哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）
摘 要
本文首先对机器人的国内为发展现状做了介绍，同时根据设计要求对机器人的整体方案进行了分析，包括几何尺寸、驱动芯片的选择和程序的编制。然后从机器人性能要求的角度出发，分别对机器人的运动方式、模型结构和车体成型方式做了比较，最终确定了非完整约束轮驱四轮式移动结构模型——后轮同轴驱动，前轮转向的轮型机器人。
文章对移动机器人硬件结构做了详细的可行性分析及设计，并且做了相应的计算、校核，主要包括：驱动轮电机和转向轮电机的选择及其驱动电路的设计；齿轮的设计计算和校核；转向机构设计和车体的一些机械结构设计等。并且针对本设计所研究的机器人，设计了驱动模块。本设计中，采用增量式光电编码器测量移动机器人后轮的实时转速，进而通过特定算法得到实时电机驱动模块的PWM控制量，实现运动机器人运动的闭环控制。
最后，本文对所作研究和主要工作进行了总结，并将设计的轮型机器人的结构进行联合调试。实验结果表明，该系统性能稳定、可靠，可控制性高，安全性高，达到了本设计的设计要求。
关键词：轮式移动机器人(WMR)；硬件；非完整约束；驱动模块
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Abstract
In this paper the development of robot profiles and classification made a presentation According to the design requirements of the robot's overall program for the analysis, including geometry, rapid movement, anti-jamming, operability and maintainability. Then robot performance requirements from the perspective, the robot's movement, Model structure and body molding form of a comparison, finalization of non-refoulement integrity constraint round four mobile model -- coaxial rear-wheel drive nose wheel steering the robot vehicle
Based on a mobile robot hardware architecture done a detailed feasibility analysis and design, and the corresponding calculation, checking, including driving wheel motor and steering wheel and the choice of motor drive circuit design; Gear design and verification; Selection and battery charging circuit programming; sensing part of the design; before and after the shock absorber systems, and to design the body and some mechanical structure design. It should also study the design of the robot, to discuss the design of the system reliability Finally, we made to research and the main work of summing up and robot design models of the structure of the joint debugging. Experimental results show that the system is stable, reliable, and can be controlled, safe, meeting the requirements of Design
Keywords：Wheeled Mobile Robot (WMR)；Hardware；
Nonholonomic Constraints；Move Module
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目 录
摘要 ............................................................. I Abstract.......................................................... II 第1章 绪论 ........................................................................................................... 1 1.1 国内外可移动机器人的发展现状 .............................................................. 1 1.2 移动机器人的关键技术 .............................................................................. 2 1.3 方案分析及设计要求 .................................................................................. 4 1.4 论文主要完成工作 ...................................................................................... 5 第2章 轮型机器人结构设计及硬件选择 ........................................................... 6 2.1 机器人运动方式的选择 .............................................................................. 6 2.2 轮型机器人驱动方案的选择 ...................................................................... 7 2.3 轮型机器人驱动轮组成 .............................................................................. 8 2.3.1 后轮驱动装置结构 ............................................................................... 8 2.3.2 驱动电机选择 ....................................................................................... 9 2.3.3 减速方式选择 ..................................................................................... 12 2.4 轮型机器人转向轮组成 ............................................................................ 13 2.4.1 转向装置机构 ..................................................................................... 13 2.4.2 驱动电机选择 ..................................................................................... 13 2.4.3 传动机构及前减震机构 ..................................................................... 15 2.5 机器人受力分析及如何保证加速度最优 ................................................ 17 2.6 系统可靠性设计 ........................................................................................ 18 第3章 轮型机器人驱动设计 ............................................................................. 20 3.1 轮型机器人驱动组成 ................................................................................ 20 3.2 步进电机控制 ............................................................................................ 20 3.2.1 步进电机驱动芯片的选择 ................................................................. 20 3.2.2 步进电机驱动电路设计 ..................................................................... 22 3.3 直流电机控制 ............................................................................................ 23 3.3.1 直流电机驱动芯片的选择 ................................................................. 23 3.3.2 直流电机驱动电路设计 ..................................................................... 25 3.3.3 直流电机PWM调速 .......................................................................... 26 3.3.4 闭环反馈控制模块 ............................................................................. 27
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3.4 程序控制代码 ............................................................................................ 29 结论 ....................................................................................................................... 35 致谢 ....................................................................................................................... 36 参考文献 ............................................................................................................... 37 附录1 .................................................................................................................... 38 附录 2 ................................................................................................................... 44
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第1章 绪论
1.1 国内外可移动机器人的发展现状
移动机器人是机器人学中的一个重要分支。早在60年代，就己经开始有关于移动机器人的研究。关于移动机器人的研究涉及许多方面，首先，要考虑移动方式，可以是轮式的、履带式、腿式的，对于水下机器人，则是推进器。其次，必须考虑驱动器的控制，以使机器人达到期望的行为。第三，必须考虑导航或路径规划，对于后者，有更多的方面要考虑，如传感融合，特征提取，避碰及环境映射。因此，移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。由于对移动机器人的研究，提出了许多新的或挑战性的理论与工程技术课题，引起越来越多的专家学者和工程技术人员的兴趣，更由于它在军事侦察、扫雷排险、核、化污染等危险与恶劣坏境以及民用中的物料搬运上具有广阔的应用前景，使得对它的研究在世界各国受到普遍关注。国外在移动机器人方面的研究起步较早，不管是在应用还是在研究方面，日本和美国都处于遥遥领先的地位。美国国家科学委员会曾预言:\"20世纪的核心武器是坦克。21世纪的核心武器是无人作战系统，其中2000年以后遥控地面无人作战系统将连续装备部队，并走向战场”。为此，从80年代开始，美国国防高级研究计划局(DARPA)专门立项，制定了地面无人作战平台的战略计划。从此，在全世界掀开了全面研究室外移动机器人的序幕。
初期的研究，主要从学术角度研究室外机器人的体系结构和信息处理，并建立实验系统进行验证。虽然由于80年代对机器人的智能行为期望过高，导致室外机器人的研究未达到预期的效果，但是却带动了相关技术的发展，为探讨人类研制智能机器人的途径积累了经验，同时也推动了其它国家对移动机器人的研究与开发。进入90年代，随着技术的进步，移动机器人开始在更现实的基础上，开拓各个应用领域，向实用化进军。如由美国NASA资助研制的“丹蒂II”八足行走机器人，是一个能提供对高移动性机器人运动的了解和远程机器人探险的行走机器人，1994年在斯拍火山的火山口中进行了成功的演示。美国NASA研制的火星探测机器人索杰那于1997年登上火星。为了在火星上进行长距离探险，又开始了新一代样机的研制，命名为Rocky，并在Lavic湖的岩溶流上和干枯的湖床上进行了成功的实
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验。此外，在民用方面，可移动机器人在国外己被广泛用于扫除、割草、室内传送、导盲、导游、导购、室内外清洗和保安巡逻等各个方面。另外，国外还在高完整性机器人，遥控移动机器人，环境与移动机器人系统，生态机器人学，多机器人系统等方面作了大量的研究。国内在移动机器人方面的研究起步较晚，大多数研究尚处于某个单项研究阶段，主要的研究工作有: 清华大学智能移动机器人于1994年通过鉴定。涉及到五个方面的关键技术:基于地图的全局路径规划技术研究(准结构道路网环境下的全局路径规划、具有障碍物越野环境下的全局路径规划、自然地形环境下的全局路径规划);基于传感器信息的局部路径规划技术研究(基于多种传感器信息的“感知一动作”行为、基于环境势场法的“感知一动作”行为、基于模糊控制的局部路径规划与导航控制);路径规划的仿真技术研究(基于地图的全局路径规划系统的仿真模拟、室外移动机器人规划系统的仿真模拟、室内移动机器人局部路径规划系统的仿真模拟);传感技术、信息融合技术研究(差分全球卫星定位系统、磁罗盘和光码盘定位系统、超声测距系统、视觉处理技术、信息融合技术);智能移动机器人的设计和实现(智能移动机器人THMR-IH的体系结构、高效快速的数据传输技术、自动驾驶系统)。此外，还有香港城市大学智能设计、自动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人、中国科学院沈阳自动化研究所的自动导引车AGV和防爆机器人、中国科学院自动化所自行设计、制造的全方位移动式机器人视觉导航系统、哈尔滨工业大学研制成功的导游机器人等。总之，近年来移动式机器人的研究在国内也得到很大的重视，并且在某些方面的研究取得丰硕的成果。
1.2 移动机器人的关键技术
移动机器人要想走向实用，必需拥有能胜任的运动系统、可靠的导航系统、精确的感知能力，并具有既安全而又友好地与人一起工作的能力。移动机器人的智能指标为自主性、适应性和交互性。适应性是指机器人具有适应复杂工作环境的能力(主要通过学习)，不但能识别和测量周围的物体，还有理解周围环境和所要执行任务的能力，并做出正确的判断及操作和移动等能力;自主性是指机器人能根据工作任务和周围环境情况，自己确定工作步骤和工作方式;交互是智能产生的基础，交互包括机器人与环境、机器人与人及机器人之间三种，主要涉及信息的获取、处理和理解。因此，在移动机器人研究中，关键在于以下几个方面：
1.机器人结构.机器人机械结构形式的选型和设计，是根据实际需要进
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行的。在机器人机构方面，结合机器人在各个领域及各种场合的应用，研究人员开展了丰富而富有创造性的工作。当前，对足式步行机器人、履带式和特种机器人研究较多。但大多数仍处于实验阶段，而轮式机器人由于其控制简单、运动稳定和能源利用率高等特点，正在向实用化迅速发展从阿波罗登月计划中的月球车到美国最近推出的硕士论文轮式机器人控制问题的研究NASA行星漫游计划中的六轮采样车，从西方各国正在加紧研制的战场巡逻机器人、侦察车到新近研制的管道清洗检测机器人，都有力地显示出移动机器人正在以其具有使用价值和广阔的应用前景而成为智能机器人发展的方向之一。
2.体系结构.机器人的智能系统具有以下特点:信息密集，多层次的信息与知识表示方式，与环境交互丰富多样，信息与知识分布存储等。所以，它是一个高智能、多系统的复杂系统工程，不是单元技术的简单连接，系统的总功能是各种分系统在多层次的协调和分工中集成，因此，机器人的总体集成技术是一个核心问题，其主要内容是机器人的体系结构研究。体系结构的研究，主要针对有意识行为和反射行为而展开的，如何将两者相统一，是目前的一个研究热点。早期的移动机器人研究都是在室内进行的，其体系结构，一般只能在“积木世界”中运行。德国为在自动化工厂中运行的自动导引车AGV设计了一种分层体系结构。德国还开发了一种具有很高水平的移动机器人系统KAMRO，其体系结构基本上采用NASREM模型的思想。美国MIT的人工智能实验室提出了包容体系结构思想，并建立了一系列新型的移动机器人。包容体系结构采用所一谓“感知一动作”·结构，也称基于行为的结构。一些实验表明，包容体系结构在处理动态环境中不确定性和模仿动物的低级反射行为方面具有很多优点。最近，又提出了基于行为控制思想的新型体系结构。目前，这种基于行为控制的体系结构还处于理论探讨阶段，很多工作有待深入。
3.移动机器人路径规划技术.移动机器人的路径规划就是给定机器人及其工作环境信息，按照某种优化指标，寻求有界输入使系统在规定的时间内从起始点转移到目标点。机器人路径规划的研究始于20世纪70年代，目前对这一问题的研究仍十分活跃，许多学者做了大量的工作。其主要研究内容按机器人工作环境不同可分为静态结构化环境、动态己知环境和动态不确定环境，按机器人获取环境信息的方式不同可分为基于模型的路径规划和基于
传感器的路径规划。运动规划是移动机器人的一个重要问题，对于自由运动的机器人，即机器人的运动不受约束，运动规划问题可以通过在自由位
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形空间内计算一条路径加以解决，这样的一条路径与工作空间内的一条可行的自由路径相对应。但是移动机器人运动受到非完整性约束，并不是任意路径都一定是可行的。在复杂动态的环境中，还要考虑运动中的避障问题，因此，移动机器人的运动规划是一个比较复杂的问题。尚有许多的问题有待研究。
4.导航与定位.在移动机器人的应用中，精确的位置知识是一个基本问题。有关位置的测量，可分为两大类:相对和绝对位置测量。使用的方法可分为7种:里程计、惯性导航、磁罗盘、主动灯塔，全球定位系统，路标导航和地图模型匹配。
1.3 方案分析及设计要求
本文所讨论机器人系统运动学模型近似于汽车，因此称为轮型机器人，它的组态由机器人在工作环境中的位态确定。它作为一种小型轮式移动机器人，是一种非线性控制系统。为了能发挥将来加载到这种机器人上的功能，因而对小车性能作了要求。
作为主要在室内工作的机器人长度不宜超过1000mm，高度要控制在机器人平衡稳定运作的范围内。因此，车体在保证稳定的情况下做的尽量小，各部件排列方式应尽量减小纵向尺寸，使车体紧凑。内置于其中的电路板和电池的尺寸也要受到限制。设计电路是要尽量选用功能大，集成度高的芯片，而电池要选用体积小并且耐用的型号。因此，本课题控制器设计选用80c51系列单片机来实现控制电路的架构，并且减少外围逻辑电路，使板面布局紧凑。
车体系统的运动是影响系统性能，决定机器人性能达标的重要因素。因此，在软硬件选型时，满足快速性、准确性要求是考虑的第一要素之一。要求机构能够具有更大的灵活性与柔性，能够具有更大的跨越障碍的能力。最好采用减震设计，它有利于保护机器人各组成部件，特别是电器元件。 相对于工业环境来讲，设计的机器人所处的环境所受的强磁干扰要小得多，但是要达到系统运作实时、准确，某些干扰就显得较为明显:
首先，机器人体积很小，电机及其驱动系统，处理器系统，无线模块同处于很小的空间，这几部分之间的相互干扰，特别是电机及其驱动系统对处理器的干扰，无线模块对处理器的干扰以及无线通讯所特有的噪声干扰都不容忽视。本课题中，分别采用了硬件抗干扰设计和软件抗干扰设计。其次，机器人工作环境周围的电器将对其产生影响。
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1.4 论文主要完成工作
课题主要完成轮型机器人，驱动电机选择，驱动芯片的选择及程序的编制，驱动电路设计。
1.机械结构部分包括机器人构成方案选择、机器人本体机构设计和驱动电机的选择
2.针对设计要求结合所选用的电机，设计电机的驱动模块，并讨论系统设计的可靠性问题
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第2章 轮型机器人结构设计及硬件选择
2.1 机器人运动方式的选择
机器人运动方式归纳起来基本有三种:轮子方式、履带方式和腿足方式。为了得到设计需要最合适的方式，对以上三种方式做了简单的比较如下表2-1所示
表2-1 运动方式的比较
因素 方式 轮子方式 适应的环境 适于室内、硬路面等平整地面，特别不适合松软或崎岖地面。 驱动方面的考虑 驱动方式简单多样，力矩相对较小主要有：两轮驱动兼转向加随动轮；两轮差动加辅助轮；驱动轮加转向轮。 驱动方式单一，力矩较大，使用两侧轮差动，实现驱动和转向，不需要辅助轮。 驱动复杂，对平衡和稳定要求极高，自由度越多，驱动控制部分越多。 机构方面的考虑 机构实现相对简单，相互约束条件少，稳定性较好，轮子安装需要一定精度要求。 履带方式 适应环境最广泛，特别是崎岖不平地和湿洼地形。 适应范围较广，适应地形受其步态影响，不适合崎岖山路。 机构实现较轮子复杂，需要履带的张紧设计，支撑面积大，稳定性好。 有较多的 运动部件和关节，要求较高的加工和装配等级，对材料性能要求较高。 腿足方式
通过对以上方式的比较，我们选用轮子方式做为机器人运动方式，它符合我们的设计要求：适应室内活动环境；需要动力较小；能量消耗少；结构实现简单可靠。
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2.2 轮型机器人驱动方案的选择
轮式机器人的机械结构如图2-1，图2-2，图2-3所示
图2-1 驱动结构
图2-2 前轮驱动兼转向结构
图2-3 后轮驱动，前轮转向结构
如图2-1所示，采用两轮独立驱动的结构，驱动轮分别由两套直流伺服系统驱动，提供需要的转速或者力矩;前轮为万向轮，可任意移动。这种结构优点：简单轻便，控制性好，运动灵活转弯半径小。缺点：承载能力低，对地面环境的要求高。
图2-2中的机器人，称为前轮驱动轮型机器人，后轮为辅助轮，方向不变，前轮为驱动轮兼转向轮，两轮驱动速度相同，转向速度一致。这种结构优点：运动平稳，稳定性好。缺点：结构复杂，控制难度高。
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根据设计需要和实现的难易程度选择了图2-3中的机器人，称之为后轮驱动轮型机器人，它是一种典型的非完整约束的轮式移动机器人模型。后轮为驱动论方向不变，提供前进驱动力，两轮驱动速度相同；前轮为转向轮，称为舵轮，通过转向系统同步控制两轮转向，使机器人按照要求的方向移动。
轮式移动机构又主要分三个轮、四个轮，三轮支撑理论上是稳定的。然而，这种装置很容易在施加到单独轮的左右两侧力F作用下翻倒，因此对负载有一定限制。为提高稳定性和承载能力，决定选用四轮机构，后轮为两驱动轮，两个转向轮为前轮。这种结构能实现运动规划、稳定以及跟踪等控制任务，可适应复杂的地形，承载能力强，但是轨迹规划及控制相对复杂。
2.3 轮型机器人驱动轮组成
2.3.1 后轮驱动装置结构
后轮驱动装置机械传动结构如图2-4所示:
1 变速箱底座； 2 变速箱盖； 3 轴承； 4 齿轮Ⅰ； 5 齿轮Ⅱ； 6 齿轮Ⅲ； 7 电动机； 8 中间轴； 9 轮毂； 10 轮胎
图2-4 驱动轮机械传动示意图
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根据上面所确定的方案，轮型机器人后轮驱动装置由驱动电机，减速装置，车轮及轮毂组成。
2.3.2 驱动电机选择
目前在机器人的运动控制中较为常用的电机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机，对它们的特性、工作原理与控制方式有分类介绍，下面总结如表2-2所示：
表2-2 不同电机的特性、工作原理与控制方式
电机类型 步进电机 主要特点 直接用数字信号控制，与计算机接口简单，没有电刷，维修方便，寿命长。缺点是能量转换效率低，易失步，过载能力弱。 接通直流电即可工作，控制简单；启动转矩大，转速和转矩容易控制，效率高；需要定时维护和更换电刷，使用寿命短，噪声大。 没有电刷和换向器，无须维修；驱动电路复杂，价格高。 构造与工作原理 按产生转矩的方式可分为：永磁式，反应式和混合式。混合式能产生较大转矩，应用广泛。 直流伺服电机 由永磁体定子，线圈转子，电刷和换向器构成。通过电刷和换向器使电流方向随转子的转动角度而变化，实现连续转动。 按结构分为同步和异步。无刷直流电机结构与同步电机相同，特性与支流电机相同。 控制方式 永磁式是单向励磁，精度高，但易失步，反应式是双向励磁，输出转矩大，转子过冲小，但效率低；混合式是单-双向励磁，分辨率高，运转平稳。 转动控制采用电压控制方式，两者成正比。转矩控制采用电流控制方式，两者也成正比。 交流伺服电机 分为电压控制和频率控制两种方式。异步电机常采用电压控制。 一般机器人用电机的基本性能要求:
启动、停止和反向均能连续有效的进行，具有良好的响应特性； 正转反转时的特性相同，且运行特性稳定；
良好的抗干扰能力，对输出来说，体积小、重量轻； 1. 维修容易，不用保养。
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驱动轮为两后轮，要求控制性好且精度高，能耗要低，输出转矩大，有一定过载能力，而且稳定性好。通过比较以上电机的特性、工作原理、控制方式以及移动机器人的移动性能要求、自身重量、传动机构特点等因素，所以决定选用直流电机作为驱动电机。
直流电动机以其良好的线性调速特性、简单的控制性能、较高的效率、优异的动态特性，一直占据着调速控制的统治地位。虽然近年不断受到其他电动机(如交流变频电动机、步进电动机等)的挑战，但直流电动机仍然是许多调速控制电动机的最优选择，在生产、生活中有着广泛的应用。
所需电机的功率计算：
机器人小车的受力简图如图2-5所示： 机器人所需的牵引力:
FaFfFW ；Fa：机器人移动需要的牵引力 （2-1）
FWmgsin ；FW：自身重力而产生的阻力 （2-2）
Ffmgcos ；FF： 机器人移动所受摩擦力 （2-3）
图2-5 机器人小车的受力简图
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则有：
Famgsinmgcos （2-4）
：摩擦系数 ：最大爬坡角度（据课题要求可以按0计算）
则机器人在水平面上运动的功率为：
PFaV0.153.09.81.56.61W （2-5） 传动装置的总效率：
22 G （2-6） B按照文献[14]中表2.1-1确定的个部分效率有：齿轮传动效率：
G0.97；滑动轴承效率：B0.97
代入得到：
0.9720.9720.89
所需直流电机的最小功率：
P6.61 Pw6.82W （2-7）
0.97通过以上的比较和计算，决定选用广东德昌微电机公司生产的SRC-555-3250型直流电动机其外观如图2-6所示，尺寸如图2-7所示，技术参数如表2-3所示：
图2-6 电动机其外观如图
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图2-7 直流电机尺寸图 表2-3 直流电机技术参数表
型号 SRC-555-3250 空载 最大效率下 制动 转速 电流 转速 电流 力矩 功率 力矩 功率 额定r/mir/mi电压 A A g.cm W g.cm W n n 12v CONST6100 0.24 5300 1.49 229 12.4 1650 9.20 ANT 2.3.3 减速方式选择
直流电机输出转速较高，一般不能直接接到车轮轴上，需要减速机构来降速，同时也提高了转距。减速装置的形式多种多样，选择一种合适的减速装置对机器人的性能有着相当重要的作用。
驱动轮机械传动形式有多种，主要分为：链条传动；皮带传动；蜗杆传动和齿轮传动等。
链条传动：优点是：工况相同时，传动尺寸紧凑；没有滑动；不需要很大的张紧力，作用在轴上的载荷小；效率高；能在恶劣的环境中使用。缺点：瞬时速度不均匀，高速运转是传动不平稳；不易在载荷变化大和急促反向的传动中使用；工作噪音大。
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皮带传动：优点是：能缓和冲击；运行平稳无噪音；制造和安装精度要求低；过载时能打滑，防止其他零件的损坏。缺点：有弹性滑动和打滑，效率低不能保证准确的传动比；轴上载荷大；寿命低。
蜗杆传动：优点：结构紧凑；工作平稳；无噪声；冲击震动小；能得到很大的单级传动比。缺点是：传动比相同下效率比齿轮低；需要用贵重的减磨材料制造。
齿轮传动：工作可靠，使用寿命长；易于维护；瞬时传动比为常数；传动效率高；结构紧凑；功率和速度使用范围很广。缺点是：制造复杂成本高；不宜用于轴间距的传动。
比较以上传动形式，结合本设计中机器人的要求：输出转矩大传动效率高噪音小等条件，我们采用两级齿轮传动，减速比为15。电机轴直接作为输入轴安装主动齿轮，不是用联轴器，既提高了精度又减轻了重量。轮毂和齿轮3安装在同一根轴上，他们转速相同。齿轮类型为渐开线直齿齿轮，联轴器相联，齿轮与车轮装在同一个轴上，它们的转速相同。
齿轮参数如下:
第一级减速：i13, m=3,z110,d130mm, z230,d290mm, 第二级减速：i15, m=3,z310,d130mm, z250,d2150mm,
2.4 轮型机器人转向轮组成
2.4.1 转向装置机构
转向轮起支撑和转向作用，不产生驱动力矩。在小车转向时它可以以一定角度转动。
轮型机器人前轮装置由以下几部分构成：驱动电机，蓄电池和充电部分。转向传动机构和前减震机构，前车体和电池箱及轮胎和轮毂五部分。
2.4.2 驱动电机选择
转向轮的电机通过对表2-1不同电机的特性、工作原理与控制方式的分析比较，为了满足转向系统转动精度高，控制性能强，并且控制简单容易实现的特点，决定选用步进电机作为转向机构驱动电机。
步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移(或线位移)的机电元件。对这种电机施加一个电脉冲后，其转轴就转过一个角度，称为一步;脉冲数增加，角位移(或线位移)就随之增加，脉冲频率高，则步进电机旋转速度就
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高，反之就低;分配脉冲的相序改变后，步进电机的转向则随之而变。步进电机的运动状态和通常匀速旋转的电动机有一定的差别，它是步进形式的运动，故也称其为步进电动机。
步进电机的主要指标有：
相数:产生不同对极N, S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。
拍数:完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数：以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB,八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A 。
步距角:对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度(转子齿数J*运行拍数)，以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360°/(50×4)=1.8°(俗称整步)，八拍运行时步距角为θ=360°/(50×8)=0.9°(俗称半步)。
定位转矩:电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩(由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的)
静转矩:电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积(几何尺寸)的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过分采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。
步距角精度:步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示:（误差/步距角）×100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。
失步:电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。 失调角:转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。
最大空载起动频率:电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。
最大空载的运行频率:电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。
运行矩频特性:电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。
步进电机有其独特的优点，归纳起来主要有:
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1. 步距值不受各种干扰因素的影响。简而言之，转子运动的速度主要
取决于脉冲信号的频率，而转子运动的总位移量取决于总的脉冲个数。
2. 位移与输入脉冲信号相对应，步距误差不长期积累。因此可以组成
结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可以在要求更高精度时组成闭环控制系统。
3. 可以用数字信号直接进行开环控制，整个结构简单廉价。 4. 无刷，电动机本体部件少，可靠性高。
5. 控制性能好。起动、停车、反转及其他运行方式的改变，都在 脉冲内完成，在一定的频率范围内运行时，任何运行方式都不 会丢步。
6. 停止时有自锁能力。
7. 步距角选择范围大，可在几角分至180大范围内选择。在小 情况下，通常可以在超低速下高转距稳定的运行
通过比较各种指标和参数后，我们决定选用常州丰源公司生产的35BYHJ03减速步进电机步进电机，自带25:1的减速器。参数如表2-6所示:
表2-6 步进电机参数
步距角 （θ，° 7.5/25 相 数 4 电压 电流 U,V I,mA 电阻 减速 比 空载运行频率R,12 255 Ω 47 F,pps 550 T,（g.cmF,pps ） 680 750 空载启动频率 起动转距 锁定 转距 T,（g.cm） 1400 1/25 2.4.3 传动机构及前减震机构
在本课题中为了得到稳定和承载能力强的系统结构，采用了两前置转向轮，转向轮不作为驱动轮，只提供支撑和转向作用。结构形式模仿普通机动车的一些结构，步进电机变速箱输出轴连接拨叉，拨叉拨动左右转向节连杆来实现转向。为了消除传动间隙和电机反转死区，在机构中加装了两个拉紧杆和一条拉紧弹簧，很大程度上消除了误差。转向传动机构受力简图如图2-9所示
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为保护系统结构免受震动的损伤，提高机器人在不平地面上的行走能力，在每个转向节轴上加装减震弹簧。它不但能缓冲震动，而且防止在特殊情况下机器人被架空。它与后减震配合工作效果更加明显，工作原理与后减震类似。
1 前减震弹簧 2 转向连杆 3 拉杆 4 拉紧弹簧 5拨叉 6步进电机 7 前车体盖 8 转向节 9 前轮轴 10 前轮毂 11轮胎 12 电池盒 13 减震弹簧 14连接轴 15 变速箱
图2-8 转向装置结构图
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图2-9 传动机构受力简图
2.5 机器人受力分析及如何保证加速度最优
本设计中轮型机器人采用四轮支撑，即两后轮（驱动轮）和两前轮（转向轮）。为了增加车轮和地面的滑动摩擦系数，每个车轮的轮胎材料均为橡胶。滑动轴承和轮毂采用了具有自润滑能力的塑料，摩擦力很小，可以忽略不计。采用这些结构，使小车具有一很好的运动性能。机器人小车受力如图2-10所示：
图2-10 小车受力图
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有如下关系:
滑动摩擦力: FrNg （2-8） 支撑反力: NgGN （2-9） Gma （2-10）
水平方向受力: FrF （2-11）
Fma （2-12） 以上关系可推出加速度: a(mgN)m （2-13）
从上式可以看出，由于小车质量m一定，若想增加加速度只有增加摩擦系数µ和减少支撑力N。由于轮型机器人活动场所在室内需要频繁的更换速度，只有加速度大一些时，才能满足足球机器人快速性、实时性要求。 在摩擦系数一定时，只有尽量减少支撑力N，加速度才能达到最大，这直接关系到小车重心的位置。小车的电池和后加负载是小车中比重较大者，在放置是应该尽量靠近后轮，这样支撑力N就会减小，加速度在启动时就能保持尽量大。通过计算机器人通过实验验证最优加速度为3.92m/s左右。
2.6 系统可靠性设计
控制系统质量的高低主要表现在技术性能、可靠性、适应性和经济性四个方面，其中技术性和可靠性是最重要的方面。但在系统的具体设计工作中，往往特别强调其技术性能指标而忽视了它的可靠性。而由于可靠性设计的不周密，在偶然囚素或意外事件的作用下，系统便不能正常工作，从而可能造成灾难性的后果，系统的可靠性保证有赖十完善的可靠性设计、严格的部件制作、规范的设备安装调试、正确的操作使用和经常性的维护。 本运动控制系统的设计充分考虑了可靠性这一指标，主要体现在以下儿个方面
1．屏蔽技术
本系统中，直流电机、驱动部件、甚至是微控制器使用的振荡器，都是电磁干扰的噪声源。当距离较近时，电磁波会通过分布电容和电感藕合到信号回路而形成电磁干扰;当距离较远时，电磁波则以辐射形式构成干扰。
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针对上几述情况，主要要通选用高导磁材料做成屏蔽体，使电磁波经屏蔽体壁的低磁阻磁路快速衰减，以降低干扰。 2．地线的处理
理解产生地线噪声的机制对于减小地线干扰至关重要，所有地线都有阻抗，和所有电路一样，电流必须流回其源点，电流通过地线卜的有效阴_抗将产生一个电压降，这些电压降就是地线干扰的原因。正确接地是控制系统抑制干扰所必须注意的重要问题，在设计中若能把接地和屏蔽正确的结合，可很好地消除外界丁扰的影响。接地设计的基本目的是消除各电路电流流经公共地线时所产生的噪声电压，以及免受电磁场和地位差的影响，即使其不能形成地环路。 3．抑制自感电动势干扰
在本系统中，使用了电动机这种具有较大电感量的器件。当电感回路的电流被切断时，会产生很大的反电势而形成噪声干扰。这种噪声不但能产生电磁场干扰其它回路，甚至还有可能击穿电路中的晶体管之类的器件。对此在线圈两端并联了二极管来抑制反向自感电势的干扰。
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第3章 轮型机器人驱动设计
3.1 轮型机器人驱动组成
轮型机器人驱动设计主要包括步进电动机和直流电动机的控制。其中包
括各驱动芯片的选择，驱动电路的设计以及程序的编制。
3.2 步进电机控制
步进电动机控制主要实现电动机启动、停止、正转、反转。以满足轮型机器人能够实现左右转弯。
3.2.1 步进电机驱动芯片的选择
步进电机的功率驱动芯片选择SGS公司的L298。L298功率集成电路采用SGS公司特有的Multiwatt塑料封装，15个引脚，可用螺钉固定在散热器上。L298内含的功率输出器件设计制作在一块石英基片上，由于制作工艺的同一性，因而具有分立元件组合电路不可比拟的性能参数一致性，工作稳定。L298是双H桥高电压大电流功率集成电路，它接受标准TIL逻辑信号，可以用来驱动继电器、线圈、直流电动机和步进电动机等电感性负载。两个H桥能够使其接受或不接受输入信号。它的每个H桥的下侧臂晶体管发射极连在一起，相应外接电流检测电阻。L298的内部结构如图3-1所示：
图3-1 L298内部结构图
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L298的封装及各管脚如图3-2所示：
图3-2 L298的封装图
L298各引脚特性如下：
CURRENT SENSING A和CURRENT SENSING B（引脚1和引脚
15）用来连接电流检测电阻；
LOGIC SUPPLY VOLTAGE VSS（引脚9）接逻辑控制部分的电
源，常用+5V；
SUPPLY VOLTAGE VS（引脚4）为电机驱动电源；
INPUT1，INPUT2，INPUT3，INPUT4（引脚5，7，10，12）输
入标准TTL逻辑电平信号，用来控制H桥的开与关；
ENABLE A和ENABLE B（引脚6和引脚11）为使能控制端，当
为低电平时，L298不工作；
OUTPUT1，OUTPUT2，OUTPUT3和OUTPUT4（引脚2，3，
13，14）为输出，控制步进电机 GND（引脚8）则为接地脚。
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3.2.2 步进电机驱动电路设计
本设计中将步进电机采用L297和L298实现环行分配器与功率放大器的功能。
L297是步进电机控制集成芯片（包括环形分配器），采用模拟/数字电路
2兼容的IL工艺，20脚DIP塑料封装，常以+5V供电，全部信号线是
TTL/CMOS兼容。L297四相驱动信号，应用于微处理机控制两相双极性和四相单极性步进电机。电动机可由半阶梯、正常和斩波驱动模式驱动，同时设于晶片内的PWM斩波线路容许以开关形式控制线路的电流。此器件只需要时钟、方向和模式输入信号。相位是由内部产生的，因此可减轻微处理机和程序设计的负担。单片机、L297、L298构成步进电动机控制驱动器电路，单片机发出时钟信号、正反转信号、工作模拟信号、复位信号、使能输入信号及控制信号。
L297的引脚CW/CCW（17）控制电机的转向，取1和取0时的转向相反，CLOCK（18）为步进脉冲信号输入端，在每一个脉冲的下降沿，电机产生一步步进。HALF/FULL（19）为半步或基本步矩模式设置，为1时是半步模式，为0时是基本步距。HALF/FULL取低电平，当脉冲分配器工作于奇数状态，则为两相激励方式；当工作于偶数状态，则为单相激励方式。CONTROL（11）斩波控制，当为0时控制INT1（5）和INT2（8）；当为1时控制ABCD。ENABLE（10）使能输入，当为0时，INT1、INT2、A、B、C和D（4，6，7和9）都为0。RESET（20）是异步复位信号，其作用是将环行脉冲分配器复位，当输入为0时，脉冲分配器回到初状态（HOME）,此时状态输出信号（HOME）为1。
L298引脚SENSE A和SENSE B（1和15）用来连接电流检测电阻，VSS（9）接逻辑控制部分的电源，常用+5V，VS（4）为电机驱动电源，IN1，IN2，IN3，IN4（5，7，10，12）输入标准TTL逻辑电平信号，既从L297的输出口4，6，7，9输出的信号，用来控制H桥的开与关，EnA和EnB（6和11）为使能控制端，当为低电平时，L298不工作。OUT1，OUT2，OUT3和OUT4（2，3，13和14）为输出，控制步进电机，GND（8）则为接地脚。
用L297输出信号可控制L298双H桥驱动集成电路，构成一个完整的系统，驱动四相步进电动机，最高电压为46V，每相电流达2.5A。
单片机与L297、L298集成电路构成的单片机控制驱动器，具有需要的
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元件少、可靠性高、占空间少、装配成本低等优点，并且通过软件开发，可以简化和减轻微型计算机的负担。设计电路如图3-3
图3-3 步进电机驱动电路
3.3 直流电机控制
直流电动机是轮型机器人的动力来源。直流电动机控制主要实现电动机启动、停止、加速、减速。以满足轮型机器人能够实现以不同的速度前进。在此应用80C51单片机。
3.3.1 直流电机驱动芯片的选择
直流电机驱动芯片仍然选L298,其芯片引脚功能在3.2.1中已经做过介绍在此不在赘述。只对其控制直流电机做说明。L298控制直流电机原理图3-4如下：
由以上的L298控制直流电机的原理图知道，当使能端接高电平时，又一下三种情况：
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（1） C端接高电平，D端接低电平，电机前进，即正转； （2） C端接低电平，D端接高电平，电机反向，即反转； （3） C端和D端电平一样时，电机快速制动。
当使能端接低电平时，电机缓慢的停止转动。
当电机的电流比较大时，这就需要把L298的输出引脚并联使用，原理图3-5如下：
这里要注意的是要把OUTPUT1和OUTPUT4，OUTPUT2和OUTPUT3并联，相应的 要把INPUT1和INPUT4,INPUT2和INPUT3并联。
表3-1 L298 输出输入信号
Inputs C=H;D=L Ven=H Ven=L C=L;D=H C=D C=X;D=X
function Forward Reverse Fast Motor Stop Free Running Motor Stop
图3-4 L298控制直流电机原理图
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图3-5 L298输出引脚并联使用原理图
3.3.2 直流电机驱动电路设计
经过上一节对L298的介绍和分析，在这里决定采用把L298输出管脚并联的方法来实现直流电机的控制，驱动电路如图3-6所示：
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图3-6 L298驱动直流电机电路
3.3.3 直流电机PWM调速
PWM技术是直流电机调速中最为有效的方法，PWM调速的基本思想是：以通过电机的平均电压和电流做比较，40%的时间电源的电机比20%的时间接通电源的电机要大。当电机没有接通电源时，它完全不消耗能量——这一点正是其高效率的原因。它使驱动芯片和电机的发热减少，从而电池也可以用得更久。
有两种方法可以产生PWM信号：一种是在频率恒定的情况下产生占空比不同的脉冲，另一种是在占空比恒定的前提下产生频率不同的脉冲，通常被称做脉频调制（PFM：Pulse Frequency Modulation）。由于PFM控制是依靠脉冲频率来改变占空比的，当遇到某个特殊的频率下的机械谐振时，常导致系统震动和出现音频啸叫声，这一严重的缺点导致PFM控制在伺服系统中不适用。故本设计中，采用PWM控制方式实现电机调速。不同占空比的PWM信号方向幅值示意图如图3-7
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图3-7 不同占空比的PWM信号方向幅值示意图
3.3.4 闭环反馈控制模块
本设计中，采用增量式光电编码器测量移动机器人后轮的实时转速，进而通过特定算法得到实时电机驱动模块的PWM控制量，实现运动机器人运动的闭环控制。闭环控制系统图如3-8所示：
图3-8 闭环控制系统图
光电编码器俗称码盘，是一种通过光电转换将轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器的基本结构由旋转轴上的编码圆盘以及装在圆盘两侧的发光元件和光敏元件组成。圆盘上规则地刻有透光和不透光的线条或孔，当圆盘随着转轴旋转时，光敏元件接收的光通量强弱随着光线条同步变化，光敏元件波形经过整形输出变为脉冲输出。一般圆盘上还设有定相标志，产生零信号，每转一圈产生一个，又称基准脉冲。此外为判断旋转方向，可提供A，B两路相位相差900的脉冲信号。
测速元件是速度闭环控制系统的关键元件。下图3-9为增量式光电码盘，它是一个旋转的脉冲发生器，根据脉冲数目或频率，可测出轴转角及转速。原理是在一圆盘上刻制节距和尺寸相等的透光小孔。圆盘与被测轴相连，当被测轴转动时，圆盘跟着一起转动，在圆盘的两侧，装有发光元件和感光元件。根据光线时断时续的变化(当光线透过小孔时感光元件就感受信号，反之，当光线被圆盘遮断时，信号即被截止)来检测旋转运动。脉冲的
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频率与圆盘的小孔数N及转速n有关，即为:
NnHz 60其中，N是固定的，故输出脉冲频率fc与转速n成正比。
fc
图3-9 编码圆盘模型图
为了判别方向，可以安装两对发光器和受光器。均对准透光孔，严格地相距半个透光孔宽度，这样安装使得码盘旋转时这两只受光器测得的信号V1和V2在相位上总是差90度如下图3-10。若圆盘顺时针转动V1超前V2，逆时针转动则V2超前V1。该相位上的差别通过鉴相电路就能区别出旋转方向，电路图如图3-11
图3-10 编码盘的相位输出
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图3-11 传感器电路
3.4 程序控制代码
直流电动机控制主要实现加减速及后退。在此应用80C51单片机作为控制芯片。加减速应用PWM技术实现调速。测速采用光电编码器。 步进电动机控制主要实现电动机启动、停止、正转、反转。以满足轮型机器人能够实现左右转弯。
程序代码如下： include \"reg52.h\"
#define u16 unsigned int
#define u8 unsigned char
//sbit StepMotor_1 = P2^0; //sbit StepMotor_2 = P2^1; //sbit StepMotor_3 = P2^2;
//sbit StepMotor_4 = P2^3; //sbit StepMotor_Start = P3^0; //sbit StepMotor_UP = P3^1; //sbit StepMotor_DOWN = P3^2; //sbit StepMotor_Dtop = P3^3; sbit DCMotorCon1 = P0^0; sbit DCMotorCon2 = P0^1;
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sbit DCMotorEN = P0^2;
//步进电机单四拍码表
//u8 StepMotor_Table1[4] = {0xfe, 0xfd, 0xfb, 0xf7}; //正转 //u8 StepMotor_Table2[4] = {0xf7, 0xfb, 0xfd, 0xfe}; //反转 u8 StepMotor_Table1[4] = {0x01, 0x02, 0x04, 0x08}; //正转 u8 StepMotor_Table2[4] = {0x08, 0x04, 0x02, 0x01}; u8 StepMotor_Data = 0; u8 StepMotor_Start = 0; u8 StepMotor_Direct = 1; u8 DCMotor_Start = 0; u8 DCMotor_Speed = 50; u8 Counter_DCMotor = 0;
void Delay(u16 N_ms) {
u16 i, j;
for(i = N_ms; i > 0; i--) for(j = 110; j > 0; j--); }
void StepMotor_RUN() {
if(StepMotor_Start) {
if(StepMotor_Direct) P2 = StepMotor_Table1[StepMotor_Data]; else P2 = StepMotor_Table2[StepMotor_Data]; StepMotor_Data++;
if(StepMotor_Data == 4)
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//反转
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StepMotor_Data = 0; Delay(100); } }
void Key_Scan() {
u8 Key_Data = 0; P3 = 0xff;
Key_Data = P3;
if(Key_Data == 0xfe) {
//步进电机启动
Delay(5);
if(Key_Data == 0xfe) { StepMotor_Start = 1;
} }
else if(Key_Data == 0xfd) { Delay(5); if(Key_Data == 0xfd) { StepMotor_Direct = 1; } } else if(Key_Data == 0xfb) { Delay(5); if(Key_Data == 0xfb) { StepMotor_Direct = 0; }
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//步进电机正转
//步进电机反转
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}
else if(Key_Data == 0xf7) { Delay(5); if(Key_Data == 0xf7) { StepMotor_Start = 0; } }
else if(Key_Data == 0xef) {
Delay(5);
if(Key_Data == 0xef) { DCMotorCon1 = 0;
//步进电机停止
//直流电机启动
DCMotorCon2 = 1; } }
else if(Key_Data == 0xdf) { Delay(5); if(Key_Data == 0xdf) { DCMotor_Speed += 10; if(DCMotor_Speed == 100) DCMotor_Speed = 90; } }
else if(Key_Data == 0xbf) { Delay(5); if(Key_Data == 0xbf)
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//直流电机加速
//直流电机减速
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{ DCMotor_Speed -= 10; if(DCMotor_Speed == 0) DCMotor_Speed = 10; } } else if(Key_Data == 0x7f) {
Delay(5);
if(Key_Data == 0x7f) {
//直流电机停止
DCMotorCon1 = 0; DCMotorCon2 = 0; } }
while(Key_Data != 0xff) { StepMotor_RUN(); Key_Data = P3; } }
void Timer0_Init() {
TMOD = 0x02; TH0 = 155; TL0 = 155; TR0 = 1; ET0 = 1; EA = 1; }
void main()
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{
Timer0_Init(); while(1) { Key_Scan(); StepMotor_RUN(); }
}
void Timer0() interrupt 1 using 2 {
TR0 = 0;
Counter_DCMotor++;
if(Counter_DCMotor < DCMotor_Speed) { DCMotorEN = 1; } else { DCMotorEN = 0; }
if(Counter_DCMotor==100) { Counter_DCMotor=0; }
TR0=1; }
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结论
本次设计内容是:轮型机器人硬件设计及其驱动设计。主要重点偏向于轮型机器人的驱动系统设计。
在第二章中对机器人进行了选型，分别对机器人的运动方式、模型结构和车体成型方式做了比较，最终确定了非完整约束轮驱四轮式移动结构模型。后轮同轴驱动，前轮转向的轮型机器人。并分别详细介绍了轮型机器人的驱动部分和转向部分的组成硬件。首先，选定驱动电机为直流电机，转向电机为步进电机，然后对部分的机械结构进行了设计，经校核，各零部件的强度和刚度都符合要求。最后结合所有设计内容对系统可靠性设计问题进行了研究讨论。
在第三章中对轮型机器人的驱动进行了设计。转向轮选用L298芯片和L297芯片串联作为控制电路来驱动步进电机进行工作，采用L297和L298实现环行分配器与功率放大器的功能。用L297输出信号可控制L298双H桥驱动集成电路，构成一个完整的系统，驱动四相步进电动机。直流电机任然采用L298芯片驱动。采用把L298输出管脚并联的方法来实现直流电机的控制，采用增量式光电编码器测量移动机器人后轮的实时转速，进而通过特定算法得到实时电机驱动模块的PWM控制量，实现运动机器人运动的闭环控制。同时根据设计要求对机器人的整体方案进行了分析，包括结构设计，驱动电机选择，驱动芯片的选择，驱动电路设计及程序的编制。
文章对移动机器人硬件结构做了详细的可行性分析及设计，并进行了相应的计算、校核，主要有驱动轮电机和转向轮电机的选择及其驱动电路的设计；齿轮的设计计算和校核；并针对本设计所研究的机器人做了系统设计的可靠性设计。
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致谢
本论文是在王振波老师的精心指导下完成的。
在设计过程中，王老师在理论学习和设计实验上给予了我科学合理的指导。他渊博的知识、严谨的学风和全身心投入的工作热情，对我的学习和工作产生了深刻的影响。在此，我衷心地感谢王老师给予我的培养和帮助。这都将是我人生历程中一笔异常宝贵的财富。同时还要感谢帮助过我的同学，他们在我的设计过程中也给予了我很大的帮助。
最后，向所有关心和帮助过我的老师和同学们致以深深的谢意。
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参考文献
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张慧慧.科学出版社,2004.5
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12 曹巧媛.单片机原理及应用.电子工业出版社,1997.7
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trackers fornonholonomic control systerms[J]. International Journal of Control, 2000.7
16 王吉会,邓俊萍.材料力学性能.天津大学出版社,2006.9
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附录1
PUMA560机器人的硬件改进和计算转矩的控制
更新用于教育事业的工业控制器
英国Reading大学的自动控制系有一台Puma 560教学机器人，由于原来的硬件控制部分和人机界面有所欠缺，因此此文就控制部分的改进作了阐述。本论文描述了两个自动化系的研究生的研究结果，这个课题涉及了基于个人计算机的机器人操作臂的人机界面和计算转矩的控制设计。
Puma 560机器人是一个六自由度的机器人操作臂，由六个直流伺服电机驱动，关节位置由编码器和电位计测定。三个大功率的电机用于驱动腰部关节，肩关节和肘关节，而三个较小功率的电机用于驱动腕关节位置和方位。Puma 560机器人有一个宽广的可达空间和较大的加速度，加速度大的超出人的想象。Puma 560机器人设计的初衷是用于工业装配和操作控制，目前大多用于科研院所作为研究的目的来应用。现在机器人操作臂本身仍然有高的强度和动力，然而原来的Unimation Mark Ⅱ控制器已经过时并且急需替代。随着现代科技的快速发展，出现了能够运行MATLAB/SIMULINK软件的个人计算机，并且还存在有其它的功能,例如实时监控设备、快速成型、以及用于控制机器人操作臂的高级在线测试。基于机器人控制 “工具箱”的SIMULINK软件可以控制Puma 560机器人操作臂，但是它不具备控制计算转矩的功能，正因为此，本文重点介绍这一技术的相关内容。
Puma 560机器人的改进和接口部分
为了利用个人计算机来控制Puma 560机器人操作臂，我们特意去掉了原来的LSI/11计算机、EEPROM存储器芯片、CMOS芯片、ad/ac接口、数字伺服控制板、以及操作臂接口卡。正如操作臂接口卡中所描述的一样，原来的功率放大器以及电流、转矩控制器在新设计的控制结构体系中仍然存在。Puma 560机器人控制部分的硬件结构如图一所描述。
专用的TRC041改进卡代替原来的芯片安装在Mark Ⅱ控制器的背面。控制器上的TRC041芯片通过专用的电缆与Q8数据采集器相连接,而Q8数据采集器又与个人计算机上的PCI接口相连接。 奔腾4, 2.4GHz的个人计算机在Windows 2000操作系统下运行,用于控制机器人操作臂的精确运动。伺服电机的转矩通过Mark Ⅱ控制器来控制，并且与由个人计算机通过Q8数
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据采集器发送过来的数字电压相比较。Q8数据采集器从TRC041芯片上接收到编码器和电位计上的信号。 电位计上的信号用来校准和标定最近接收到的标志信号，然后校准编码器上的读数用来决定关节的位置和方位。
控制器设计
利用控制计算转矩来实现机器人操作臂的控制，这一项技术多用于非线形的动态系统的控制中，用来去掉操作臂控制的非线形、也方便内部控制和定值的获得。关节位置通过微分积分调节器控制计算转矩，进而来控
个人计算机 Windows 2000 改进的PUMA560MATLA UNIMATE操作臂 6.5/Simulink5.0 控制器 Wincon 402 PCI总线 Q8数据采集器 TRC041网卡设置
图1 硬件结构
专用的TRC041改进卡安装在MarkⅡ控制器上，控制器上的TRC041改进卡和Q8数据采集器通过专用的电缆线来连接。奔腾4,2.4GH的个人计算机在Windows2000操作系统下运行，同时应用MATLAB/SIMULINK以及Wincon应用软件来控制机器人操作臂。 制关节位置，计算转矩控制器计算必须的参考转矩值，参考转矩值的计算公式如下：
ι＝M(q)(qd＋Kve`＋Kpe＋Kiε)＋N(q,q`) （A－1） 在这里ι∈R6是一个矢量，是指关节转矩的参考值；q∈R6也是一个矢量，一般是指关节变量；M(q)是转动惯量矩阵；N(q,q`)代表非线性的术语，例如向心力和震动的影响，以及摩擦和重力（万有引力）的影响；e(t)=qd(t)-q(t)是跟踪误差；qd(t)∈R6是理想的轨迹值；ε∈R6是总的跟
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踪误差；并且Kp、 Ki和 Kv是微分，积分调节器在各个关节的参数设定值的矩阵真值表。因为公式（１）是一个在时间上连续，即动态参数的公式在应用的初期通常应在数字计算机中利用。
假定这个动态的模型应用的相当恰当和精确，这个设计将对机器人操作臂提供有效的控制，幸运的是这种Puma 560机器人操作臂的动态性正如其所描述的一样，满足这种设计要求。相对的动态性和Denavit-Hatenburg操作臂所应用的参数是基于[4][5]，参考文献中所描述的一样。PID调节器参数的获取可参考文献[4]。
软件部分设计
软件结构的实现是基于在
Windows 2000下运行的SIMULINKLAB和
SIMULINK软件来实现的。SIMULINK软件使控制算法的快速设计得以实现，并且允许利用C代码来实现特殊的功能，并称之为S功能。除此之外，Wincon 4.1[6]用来实时执行已经编译的C代码，这些C代码是来自于SIMULINK软件项目下的实时监控处得来的，并且通过它来与Q8数据采集器通信。
轨迹生成器计算转矩控制
图2 利用PID调节器设计计算转矩控制 并在SIMULINK软件下实现控制
利用PID调节器设计计算转矩控制并在SIMULINK软件下实现控制。已知当前的关节位置和过去的关节位置通过调节器计算当前的关节速度。饱和
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反馈用来防止积分器出错，采样间隔是1ms。 轨迹生成
轨迹的生成也即是关节的运行路线的生成，是通过MATLAB代码来实现的。在实时控制器运行的时候通过关节点理想轨迹的离线计算可以充分利用处理器，提高处理器的利用效率。第五个命令是用来计算关节沿着指定的路线运动时关节角的矩阵变换。这个矩阵一旦被计算出来，这个变换矩阵就被用来作为控制器的表格来实现理想关节角的插值。
控制器的实现
PID计算转矩控制器利用SIMULINK软件来实现，它的实现如图2所示。由公式（1）给定的计算转矩的控制准则有一部分写成C代码作为SIMULINK软件的S功能。专门的SIMULINK软件模块与Q8数据采集器连接在一起来实现控制算法的计算，并且将计算转矩的参考值传送到Mark Ⅱ控制器。
假定这个动态的模型应用的相当恰当和精确，这个设计将对机器人操作臂提供有效的控制，幸运的是这种Puma 560机器人操作臂的动态性正如其所描述的一样，满足这种设计要求。相对的动态性和Denavit-Hatenburg操作臂所应用的参数是基于[4][5]参考文献中所描述的一样。PID调节器参数的获取可参考文献[4]。
用户界面
基于MATLAB的用户使用界面允许使用者通过改变由轨迹生成器生成的代码参数来详细的了解目标轨迹和用户界面。用户使用界面如图三所示。这个机器人操作的用户使用界面十分友好，关节空间的轨迹可以被储存，也可以被重新装载。末端执行器在笛卡尔坐标系中的位置和方位可以利用定义在文献[7]中的运动学方程来得到。关节到达笛卡尔坐标系中某一特定位置和方位的关节角由文献[8]中给定的逆运动学方程来求解。
实验调试
在模拟环境中完成测试，并且达到有效性的要求后，也应该调试一下实际的机器人操作臂的应用情况。很多测试指标都用来评估控制器的性能。控制器调试的结果表明此控制器的设计结构有很好的使用性能，对于不同的轨
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迹参考值均能达到小的跟踪误差，并且这些误差在要求的范围之内。
为了达到跟踪误差的高性能和高精度，在此设计中采用了飞投运动的原理。飞投指的是渔民投掷鱼线到河中的某一位置。这一涉及到飞投的行为存在以下几种状态，向前投掷，向前的运动，腕部关节的抖动，以及投掷运动的完成。PUMA 560机器人操作臂的运动通过提供一个预先设定的关节轨迹到控制器上，然后大体上来模仿投掷运动的原理来实现关节轨迹的控制。参考轨迹包括正弦曲线信号的合适的相位，量值，以及应用在关节二、三、五上的频率。运动结果实现了由人来完成的投掷运动的效果。PUMA 560机器人操作臂实验的关节轨迹的数值如图四所示，这个界面里包括了投掷运动的三个循环周期。实验用的视频是AVI格式的，你可以在文献[10]里下载。
当前笛卡尔坐标位置关节位置（度）关节1关节4保存当前位置装载位置关节2关节5关节3关节6删除位置理想笛卡尔坐标关节位置（度）关节1关节4关闭重启关节2关节5状态活动的臂电源关关节3关节6 笛卡尔坐标控制关节控制图3应用界面
该界面显示了当前的关节角度和末端执行器的笛卡尔坐标位置。在关节的运动范围内编辑器提供有效的关节角度，利用其可以设定理想关节角度。它也显示了末端执行器的理想笛卡尔坐标位置。该应用界面也可以存储当前位置
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和装载以前存储的位置。
教学过程
研究这个课题的学生获得了改进工业机器人操作臂的能力和接口部分的设计。这个课题包括阅读和解释即熟练掌握相关科技文献上的相关知识，移去UNIMATE控制器上的多余的芯片，根据使用指南插入改进后的芯片选择和购买电缆和终端，以及接口电源，伺服系统，编码器，以及电位计和数据采集器。学生也学习了计算转矩控制的原理，并且将其熟练的应用到了PUMA 560机器人操作臂的运动控制当中。运动控制的实现还涉及到计算转矩控制方程的模型代码，在这里计算转矩控制方程是通过C语言编制的SIMULINK软件的S功能来实现的；运动控制的实现还包括作为校准的SIMULINK系统的设计，比例微分积分调节器控制，轨迹生成，以及外部信号接口。
机器人的应用开发
由于该课题是在2002-2003学年完成的，机器人和基于接口技术的新的个人计算机运动控制的开发已经由另外的两个再读研究生来完成，这次历时四年。这两次计算转矩的控制开发都是用在内环上。这次研究的主要内容是：
⑴ PUMA机器人操作臂的力控制。这个内容涉及到操作臂的末端执行器的六个力传感器以及和计算机的接口部分的设计，也包括在SIMULINK下对控制器的控制。
⑵ 实现PUMA机器人操作臂的随意控制。这个内容包括利用专用的控制器替换在2002-2003年使用的比例微分积分调节器控制的控制。
在基于神经网络控制器的发展和实现的基础上，未来的研究主题因该是利用神经网络控制器来控制PUMA机器人操作臂。一些机器人控制的实验手册可以提供给学生二手的资料，以便了解机器人控制的相关知识，也可以利用它来评估不同的控制器设计的优劣，包括0重力加速度、计算转矩控制、阻抗控制、以及导纳控制等。这篇论文描述了PUMA 560机器人操作臂的改进，与个人计算机的接口，基于MATLAB轨迹生成和友好的用户界面的软件的开发，在SIMULINK下比例微分积分调节器控制的实现。这个项目是利用先进的技术将在技术上落后但机械结构上仍还完善的机器人实验台变废为宝的恰当的例证，能够使使用者在低成本的基础上利用基于SIMULINK和MATLAB开发的先进的、柔性的软件来实现对机器人操作臂的实验研究。
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附录 2
Hardware Retrofit and Computed Torque Control
of a Puma 560 Robot
Updating an industrial manipulator for educational use
The Department of Cybernetics at the University of Reading U.K. had, for a number of years, a functional PUMA 560 manipulator robot with its original control hardware and human interfaces. This article describes the results of a third-year project by two undergraduate students in the Cybernetics Department. The project consisted of interfacing the robot arm with a PC and developing software for the real-time implementation of a computed torque control scheme.
The PUMA 560 is a six-degree-of-freedom robotic manipulator that uses six dc servomotors for joint control. Joint positions are measured using encoders and potentiometers. Three large motors provide control of the waist, shoulder, and elbow, while three smaller motors position the orientation of the wrist. The PUMA 560 has a large reach and can achieve impressive acceleration. Originally designed for assembly and manipulation tasks, the PUMA arm is now widely adopted by academic institutions for research purposes. While the robot arm itself is still relatively robust, the original Unimation Mark II controller was outdated and in need of replacement. The use of a PC running MAT-LAB/SIMULINK and associated real-time tools facilitates the prototyping, development, and on-line testing of advanced schemes for controlling the manipulator. A SIMULINK-based robotic toolkit for controlling the PUMA 560 manipulator, but which excludes the computed torque control technique employed in this article, is reported in[1].
Retrofitting and Interfacing the PUMA 560 Robot
To control the PUMA arm using a PC, we removed the original LASI/11
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computer, EEPROM boards, and arm interface card. The original power amplifiers and current/torque controllers remain in the control architecture, as does the arm cable card. The hardware configuration is illustrated in Figure 1. Special-purpose TRC041 retrofit cards [2] re installed in the backplane of the Mark II controller, replacing the original boards. Custom-made cables are used to interface the TRC041 cards and a Q8 data acquisition board[3], which is connected to the PCI interface of the PC. An Intel Pentium 4.2.4 GHz PC running the Windows 2000 operating system is used to control the arm. Servo torques are controlled by the Mark II controller, with reference values sent as
Personal Computer Windows 2000 MATLAB6.5/Simulink5.0 Wincon 402 PCI BUS Q8 Data Acquisition Board P PUMA560 Manipulator Retrofitted UNIMATE Controller TRC041 Cable Card Set Figure1. Hardware configuration.
Special TRC041 retrofit cards were installed in the Mark II controller. The TRC041 cards in the controller and a Q8 data acquisition board were interfaced using custom-made cables. An Intel Pentium 4 2.4 GHz PC running the Windows 2000 operating system, together with MATLAB/SLMULINK and Wincon, are used to control the arm.
analog voltages from the PC through the Q8 board. The Q8 board receives encoder and potentiometer signals from the TRC041. Readings from the potentiometers are used to calibrate the encoders to the nearest index purse. The calibrated encoder readings are then used to determine the joint positions.
Controller Design
Control of the arm is performed using computed torque control[4]. This technique uses a nonlinear dynamic model of the system to remove the
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nonlinearities of the manipulator, facilitating external control with fixed gains. Joint positions are controlled by means of a proportional integral-derivative (PID) computed torque controller, which calculates the six required reference torque values by means of
ι＝M(q)(qd＋Kve`＋Kpe＋Kiε)＋N(q,q`) （A－1） Whereι∈R6 is a vector of joint torque references;q∈R6 is a vector of generalized joint variables; M(q) is the inertia matrix; N(q,q`) represents nonlinear terms, including Coriolis/centripetal effects, friction, and gravity; e(t)=qd(t)-q(t) is the tracking error, qd(t)∈R6 is the desired trajectory;ε∈R6 is the integral of the tracking error; and Kp, Ki and Kv are diagonal matrices with the proportional, derivative, and integral gains for each joint, respectively. Since (1) is a continuous-time formulation, a sufficiently short sampling period should be used in a digital computer-based implementation.
Provided the dynamic model employed is reasonably accurate, this scheme provides effective control of the arm. Fortunately, the dynamics of the PUMA 560 manipulator are well known and reported. The inverse dynamics and Denavit-Hatenburg arm parameters employed are based on those reported in [4][5]. The PID controller gains employed are reported in[4].
Software Design
The implemented software architecture is based on MATLAB and SIMULINK running under Windows 2000. SIMULINK enables rapid design of control algorithms and allows specific functions to be implemented in C code as S-functions. In addition, WinCon 4.[6] is used for real-time execution of the compiled C-code generated by the Real Time Work shop form the SIMULINK diagram, and to communicate with the Q8 board.
Trajectory Generation
Trajectory generation, which is performed in joint space, was implemented in MATLAB code. The off-line calculation of points on the desired trajectory reduces the overhead on the processor while the real-time controller is running. A fifth-order polynomial is used to calculate a matrix of joint angles along the specified trajectory. Once calculated, this matrix is used as a look-up table to
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interpolate the desired joint angles for the controller.
轨迹生成器计算转矩控制
Figure2. SIMULIK implementation of the
PID computed torque control scheme
Figure2. SIMULIK implementation of the PID computed torque control scheme. Joint velocities are computed using a filtered derivative the current and past joint positions. A saturation feedback scheme is used to prevent integrator windup. The sample interval is 1 ms.
Controller Implementation
The PID computed torque controller was implemented in SIMULINK as shown in Figure 2. The computed torque control law given by (1) was partly written in C as a SIMULINK S-function. Special SIMULINK blocks interface with the Q8 board to bring measurements into the control algorithm and to send torque references to the Mark II controller. Results show that the implemented control scheme has good performance, achieving small tracking errors for
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different reference trajectories.
Graphical User Interface
A MATLAB-based graphical-user interface (GUI) allows the user to specify the desired trajectory by changing the parameters used by the trajectory generation code. The GUL, shown in Figure 3, is designed for user-friendly operation of the robot, enabling joint-space trajectories to be stored and reloaded. The Cartesian position and orientation of the end effector are obtained using the forward kinematic equations defined in[7]. The joint angles required to reach a specified cartesian position and orientation are calculated using the inverse kinematics given in[8].
Experiments
After initial testing and validation of the implemented controller in a simulated environment, real-time experiments with the actual manipulator were carried out. Several tests were made to assess the performance of the implemented controller. The results show that the implemented control scheme has good performance, achieving small tracking errors for different reference trajectories.
To illustrate the tracking performance of the implemented control scheme, a demonstration was designed based on the action of fly-casting[9]. Flycasting is used by fishermen to cast off the fishing line to a position in the river. The actions involved in flycasting are the forward cast, the forward motion, the flick of the wrist joint, and completion of the cast.
The Cartesian position of the end-effector is displayed together with the current joint angles. Desired joint angles are set using edit boxes that provide validation of the joint angle with respect to the arm limitations. It is also possible to specify the desired cartesian store positions and load previously saved positions.
The flycasting motion was approximately modeled using the PUMA manipulator by supplying a predefined join trajectory to the controller. The reference trajectory consists of sinusoidal signals with appropriate phase, magnitude, and frequency applied to joints 2,3, and 5. The resulting motion
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resembles the flycasting action performed by a human. Experimental joint trajectories of the PUMA manipulator are shown in Figure 4, which includes three cycled of the flycasting motion. A video of the experiment in AVI format can be downloaded from[10].
当前笛卡尔坐标位置关节位置（度）关节1关节4保存当前位置装载位置关节2关节5关节3关节6删除位置理想笛卡尔坐标关节位置（度）关节1关节4关闭重启关节2关节5状态活动的臂电源关关节3关节6 笛卡尔坐标控制关节控制 Figure 3. The graphical user interface.
The Pedagogical Process
The students involved in this project gained experience in retrofitting and interfacing an industrial manipulator robot. This experience included reading and interpreting technical documentation, removing board from the UNIMATE controller, inserting the retrofit boards according to the manufacturer’s instructions, specifying and purchasing cables and terminals and interfacing
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power-up, servo encoder, and potentiometer signals with a data acquisition board. The students also learned the theory of computed torque control, and applied it to the PUMA 560 manipulator robot. The implementation involved coding the model-based computed torque control equations in a SIMULINK S-function using the C programming language, as well as the design of a SIMULINK system for calibration, PID control, trajectory generation, and external signal interfacing.
Further Use of the Robot
Since this project was carried out during the academic year 2002-2003,the robot and its new PC-based interface have been used for two additional undergraduate projects, this time at the fourth-year level. In both cases, the computed torque control scheme developed in the 2002-2003project was used in an inner loop. The topics of these projects were:
（1）Force control of the PUMA manipulator robot. This project involved the coupling of a six-axis force sensor with the end-effector of the manipulator and its interface with the control computer. The project also involved the implementation in SIMULINK of admittance and impedance controllers.
（2）Constrained predictive control of the PUMA manipulator robot. This project involved replacing the multivariable PID control employed in the 2002-2003 project with a constrained predictive controller. Future projects include the development and implementation of a neural-network-based controller on the PUMA manipulator. Moreover, a laboratory manual is being written to allow students of an undergraduate module entitled Manipulator Robotics to gain hands-on experience with manipulator control and to assess the performance of different control, Cartesian control, impedance control, and admittance control.
The project is an example of how a mechanically sound robotic platform with obsolete interfaces can be revitalized at low cost, enabling users to perform experimental research on the manipulator using a modern and flexible software interface.
Conclusions
This article describes a third-year undergraduate project that involved the retrofit of a PUMA 560 manipulator robot, its interface with a PC, MATLAB--50-
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based software development for trajectory generation and graphical user interface, and SIMULINK implementation of a PID computed torque control scheme. The project is an example of how a mechanically sound robotic platform with obsolete interfaces can be revitalized at low cost, enabling users to perform experimental research on the manipulator using a modern and flexible software interface based on MATLAB and SIMULINK.
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