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1、六足爬行机器人控制系统设计目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 课题研究的背景及意义11.2 机器人概述11.2.1 机器人的定义11.2.2 移动机器人21.2.3 仿生机器人的简述41.3 国内外的研究状况41.3.1国外研究动态41.3.2国内机器人研究动态51. 4 本章小结62 六足爬行机器人步态规划72. 1 仿生学原理与步态生成72. 2 本章小结83 六足爬行机器人硬件控制系统设计93. 1 舵机的应用93. 1. 1 舵机的类型及安装93. 1. 2 舵机的构造103. 1. 3 舵机的控制方法113. 1. 4 舵机的工作原理123. 2 伺服电机驱动电路的选
2、择143. 3 PC控制舵机153. 4 本章小结174 六足爬行机器人系统软件开发174. 1 开发工具184. 2 系统软件控制对象的控制原理184. 2. 1伺服电机控制原理184. 2. 2 mini USB 32伺服电机控制器工作原理194. 3 系统软件的开发204. 3. 1 MSComm控件属性设置214. 3. 2 控制软件程序设计224. 4 本章小结23结论与展望24毕业设计工作总结25致 谢26参考文献27附 录28六足爬行机器人控制系统设计摘 要随着社会的进步和科学的发展，机器人产品在人们的工作环境中发挥着越来越重要的作用，机器人也就成为目前国内外研究的热点课题，六足
3、爬行机器人作为机器人的一个分支，其运动具有较强的稳定性，故而在军事运输、天文探测等领域就具有重要的意义，因此在国内外六足机器人均得到了广泛研究。本文研究的六足爬行机器人硬件系统主要是利用舵机，软件系统是利用visual basic实现，两者通过visual basic的MSComm控件实现串口通信，两者都具有运行简单，操作方便的功能，因而能容易的达到预期目标。最后，对本文的工作做了总结，指出了工作的成果及意义，并对今后的进一步工作进行了展望。关键词 六足爬行机器人；visual basic；串口通信；舵机THE CONTROL SYSTEM DESIGN OF HEXAPOD CRAWLED
4、ROBOTSABSTRACTAlong with the progress of the society and the development of science, robot products play an increasingly important role in peoples work environment .At home and abroad robots have become the hot topic. As a branch of the robot, the movement of hexapod crawled robots has strong stabil
5、ity, so it has an important meaning in military transport, astronomical detection and so on , and it also has been widely applied. In the paper its hardware system is mainly using the steering gear, and the software system is realized by visual basic. They realize serial communication through the MS
6、Comm control realization of visual basic .They all have operation simple, convenient operation function, and can therefore easy to reach expected objectives.Finally, the paper summarizes the achievements, points out the work and significance, and the further work for the future was prospected.KEY WO
7、RDS hexapod crawled robots,visual basic ,serial communication,teering gearII1 绪论1.1 课题研究的背景及意义机器人技术集机械、电子、计算机、材料、传感器、智能控制等多种技术于一体，代表了机电一体化技术的核心成就。目前许多国家都投入大量的人力物力对它的基础理论和应用技术进行了广泛的研究，机器人技术水平的高低和应用成就，在一定程度上体现了一个国家科技发展水平的高低，它的应用在很大程度上可以促进工业基础，特别是装备制造业技术水平和能力的提高。近年来，随着人类对在复杂环境中既具备高移动能力，又具高可靠性，且易于扩展的移动平
8、台日益迫切的需求，有相当多的研究探讨两足至多足机器人的应用，过去两足机器人多为轮型机构系统，其运动局限于二维平面，无法克服许多困难山区崎岖的地形1。因此，人类开始思考创造类似人类、昆虫、动物等运动模式的仿生爬行机器人。仿生六足爬行机器人是一种基于仿生学原理研制开发的新型足式机器人2。与传统的轮式或履带式机器人相比，足式机器人自由度多、可变性大、结构复杂、控制繁琐，但其在运动特性方面具有独特的优点：首先是足式机器人具有较好的机动性，对不平地面的适应能力十分突出，由于其立足点是离散的，与地面的接触面积较小，因而可以在可能达到的地面上选择最优支撑点，从而能够相对容易地通过松软地面(如沼泽和沙漠)以及
9、跨越比较大的障碍(如沟、坎、台阶等)；其次是足式机器人的运动系统可以实现主动隔振，允许机身运动轨迹与足运动轨迹解藕。尽管地面高低不平，机身的运动仍可达到相当平稳；再次是在不平地面和松软地面上的行进速度较高，而能耗较少。正是由于上述特点，足式机器人正日益成为机器人技术领域的研究热点。1.2 机器人概述1.2.1 机器人的定义（1）美国机器人协会（RIA）定义：一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置，通过可变程序动作来执行种种任务，并具有编程能力的多功能机械手。（2）日本工业机器人协会（JIRA）的定义：一种装备有记忆装置和末端执行器（end-effecter）的，能够转动并通过自动完成各种移
10、动来代替人类劳动的通用机器。（3）国际标准化组织（ISO）的定义：机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可变程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务。（4）我国机器人的定义：机器人是一种自动化的机器，所不同的是它具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力、协同能力等，是一种具有高度灵活性的自动化机器。各个国家和标准化组织对机器人的定义各不相同，这主要是因为机器人技术的不断发展和涉及到了人的概念。由此，机器人的定义不再局限于技术科学，而且涉及到了哲学，就使对机器人的定义产生了不同的理解。欧美国家认为：
11、机器人应该是由计算机控制的通过编排程序具有可以变更的多功能的自动机械，但是日本不同意这种说法。日本人认为“机器人就是任何高级的自动机械”，这就把那种尚需一个人操纵的机械手包括进去了。因此，很多日本人概念中的机器人，并不是欧美人所定义的。现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般说来，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。机器人能力的评价标准包括：智能（特指感觉和感知），指记忆、运算、比较、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等；机能，指变通性、通用性或空间占有性等；物理能，指力、速度、连续运行能力、可靠性、联用性、寿命等。因此，可以说机器人是具有生物
12、功能的空间三维坐标自动化工作的机器。1.2.2 移动机器人3-41.2.2.1 移动机器人发展概述移动机器人是机器人的一个重要分支，其研究始于60年代末期，斯坦福研究院的Nils Nilsscn和Charlcs Rosen等人，在1966年至1972年中研制出了取名为Shakcy的自主式移动机器人。目的是研究应用人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自主推理、规划和控制，与此同时，最早的操作式步行机器人也研制成功，从而开始了机器人步行机构方面的研究，以解决机器人在不平整地域的运动问题，设计并研制出了多足机器人。70年代末，随着计算机的应用和传感器技术的发展，移动机器人研究又出现了新的高潮。特别
13、是在80年中期，设计和制造机器人的浪潮席卷全世界。一批世界著名的公司开始研究移动机器人平台，这些移动机器人主要作为大学实验室及研究机构的移动机器人实验平台，从而促进了移动机器人学多种研究方向的出现。90年代以来，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术，高适应性的移动机器人控制技术，真实环境下的规划技术为标志，开展了移动机器人更高层次的研究。1.2.2.2 移动机器人分类移动机器人是机器人的一个重要分支，早期的移动机器人无论是控制方法或智能水平都较低，只能做出一些简单的推理、判断和决定。近年来，随着机器人技术及相关领域技术的发展，特别是计算机技术的发展，机器人领域的研究取得了长足的进步，其智
14、能水平也大大提高，逐步由以前的遥控式向半自主式和自主式过渡，工作条件也由室内向室外、简单向复杂过渡。其中自主式移动机器人由于其高度的自主性，正在越来越多的领域得到广泛的应用，特别是在军事侦察、宇宙开发、扫雷探险、防核化污染等恶劣的环境中有着广泛的应用前景。另外，随着生产自动化技术的发展，移动机器人在柔性自动化制造生产线上和无人化工厂中也得到了广泛的应用。当前，由于生产自动化程度的提高，对机器人提出了各种各样的需求，要求能够实现各种功能，其中移动机器人成为机器人研究领域的热门方向。对于移动机器人来说，它有多种不同的分类方法，按不同的分类方法可将移动机器人分为不同的种类：（一）按自主水平来分：（1
15、）遥控式移动机器人移动机器人的执行动作和运行轨迹完全由人通过遥控来控制，机器人不进行任何判断和决策，只是执行人发出的命令，不具备任何自主性。（2）半自主式移动机器人智能水平介于遥控和自主式移动机器人之间，具备一定的感知、判断和决策功能，但对一些复杂任务仍需在人工干预下才能顺利完成。（3）自主式移动机器人按人预先设置的任务命令，根据已知的环境信息进行路径规划，同时在行进过程中不断获取周围的局部环境信息，自主地做出判断和决策，随时调整移动机器人的运行路径并执行相应的动作和操作。整个过程不需人为参与，由机器人自主进行。（二）按移动方式来分：（1）轮式移动机器人：轮式机器人动作稳定，操作简单，其移动速
16、度和方向容易控制。在无人工厂中用来搬运零部件或其它基本任务用的很多，适合于平地行走。按轮数的多少又可分为二轮、三轮、四轮式三种。（2）履带式移动机器人：履带式移动机器人的移动机构支撑面积大，接地比压小，适合松软或泥泞场地作业，下陷度小，滚动阻力小，对路况具有较强的适应性，同时还有较强的爬坡能力和负载能力。（3）多足移动机器人：足式移动对崎岖路面具有很好的适应能力，足式移动方式的立足点是离散的，可以在可能到达的地面上选择最优支撑点，即使在表面极度不规则的情况下，通过严格选择足的支撑点，也能够行走自如。足式移动方式具有主动隔振能力，允许机身运动轨迹和足运动轨迹解耦，保持机身运动具有高稳定性。因此，
17、足式步行机器人的研究己成为机器人学中一个引人注目的研究领域。（4）特种移动机器人：根据具体的应用目的，还有其他种类的移动机器人，如墙壁清洗机器人、爬缆索机器人以及管内移动机器人等，这些机器人是根据某种特殊目的设计的机器人。（三）按控制体系结构来分：（1）功能式（水平式）结构机器人；（2）行为式（垂直式）结构机器人；（3）混合式机器人：（四）按功能和用途来分：医疗机器人、军用机器人、助残机器人、清洁机器人等。（五）按作业空间来分：陆地移动机器人、水下机器人、无人飞机和空间机器人等。1.2.3 仿生机器人的简述5-6仿生学（Bionics）是20世纪60年代出现的一门综合性边缘科学，它由生命科学与
18、工程技术学科相互渗透、相互结合而成。通过学习、模仿、复制和再制造生物系统的结构、功能、工作原理及控制机制，来改进现有的或创造的机械、仪器、建筑和工艺过程。 仿生机器人是就是模仿自然界中生物的外形或某些机能的机器人系统。通过漫长的进化过程，自然界最复杂、最灵巧的运动就是人的肢体运动。通过对人的肢体运动的模仿，可以制造出更加灵活，具有更好适应性的多功能的产品。我们按其模仿特性进行分类。1.3 国内外的研究状况1.3.1国外研究动态国外对机器人的研究一直处于领先水平。1954年7月3日美国发明家德沃研制成功世界第一台T业机器人样机7。并同时申请具有记忆和重复操作功能的机器人专利。虽然它是一台实验样机
19、，但是已经具备了现代机器人的主要特征。目前美国的机器人研究主要集中在航天及军事领域。其代表产品是“勇气”号火星车，它于2004年1月4日登陆火星。它长1.6m、宽2.3m、高1.5m、重174Kg。它的控制器是一台每秒执行约2000万条指令的计算机。当“勇气”号发现值得探测的目标时，它会以6个轮子当腿，运动至目标面前，然后伸“手”进行考察。火星车的“手臂”具有与人肩、肘和腕关节类似的结构，能够灵活地伸展、弯曲和转动，上面带有多种探测工具8-9。另外美军在伊拉克和阿富汗战争中也使用了5000台战争机器人进行空中和地面作战任务10。 图1-1阿西莫 图1-2意大利昆虫机器人日本在1967年从美国购
20、买了机器人的生产许可证后，开始了对机器人开发和制造的热潮。如本田公司从1986年至今相继推出了PI、P2、P3和ASIMO（阿西莫）仿人机器人，特别是ASIMO除了杰出的步行能力以外，还可以实现开电灯，开门，拿东西，拖盘子，推车，具有面部识别功能，并能够与人进行交谈。它的控制以ZIP理论为基础实现了真三维空间的行走11。其外型如图1-1所示。图1-2所示为2007年8月意大利科学家研究出一种可以探明土壤汞污染的“昆虫机器人”。这个以昆虫为原型的机器人长l0cm，重80g。在制作机器人的过程中，主要参考了跳蚤和青蛙的跳跃方式。当探测大面积土地时，采用这种设计的机器人比大型机器人效率更高。这种机器
21、人的身上配备有汞探测器，这样就可以定位污染源，到达人类不能探测的盲区12。1.3.2国内机器人研究动态我国机器人研究始于上世纪70年代，并被列入“七五”期间实施的国家“863”高科技发展计划（512主题）。“863”计划的实施大大推动了我国机器人技术的发展，在“八五”、“九五”和“十五”期间分别将机器人技术作为主题，制定了相应的高技术研究发展规划。“八五”期间重点围绕恶劣环境的室外移动机器人、用于处理陔废料的遥控移动作业机器人、壁虎爬行机器人、水下无缆自治机器人、高精度装配机器人等五种类型开展先进机器人技术研究。“九五”期间重点围绕汽车、家电等工业机器人产业化与以“CR-01”6000米水下机
22、器人为代表的特种机器人等方面开展了先进机器人关键技术与应用示范研究。“十五”期间进一步拓宽了机器人技术向自动化装备技术方而的发展。目前我国机器人正朝着遥控检查和排险机器人（沈阳自动化所）、自动驾驶机器人（清华大学、国防科技大学）、防核防化军用机器人（国防科技大学）、微操作机器人（华中科技大学）等实用化、智能化和特种机器人的方向发展13-15。 图1-3仿生螃蟹机人 2007年7月7日，哈尔滨工程大学研制开发的仿生机器人螃蟹，经过近百次试验获得成功。该仿生机器人螃蟹长60cm，宽35cm，厚度为25cm，体重12Kg。 时速540m。 这只仿生螃蟹配备有卫星定位系统，能潜入4m深水下进行搜救、探
23、测、录像等任务16，如图1-3所示。 1. 4 本章小结本章主要讨论了研究六足仿生机器人的意义及应用前景，国内外研究的现状和取得的技术成果，并在此基础上明确了本课题的研究目的和内容。 2 六足爬行机器人步态规划2. 1 仿生学原理与步态生成17-18为满足仿生六足机器人平稳性的要求，六足机器人采用占空系数为1/2（即运动时三足支撑，另三足悬空）的三角步态 。 如图2-1（a）所示，机器人开始运动时，2、4、6三条腿抬起进行向前摆动的姿态准备，另外三条腿1、3、5处于支撑状态，支撑起机器人本体以确保机器人的重心位置始终处于三条支腿所构成的三角形内，使机器人处于稳定状态而不至于摔倒，摆动腿2、4、
24、6抬起向前跨步(如图2-1(b)所示)，支撑腿1、3、5一面支撑机器人本体，一面在舵机的作用下驱动机器人机体向前运动半步长s(如图2-1(c)所示)。在机器人机体移动结束后，摆动腿2、4、6立即放下，呈支撑态，使机器人的重心位置处于2、4、6三腿支撑所构成的三角形稳定区内，同时原来的支撑腿1、3、5抬起并准备向前跨步(如图2-1(d)所示)，当摆动腿1、3、5向前跨步时(如图2-1(e)所示)，支撑腿2、4、6此时一面支撑机器人，一面驱动机器人本体，使机器人机体向前行进半步长s(如图2-1(f)所示)，如此不断循环往复，以实现机器人的向前运动，但是其行进轨迹并不是一条直线，而是z形。六足仿生机
25、器人步态除了三角步态以外还有一种不常见的六足步态，六足步态和三角步态的主要区别是三角步态中六个足都有竖直和水平两个自由度，而六足步态中只有前腿和后腿能前后移动，中间腿只有竖直方向一个自由度，因此当机器人采用这种步态行走时躯体很难稳定，会有较大幅度的摇摆，不利于机器人的越障。所以这种步态只有少数自由度数较少的机器人才会采用，以实现其基本运动。图2-1 直线行走时的步态本文还设计了一种机器人转弯步态，见图2-2。以机体中心为旋转中心的旋转方式即中心转轴步态主要是这样的，以机器人向右90度转向为例：机器人在静止状态下六个足端点的分布（俯视图）如图2-2 所示。把左面三足分别命名为L1、L2、L3，右
26、面三足分别命名为R1、R2、R3。采用中心转轴步态原地右转弯90度，首先L1、L2、L3 三条腿抬起并向右旋转，而R1、L2、R3 三条腿支撑地面；待L1、R2、L3 落地后，R1、L2、R3 再抬起向右旋转，落地，如此循环。每个动作周期机器人原地旋转22.5，将此过程重复四次，就完成了右转弯90的动作。L1 足端将最终落在（L1）位置处，其余足端类似。 图2-2 中心轴步态示意图2. 2 本章小结本章主要介绍了六足爬行机器人运动时的步态。3 六足爬行机器人硬件控制系统设计在机器人机电控制系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。 舵机可以在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控
27、制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。 舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。目前在高档遥控玩具，如航模，包括飞机模型，潜艇模型。遥控机器人中已经使用得比较普遍。舵机是一种俗称，其实是一种伺服马达。 舵机有着如下的优点：大扭力、控制简单、装配灵活、相对经济，但它亦有着先天的不足：首先它是一个精细的机械部件，超出它承受范围的外力会导致其损坏，其次它内藏电子控制线路，不正确的电子连接也会对它造成损毁，因此，很有必要在使用前先了解舵机的工作原理，以免造成不必要的损失。 3. 1 舵机的应用3. 1. 1 舵机的类型及安装舵机是遥控模型无线电操纵系统中很
28、重要的部件。如果不了解它的性能，不讲究正确的安装方法，轻则影响模型的飞行姿态，重则如果卡住模型则无法操纵，造成事故的发生。所以，在使用舵机前，了解它的性能和安装方法是必要的。目前市场上出售的模型舵机，主要是比例式的，类型有普通型、超小型，强力型和特殊用途型等几种。下面分别介绍一下它们各自的性能。 普通型：45 克，0.2 秒/60 度，力矩 3 千克厘米。这种舵机各方面性能都比较适中，一般用在尺寸不是很大的 P3A-1、2 和 P2B-1、2等模型上。 超小型：20克，0.15 秒/60度，力矩2千克厘米。它的体积小、重量轻，输出力矩小，通常用于小尺寸、舵面阻力相对小的模型上，如 P5A、小型
29、电动类模型等。强力型：100克，0.2秒/60 度，力矩9千克厘米。这种舵机输出力矩大，可以克服高速、大舵面带来的阻力大的缺点。主要用于尺寸和飞行重量大，速度快，舵面阻力大的模型，如 F3A、大型仿真飞机模型、现代特技飞机模型、喷射模型飞机和 F4 级模型等。 特殊用途型： 多数特殊用途的舵机，其性能与强力型相似。通常用于专项任务，如收索机 (帆船)、起落架蛇机等。另外，还有些耐高温和可防水的舵机，主要用于科学研究和工业方面，一般模型很少采用，但近年来这种舵机随着模型产品的发展在民用模型领域发展迅速。 般的舵机内部的电路和齿轮等零件都是很精细的，自己较难制作，多采用成品舵机。日产成品舵机品质较
30、好，剩余功率大，不易打齿、比较耐用。国产舵机质量有的也不错。安装舵机也很重要，安装方法主要有三种：（1）用胶直接把舵机粘在模型上。要求粘接技术较高，不能更换，通常用于一些简单模型。 （2）对好舵机两边的安装孔，用螺钉固定。这种方法的好处是容易更换。 （3）利用配套的固定片及减震片固定。对于装大容积内燃机的模型，为了减少振动对舵机的损害，多采用这种方法。 舵机的安装位置应尽量靠近模型的重心。有条件时，舵机和接收机应尽量分别使用电源。电源电压不足时，应立即更换，以免舵机操纵失灵导致空中停机。舵机输出盘(摇臂)不同的角度和力臂孔，应尽量选择力臂大的，这样可以减小舵机负荷。输出盘与舵面，可以专用联杆或
31、钢丝连接，前者效果较好。 3. 1. 2 舵机的构造舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的 IC 判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位。位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会随之改变，藉由检测电阻值便可知转动的角度。一般的伺服马达是将细铜线缠绕在三极转子上，当电流流经线圈时便会产生磁场，与转子外围的磁铁产生排斥作用，进而产生转动的作用力。依据物理学原理，物体的转动惯量与质量成正比，因此要转动质量愈大的物体，所需的作用力也愈大。舵机为
32、求转速快、耗电小，于是将细铜线缠绕成极薄的中空圆柱体，成一个重量极轻的五极中空转子，并将磁铁置於圆柱体内，这就是无核心马达，如图3-1所示。 图3-1 舵机的结构3. 1. 3 舵机的控制方法标准的舵机有3条导线，分别是：电源线、地线、控制线，如图3-2所示。 图3-2 标准舵机电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源。电压通常介于46V，一般取5V。注意，给舵机供电电源应能提供足够的功率。控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为20ms(即频率为50 Hz)。 当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。某型舵
33、机的输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关系可用图3-3来表示。 图3-3 舵机输出转角与输入信号脉冲宽度的关系 舵机的电源引线：电源引线有三条，舵机三条线中橙色的线是控制线，接到控制芯片上；红色的线是舵机工作电源线，一般工作电源是5V；黑色的线是地线。如图3-4所示。图3-4 舵机电源引线3. 1. 4 舵机的工作原理控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1. 5ms 的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过多级减速齿轮带
34、动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。当然我们可以不用去了解它的具体工作原理，知道它的控制原理就够了。就像我们使用晶体管一样，知道可以拿它来做开关管或放大管就行了，至于管内的电子具体怎么流动是可以完全不用去考虑的小型舵机的工作电压一般为4. 8V或6V，转速也不是很快，一般为 0. 22/60 度 或 0. 18/60 度，所以假如你更改角度控制脉冲的宽度太快时，舵机可能反应不过来。 如果需要更快速的反应，就需要更高的转速了。 要精确的控制舵机，其实没有我们想的那么容易，很多舵机的位置等级有1024个。如此说来，如果舵机的有效角度范围为180度的话，其控制的角度精度是可以达到180/10
35、24度约0.18度了，从时间上看其实要求的脉宽控制精度为 2000/1024us 约2us。如果你拿了个舵机，连控制精度为 1 度都达不到的话，而且还看到舵机在发抖。在这种情况下，只要舵机的电压没有抖动，那抖动的就是你的控制脉冲了。使用传统单片机控制舵机的方案也有很多，多是利用定时器和中断的方式来完成控制的，这样的方式控制1个舵机还是相当有效的，但是随着舵机数量的增加，也许控制起来就没有那么方便而且可以达到约 2 微秒的脉宽控制精度了。 图3-5 TowerProMG995国内市场上常见的微型伺服电机主要是JR、Futaba和辉盛三个品牌。 JR和Futaba品牌是日本生产的，价格相对较高，各
36、方面性能较好；辉盛品牌为国内厂家制造，价格相对低廉。 但是，运动精度与速度以及稳定性，辉盛系类的微型伺服电机稍逊一筹。 另外，不同品牌的微型伺服电机的接头和正逆转的方向也有所不同 。JR 的伺服电机都是以 4. 8V 为测试电压，Futaba则是以 6. 0V 作为测试电压。速度快、扭力大的伺服电机，除了价格贵，还会伴随著高耗电的特点。对于应用于六足仿生机器人的微型伺服电机的要求，需要微型伺服电机具有体积小、重量轻、扭力大的特点。 不同品牌的微型伺服电机性能各有不同，见表3-1。 表3-1 伺服电机技术参数品牌、类型重量（g）工作电压（V）无负载速度（sec/60）扭力（Kg/cm）结构尺寸（
37、mm）Futaba（s3801）10760. 261459. 228. 849. 8Futaba（s5801）837. 20. 59. 8462544JR（NES-605）1454. 80. 281063. 53253. 5JR（NES-4721）494. 80. 228. 6391933辉盛 （TowerProMG995）55. 24. 87. 20. 24(6. 0V) / 0. 2(7. 2V)13. 0(6. 0V) / 15. 0(7. 2V)40. 619. 837. 8辉盛（TowerProMG996R）55. 24. 8-7. 20. 17(4. 8V) /0. 14(6V)9
38、. 0(4. 8V)/10. 5(6V)40. 719. 742. 9根据相关参考资料，利用微型伺服电机驱动关节机器人，通常扭矩为 3. 1 kg/cm 的伺服电机可以驱动 0. 45kg 的机器人。 TowerProMG995 型伺服马达最大扭矩为 15 kg/cm，故必须使机器人质量控制在 2. 15kg 之内。TowerProMG995的扭力在几个品牌中是最大的，并且工作电压的范围较为宽泛，重量虽然不是最轻的，但是它体积相对较小，性价比最优。最后决定选用 TowerProMG995 型微型伺服电机作为关节驱动元件。TowerProMG995如图3-5，技术参数见表3-1。 3. 2 伺服
39、电机驱动电路的选择六足仿生机器人伺服电机驱动电路的要求：（1） 对伺服电机的供电必须输出稳定，且电流足够驱动12个伺服电机。 （2） 驱动电路输出的驱动信号稳定，以便伺服电机能够正常工作不产生抖动。 （3） 结构紧凑，体积小，物理性能稳定。 驱动电路的方案有两种：a 独立设计驱动电路或直接对MCU进行编程，使MCU产生控制伺服电机PWM信号，利用程序改变PWM信号的脉宽，从而改变伺服电机的状态。 这种方式的优点是，可以使得主控电路与伺服电路最大化的集成，得到的电路规模为最小，给电路板在机器人身上的安装带来直接的便利，而且减少的机器人的总体重量。 机器人的伺服电机可以选择较小扭力的伺服电机。 缺
40、点是：程序的规模较大，给调试带来较大的麻烦，使程序设计者不能把全部的精力用来规划机器人的运动。 机器人的程序规模变大，直接导致程序的不稳定。 在多个伺服电机同时工作状态和多个伺服电机的速度要协调的状态下，程序的编制尤为困难和繁杂。 b 选择产品化的伺服电机控制器，通过与主控制器的通信来实现对伺服电机的高效控制。 这种控制方式的优点是，可以方便的实现多个伺服电机的协调优化控制，较为轻松的达到多个伺服电机的同时启停的控制。 使程序的规模有相当大的精简，以往需要几十行的或者更多的程序，通常短短的几个控制字符就可以轻易的实现。 并且控制精度也有相当的提高。 程序设计者可以把丰富的精力用来研究机器人的动
41、作规划。 缺点是，电路板的规模会有一定的提高，给电路板的安装带来一定麻烦。 综合各个方面的因素，决定选用第二种方式。 伺服电机驱动器采用mini USB 32微型伺服电机控制器。 这是一款功能较强、体积较小的微型伺服电机控制器。它有着很高的位置精度以及运动精度。结构如图3-6。 1 、mini USB接口 2、TTL串口跳线 3、比特率设置 4、对外5V供电接口 5、4路输入接口 6、舵机信号接口7、舵机电源正极 8、舵机电源负极 9、舵机供电10、控制板电源(7V-12V)图3-6 mini USB 32路舵机控制器其主要特性有：1、采用32位高速CPU，处理速度更快，控制更精确，运行更稳定
42、。 2、自动识别波特率（9600，19200，38400，57600，115200，12800自动识别）。 3、真正的脱机运行（例如发送#ENABLE#1G#3G#4#5G#6G#7GC100带回车，舵机控制器上电之后自动运行第1，3，4，5，6，7个动作组，循环执行100次，性能稳定，添加500个动作组也完全没问题）。 4、USB与TTL串口采用不同的IO口分开处理，绝对没有任何干扰。 5、动作组执行完都会返回一个“AGF”，这样大家检测动作组有没有执行完毕，以便执行其他命令。 可以同时控制多达32个伺服电机协调动作，具有位置控制以及速度控制，既可以用PC机上的软件来控制，也可以通过MCU（
43、51、AVR、ARM、FPGA、PIC等）中的UART通讯（TTL电平的串口）发命令来控制舵机，也可以将PC机上的软件产生的指令代码下载到伺服电机控制器，实现脱机运作。 通过PC机操作上位机软件给控制器传递控制指令信号，即可实现多路伺服电机单独控制或同时控制。也可以用带串口的微处理器作为上位机组合使用，控制指令精简，控制转角精度高，波特率可以实时更改，体积小，重量轻，其可作为类人型机器人、仿生机器人、多自由度机械手的主控制器。 3. 3 PC控制舵机1 将舵机控制器PC连接好，并加上5V的电压，注意电源的正负极。 2 安装舵机控制器的驱动程序，如图3-7。 图3-7 驱动程序安装按钮3 查看舵
44、机控制器与PC机相连的端口。如下图3-8所示为COM3。 图3-8 端口设置 4 将舵机与舵机控制器连接好，将1500对应的位置设为舵机启动的初始位置，然后把零件组装在一起。 5 启动舵机控制软件，选择COM3端口，并连接，然后调整BOX，如图3-9所示。 图3-9 32舵机控制器舵机位置图6 启动VB6.0，添加MSComm控件，修改其属性，如图3-10。 图3-10 属性设置7 在VB上编写程序，控制舵机运动。 3. 4 本章小结本章主要介绍了舵机的基本知识，选择了TowerProMG995伺服电机作为驱动装置和型号为mini USB32 路舵机控制器，以及VB如何实现对舵机的控制。经过加
45、工，最终完成的试制物理样机，如图3-11。 图3-11 六足爬行机器人实物4 六足爬行机器人系统软件开发4. 1 开发工具Visual Basic是Microsoft公司推出的一套完全独立的Windows应用程序开发系统，可应用于Windows环境下的各种应用程序。VB是一种可视化、面向对象、采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言，简捷易用，开发效率高，而且功能强大。 利用VB事件驱动的编程机制和新颖的可视化设计工具以及Windows内部应用程序接口(API)函数，采用动态链接库(DLL) 动态数据交换(DDE)、对象链接嵌入(OLE)以及开放式数据库访问(ODBC)等技术，可以高效、快速地
46、开发出Windows环境下功能强大、图形界面丰富的应用软件。其MSComm控件是开发串口通信的便捷工具。 MSComm控件通过串行端口传输和接收数据，为应用程序提供串行通讯功能。 MSComm控件提供下列两种处理通讯方式：事件驱动通信是处理串行端口交互作用的一种非常有效的方法。 在许多情况下，在事件发生需要得到通知。 在程序的每个关键功能后，可以通过CommEvent属性的值来查询时间和错误。 如果应用程序较小，并且是自保持的，这种方法是可取的。 每个使用的MSComm控件对应着一个串行端口。 如果应用程序需要访问多个串行端口，必须使用多个MSComm控件。 可以在Windows“控制面板”中改变端口地址和中断地址。 4. 2 系统软件控制对象的控制原理系统软件的控制对象为：伺服电机、伺服电机控制器。它们的控制关系为递进关系。首先系统软件控制串口发送控制字节到mini USB 32伺服电机控制器，mini USB 32伺服电机控制器发出PWM信号到伺服电机，伺服电机根据驱动信号运转相应的角度。 4. 2. 1伺服电机控制原理控制脉冲马达比例电位器齿轮组控制电路伺服电机是一个典型闭环反馈系统，如图4-1所示。 图4-1 伺服电机
