基于單片機的Biped型機器人設計與控制方法研究

摘要：本文在分析機器人運動結構與控制方法的基礎上，將微型伺服電機應用于機器人的運動控制過程中，設計了一種基于單片機控制的Biped型機器人。重點介紹了該機器人的整體方案、機械結構、伺服電機及其控制系統的設計，并通過后期實驗的測試，驗證了設計方案的可行性。

關鍵詞：機器人；伺服電機；控制系統

中圖分類號： TP23 文獻標識碼：B

隨著機電一體化技術的不斷發展和工業自動化程度的日益提高，機器人在工業生產和日常生活等諸多方面都得到了越來越廣泛的應用。目前，仿人機器人作為機器人研究的熱門領域受到了極高的關注，其中，Biped型機器人以其結構復雜，自由度多和運動控制精度要求高等特點已經成為了仿人機器人研究的重中之重。

本文通過研究仿人機器人運動過程規劃以及伺服電機控制的基本原理和方法， 給出了Biped型機器人設計的整體方案。所述的機器人采用基于STC89C52單片機的高精度伺服控制系統，減少了傳統控制方法不穩定性對系統精度的影響。同時，選用了TR213高精度伺服電機，使機器人的運動機構在運行過程中協調、平穩。并通過單自由度調試、多自由度調試、運動過程規劃等實驗驗證了系統的可行性，所設計的機械結構及控制方法真正地實現了Biped型機器人控制的高精度、高穩定性和智能化。

1 整體結構設計

根據仿人機器人的行走、前進、后退、重心偏移和上下樓梯等運動過程要求，Biped型機器人主要由機械結構、高精度伺服電機、伺服控制系統和驅動系統等部分組成。

由于人體為左右對稱結構，為了達到仿人運動的目的，Biped型機器人也采用相同的對稱結構，如圖1所示。

以機器人行走過程中的右腿向前移動過程為例，在此過程中包括重心左移，右腿抬起前移，右腿放下和重心恢復四個階段。為了實現動作要求，機器人需要踝關節、膝關節和髖關節6個自由度配合完成，其各關節的轉動角度范圍如表1所示。從表中可以看出，踝關節1、2可以通過轉動完成整體結構重心沿y軸方向的移動控制，保持機器人在動作過程中的重心穩定；膝關節3、4和髖關節5、6通過配合轉動改變機器人沿z軸方向的雙腳高度以及雙腳沿x軸方向的前后位置控制，實現機器人的動作要求；另外，雙足機器人各個關節角的運動范圍都大于人類各個關節角度的運動范圍，可以滿足模仿人類動作的關節角度范圍要求。

2 高精度伺服電機的轉動控制

Biped型機器人的各關節的位置采用TR213高精度伺服電機的轉動進行驅動和控制，并由STC89C52單片機產生周期為20ms，脈寬為0.5ms-2.5ms的脈沖寬度調制（PWM）信號，該脈沖寬度與電機轉動的偏轉角度成正比，通過不同的脈沖輸入寬度可精確地控制伺服電機的轉動角度，其驅動分辨率達到1μs，角度分辨率可達0.09°，伺服電機的轉動角度控制原理如圖2所示。

位于伺服電機內部的齒輪組將電機的轉動速度成大倍數縮小，并將電機的輸出扭矩放大倍數后輸出；電位器和齒輪組的末級一起轉動，測量舵機軸轉動角度；電路板檢測并根據電位器判斷舵機轉動角度，然后控制舵機轉動到目標角度或保持在目標角度，其內部電路如圖3所示。

PWM信號進入信號解調芯片BA6688后將產生直流偏置電壓信號，該信號和芯片內部5K電位器所產生的基準電壓信號進行比較，將得到的脈沖進行展寬后輸入至芯片BAL6686，芯片根據展寬后的脈沖信號驅動伺服電機轉動，在此過程中，伺服電機的轉動將帶動電位器發生變化從而改變電壓差的大小，直到壓差為0時，伺服電機轉動到指定位置后停止轉動。另外，解調后的直流偏置電壓通過與在電位器上得到反饋電壓進行比較可得到正負電壓差，BA6688將該電壓差輸送的PWM信號給電機驅動電路BAL6686以驅動伺服電機正反轉。疊加在5K電位器上的另外一個信號Motor Back EMF信號將會使伺服電機產生一個反向電動勢，通過和給定的基準電壓進行比較可以改變伺服電機的轉速，從而控制機器人的動作速度。

3 伺服控制系統

Biped型機器人的伺服電機控制主要是通過STC89C52單片機所產生的PWM信號來實現。由555定時器組成的振蕩器作為時間基準信號，通過對其產生的脈沖信號進行計數來產生PWM脈沖信號，并由I/O口進行多路輸出，輸出后的信號經過整形處理，產生標準的PWM脈寬調制信號，以提高機器人動作的精度和穩定性。同時，STC89C52單片機上的FLASH為程序存儲提供了足夠的空間，還可以使用其串口和在線燒錄功能與上位機進行通信來完成對多路伺服電機轉動的控制。

4 驅動系統

為了使Biped型機器人具有足夠的驅動能力，在設計中采用具有較大輸出扭矩的TR213伺服電機，該電機的供電電壓為4.8-7.2V，最大輸出扭矩為13kg·cm，當其空載時電流很小，可以忽略不計，但當其動態負荷扭矩達到最大時驅動電流可達2A，但由于Biped型機器人的6個自由度一般不會全部同時工作在最大負荷狀態下，根據測試表明，在正常情況下每個伺服電機的電流小于0.5A，因此，采用電流為10A的直流穩壓電源為其供電，即可滿足其驅動要求。伺服電機控制電路與伺服電機驅動電路采用分開供電模式，由7805穩壓芯片為其提供穩定電壓，以減小伺服電機電壓波動對其造成的干擾，來提高控制精度。

結語

理論與實驗表明，所設計的Biped型機器人具有控制精度高、穩定性好和結構簡單等特點。通過高精度伺服電機和控制系統有效地減少了系統不穩定性對機器人運動過程造成的影響，為仿人機器人的開發和設計提供了一種比較理想的方法與解決方案。

參考文獻

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