輪足復合式機器人直流減速電機的Proteus設計與仿真

徐志勇 葉慶明

摘 要：針對直流減速電機在工業中的廣泛應用，提出了用AT89C51控制四路直流減速電機的方法。并利用Proteus優秀的仿真功能實現了硬件的連接及仿真。結果表明，Proteus仿真結果與硬件電路實現結果基本相同，并成功應用在“輪足復合式機器人”中。為“輪足復合式機器人”的進一步研究奠定了基礎。

關鍵詞：輪足復合；直流減速電機；L298；Proteus

1 引言

機器人技術集機械、電子、計算機、仿生學、自動控制、多傳感器及人工智能等多門學科于一體[1]。由于機器人動作的復雜性，在機器人的制作中，機器人的不同動作往往是由各種各樣的電動機來完成。電動機種類繁多，其中，直流減速電機使用簡單、價格便宜、動力較大[2]，非常適合作為輪式機器人的驅動電機。本文采用傳統的四輪機器人為研究對象，機器人底盤結構如圖1：

為提高機器人對復雜環境的適應能力及動力提供系統，該機器人采用四輪驅動的方式完成啟動、停止、轉彎等動作。

2 輪足復合式機器人

輪組復合式機器人（圖2）以煤礦災后救援為背景，以提高在災后惡劣地形條件下對環境信息的快速探測能力為目標。通過對煤礦井下惡劣環境的分析和模擬，設計出能夠根據不同地形條件變換運動模式，實現快速移動和越障等的機器人。該機器人以四輪形式的小車底盤為底板，四角分布四足，以實現輪式運動、足式運動、輪足結合運動等。

3 方案設計

設計方案主要包括三個模塊（圖3）：控制模塊、驅動模塊、執行模塊。設計電路原理圖如圖4。

3.1 控制模塊

該模塊采用AT89C51作為主控器，實現對輪足復合式機器人核心控制器命令的接收、分析和執行。該模塊采用AT89C51的P1、P2準雙向I/O口作為控制端口，P3口作為與核心控制器進行數據交換的接口。

3.2 驅動模塊

驅動模塊采用L298N（圖5），L298N是SGS公司的產品，內部包含四通道邏輯驅動電路。是一種兩相和四相電機的專用驅動器，即內含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯電平信號。可驅動46V、2A以下的電機。L298N邏輯功能如表1

3.3 執行模塊

執行模塊采用四路12V直流減速電機驅動四輪實現輪式運動的不同形式：四輪同時正轉，前進；四輪同時反轉，后退；左側兩輪正轉，右側兩輪反轉，右轉彎；右側兩輪正轉，左側兩輪反轉，左轉彎。

4 Proteus軟件介紹及仿真

4.1 proteus軟件仿真

Proteus組合了高級原理布圖、混合模式SPICE仿真[3]，PCB設計以及自動布線來實現一個完整的電子設計系統。Proteus產品系列也包含了我們革命性的VSM技術，用戶可以對基于微控制器的設計連同所有的周圍電子器件一起仿真[4]。

通過對電路的分析、設計原理圖，在Proteus上搭建原理圖。利用Keil uVision軟件編寫程序，生成*.hex文件。將其下載到AT89C51中進行調試仿真，部分仿真結果如圖6

4.2 仿真結果分析

4.2.1 利用Proteus的仿真功能對四路直流減速電機的控制系統進行了初步的仿真，驗證了系統設計方案的可行性，為硬件系統的正確搭建做了準備。

4.2.2 基于軟件的仿真系統與硬件實物的系統相比，在實時性、快速性上有所下降，但是，仿真精度誤差極小，可以忽略。

4.2.3 在仿真設計中，沒有考慮機器人自身的重量以及直流減速電機輸出軸的阻力矩。因而，硬件系統中，機器人在啟動、停止過程中存在著一定的延時和誤差。

4.2.4 相對于Matlab等仿真軟件而言，該軟件仿真在精度、數據處理方面有所欠缺，但是，該軟件仿真結果形象，便于結果的分析、觀察。

5 結束語

本設計以AT89C51為控制器，設計過程利用了Proteus的高效仿真功能，使得設計更方便、更快捷，節省了大量的時間和成本，并成功模擬實現了輪足復合式機器人四路直流減速電機的控制實驗，之后，再將仿真系統移植到相應的硬件電路，減少了系統開發周期，具有一定的推廣價值。此外，該系統對四路直流減速電機的控制方法對其他類的機器人的控制提供了一種借鑒方法。

參考文獻

[1]吳俊.雙足步行機器人.機器人.

[2]周海.機器人用直流減速電機的選用.

[3]馬潮.AVR單片機嵌入式系統原理與應用實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社.

[4]孫麗晶.基于ICC AVR和Proteus軟件平臺的AVR單片機設計開發流程.