)。C2為自舉電容，Vcc經(jīng)D1、C2、負(fù)載，Q2給C2充電，以確保在Q2關(guān)閉、Q1導(dǎo)通時(shí)，Q2管的柵極靠C2上足夠的儲(chǔ)能來(lái)驅(qū)動(dòng)。自舉電容的取值與PWM的頻率相關(guān)，頻率低時(shí)，選用大電容；頻率高時(shí)，選用較小的電容。圖中的D1是保護(hù)二極管，可防止Q1導(dǎo)通時(shí)高電壓串入Vcc端損壞該驅(qū)動(dòng)芯片。

3 電位計(jì)原理

本次設(shè)計(jì)中采用了電位計(jì)進(jìn)行角度反饋。其與舵機(jī)的輸出軸機(jī)械相連，將舵面偏轉(zhuǎn)的變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，再通過(guò)測(cè)量電路把電阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的輸出，從而精確地反映了舵機(jī)輸出軸的位置。其原理如圖4所示。

圖4 電位計(jì)原理圖與對(duì)應(yīng)的等效電路

圖中，R0為電位計(jì)電阻；①角即Δθ，Δθ為電刷自電位計(jì)中點(diǎn)O向任一方向偏轉(zhuǎn)的角度；②角即θ0，θ0為電位計(jì)最大電氣轉(zhuǎn)角；Rf為負(fù)載電阻；If為負(fù)載電流。

由圖可得

(1)

設(shè)電位計(jì)是線(xiàn)性的，電阻變化量

(2)

(3)

當(dāng)傳感器輸出端阻抗較大時(shí)，Rf→∞，有如下線(xiàn)性關(guān)系

(4)

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 機(jī)器人機(jī)構(gòu)的建模仿真

機(jī)器人本體由座椅、大腿、小腿和腳組成，大小腿及腳腕可在垂直平面轉(zhuǎn)動(dòng)，腳掌可以水平翻轉(zhuǎn)，其側(cè)向和正向運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6所示[11-12]。

圖6 機(jī)器人側(cè)向和正向運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

根據(jù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)圖，在Solidworks中建立其三維模型[13]，通過(guò)左右大腿桿件、左右小腿桿件、左右腳腕、左右腳掌等部件的配合，將8路舵機(jī)裝配，構(gòu)成完整的雙足負(fù)載機(jī)器人系統(tǒng)，并建立運(yùn)動(dòng)算例，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，其仿真結(jié)構(gòu)如圖7所示[14-15]。

圖7 運(yùn)動(dòng)姿態(tài)仿真圖

在本次實(shí)驗(yàn)室，選擇馬達(dá)類(lèi)型為旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，通過(guò)設(shè)置運(yùn)動(dòng)速度，使雙足行走負(fù)載機(jī)器人按照選取的方向進(jìn)行仿真運(yùn)動(dòng)。

4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

使用8個(gè)小型大功率舵機(jī)和聯(lián)結(jié)構(gòu)件組合，構(gòu)成雙足負(fù)載機(jī)器人系統(tǒng)；選用STC12C5A60S2單片機(jī)和24路舵機(jī)驅(qū)動(dòng)板共同驅(qū)動(dòng)舵機(jī)。其部分程序如下：

PCON |= 0x80; //使能波特率倍速位

SCON = 0x50; //8位數(shù)據(jù),可變波特率

AUXR |= 0x40; //定時(shí)器1時(shí)鐘為Fosc,即1T

AUXR &= 0xfe; //串口1選擇定時(shí)器1為波特率發(fā)生器

TMOD &= 0x0f; //清除定時(shí)器1模式位

TMOD |= 0x20; //設(shè)定定時(shí)器1為8位自動(dòng)重裝方式

TL1 = 0xFA; //設(shè)定定時(shí)初值

TH1 = 0xFA; //設(shè)定定時(shí)器重裝值

ET1 = 0; //禁止定時(shí)器1中斷

TR1 = 1; //啟動(dòng)定時(shí)器1

實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)控制舵機(jī)舵面的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)連桿，帶動(dòng)雙足負(fù)載機(jī)器人做出各種指定動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其運(yùn)動(dòng)的控制。如圖8所示，即為機(jī)器人在負(fù)載行走過(guò)程中的不同姿態(tài)。

圖8 實(shí)際運(yùn)動(dòng)姿態(tài)圖

機(jī)器人在負(fù)載行走過(guò)程平滑穩(wěn)定，與在Solidworks中仿真得到的行走動(dòng)畫(huà)動(dòng)作同步，驗(yàn)證了本次設(shè)計(jì)的基于雙足負(fù)載機(jī)器人的小型化大功率舵機(jī)系統(tǒng)的合理性與正確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要設(shè)計(jì)了一種基于雙足負(fù)載機(jī)器人的舵機(jī)系統(tǒng)。研究分析了該舵機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，結(jié)合實(shí)際工作需求，完成了舵機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制電路及反饋模塊的設(shè)計(jì)。該舵機(jī)系統(tǒng)具備體積較小、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的負(fù)載行走。

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Design of High Power Steering Gear Based on Loaded Biped Robot

WANG Xiaofeng，HUA Yunsong

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

This paper studies and designs a kind of small steering gear system which is applied to the loaded biped robot.Compared with conventional electric actuator, it has the characteristics of high power density and high load carrying capacity.In this servo system,using IRF530 as a switching element and IR2110 as the gate driver chip,the DC motor would be driven by power drive circuit.In addition,the deflection angle of the rudder surface and the current of the circuit would be controlled through the feedback module.Therefore, a closed feedback steering gear control system is produced.Finally, the rationality and correctness of the miniaturized high power steering system based on the loaded biped robot will be verified by many experiments.

steering gear; closed feedback system; loaded biped robot

2016- 05- 15

王曉楓(1992-)，女，碩士研究生。研究方向：儀器科學(xué)與技術(shù)。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.03.047

TP271+.9

A

1007-7820(2017)03-170-04