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1、北京联合大学 毕业设计 -1-引 言机器人是上个世纪中叶迅速发展起来的高新技术密集的机电一体化产品，在发达国家，工业机器人已经得到广泛的应用。随着科学技术的发展，机器人的应用范围也日益扩大，遍及工业、国防、宇宙空间、海洋开发、医疗康复等领域。进入 21世纪，人们已经越来越亲身地感受到机器人的深入生产，深入生活，深入社会的坚实步伐。机器人技术在不断发展提高，机器人系统中的驱动装置也在不断更新，用以满足更高的控制要求。舵机就是在机器人驱动装置发展中诞生的新型驱动装置。本次毕业设计用实验检测的方法对舵机电路的工作原理进行了研究分析，用单片机实现了对舵机的控制，概述了程序控制思路，并提出了一种单片机对
2、舵机的闭环控制方式，并根据提出的闭环控制思路进行了闭环控制系统的设计并对控制系统做了相应的实验。北京联合大学 毕业设计 -2-1、概述1.1 机器人的定义及应用环境机器人是能自动执行工作的机器装置。既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据人工智能技术制定的原则行动。它的任务是协助或取代人类的一些工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。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，是一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。
3、”机器人的产生是一个科学技术发展的综合结果，也是生产力发展的必然结果，人们总是期待有种机器能够代替我们去从事复杂和繁重的体力劳动，社会的发展总是需要进行大批量的生产制造，需要不断的提高生产效率，可以说机器人是为了满足我们的发展需要而创造出来的。而后发展的各种各样的机器人也是由于人类的需要所设计的，随着人们需求角度的增加，各种各样的机器人还会在今后问世。我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：服务机器人、水下机器人、娱乐
4、机器人、军用机器人、农业机器人等。1.2 机器人系统组成机器人的所有部件够成了一个整体的运行系统，该系统由执行机构、驱动装置、检测装置、控制系统和复杂机械等组成。机器人的系统组成如图 1：图 1 机器人系统组成图执行机构一般为机器人本体，各种机器人的执行机构各不相同，最平常的为移控制装置驱动装置执行机构检测装置给定信号输出信号北京联合大学 毕业设计 -3-动装置和机械臂等。对于正在飞速发展的拟人化机器人而言，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部和行走部等。驱动装置是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于控制电路使机器人进行动作。它输入的是电信号，输出
5、的是线、角位移量。机器人使用的驱动装置主要是电力驱动装置，如步进电机、伺服电机等，此外也有采用液压、气动等驱动装置。检测装置的作用是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。控制系统为微型计算机控制，实现机器人的运行。控制系统就相当于机器人的大脑，机器人的所有动作，都是根据控制系统发出的指令完成的。1.3 机器人技术的发展方向机器人技术随着科技的发展在不断提高，不断更新，未来机器人技术的发展方向要从以下几个方面讲。首先是软件及其控制方式，也就是机器人的大脑。现在多数机器人都是有固定的程序，将来的机器人要有
6、自己学习的能力以及对环境的感知能力，使其更具人性化，好的控制方式可以提高机器人的工作特性，使执行机构的运动更加合理。对机器人的控制常见的方法有独立 PID 控制、模糊自适应控制、反演控制、滑模控制、自适应鲁棒控制等，这些都是靠软件程序实现。根据不同的机器人不同的驱动装置，机器人的控制方式也不相同，随着机器人技术的发展，新型的控制方式也会不断出现，但目的都是使机器人工作更智能、更稳定，响应速度更快，更好的满足控制特性要求。而对于控制方式这个方向的发展有很多的可能，人工智能、神经网络等都属于其技术发展方向，以后会有很多新的理念和科技出现。其次是硬件，也就是机器人的身体。很多人认为长得像人的才是机器
7、人，实际上世界上大多数的机器人都不是人形的。由于现今技术的限制，机器人还不够灵活，本身的限制还很多。将来生物芯片、新的电机和电池技术会让机器人更加灵活，处理事务更快，控制更加精准。从重要性上来讲，还是软件控制方法的制约比较大，要想真的实现可以自主学习的机器人，人类还要走很久的路。所以总的来说，机器人的发展方向是向更加智能，更加灵活，更加有自主学习和对环境的感知能力。北京联合大学 毕业设计 -4-2、机器人中的驱动装置舵机随着机器人技术的发展，其驱动装置也在不断的更新，这就在机器人驱动装置中诞生了一个新的词汇，那就是舵机。在当代各式各样的机器人中，舵机已经变成了最关键、大量使用的部件，对于小型机
8、器人来说，舵机的使用更为常见，因为它体积小、功率相对强劲，而且控制接口的连接非常简单。依据控制方式的特点，舵机也称为微型伺服马达。早期在模型上使用最多，主要用于控制模型的舵面，所以俗称舵机，后来逐渐应用在机器人上，随着机器人技术的发展，越来越多的机器人驱动装置用到了舵机。舵机接受一个简单的控制指令就可以自动转动到一个比较精确的角度，非常适合在关节型机器人产品上使用。仿人型机器人就是舵机运用的最高境界。舵机的种类多种多样，大体种类有模拟舵机、数字舵机、电动舵机、气动舵机、总线舵机等，它们的控制方式也不尽相同。每一个种不同的舵机，也会有不同的型号，每个生产舵机的公司都在努力研制有自己独立特点的舵机
9、，相信今后的舵机生产技术会不断的提高。模拟舵机是舵机发展的基础，本毕业设计主要对模拟舵机进行了分析和研究，所以在本文的内容也是围绕模拟舵机展开的。2.1 舵机作为机器人驱动装置的优点舵机作为机器人的驱动装置有它特定的优点，当然，也不是所有的机器人都应该用舵机进行驱动，这里要视情况而定。当代的机器人所采用的驱动装置多为步进电机、直流电机。下面对两种种驱动装置的特点加以比较。步进电机的一项重要的优点是可以精确的控制输出轴的转角位置，一般而言，只要步进电机正常工作，它就可以提供精确的位置精度，因为通常步进电机的每一步都不到 1。但步进电机必须按照一定的顺序给各个绕组供电，不断循环,才能让步进电机维持
10、持续的旋转。如果打算用步进电机驱动机器人，就必须应付随之而来的控制电流的麻烦,另外需要指出，与一般的直流电机相比，步进电机所提供的转矩比较小，消耗的电量却比较大。步进电机在工作过程中，每接收一个控制脉冲就移动一个步距角，即前进一步，若连续地输入控制脉冲，电动机就相应地连续转动，但往往在工作中，步进电机会产生丢步问题。丢步时，转子前进的步数小于脉冲数。产生的原因也不同，通常产生的原因有；转子的加速度慢于步进电动机的旋转磁场，北京联合大学 毕业设计 -5-转子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度或步进电动机及所带负载存在惯性过大等。这就更加大了步进电机的控制难度。直流电机具有良好的起、制动性能，适
11、合用在广泛范围内平滑调速，比较容易用各种方法对直流电机进行测速，控制简单，调速方便，但直流电机往往转速很快。而机器人在运动时，执行机构往往不需要很快的速度，有时甚至一分钟内只需要几转，这就必须加入特定的装置对直流电机进行减速。直流电机在运行过程中，想要控制电机的输出轴转到指定的位置很难，但随着控制理论和控制技术的发展，使用直流电机构成的位置伺服系统完全可以达到这种控制要求。舵机就是这种控制的一个实例，它是在直流电机上加入了伺服环节，使其可以实现输出转角的控制。舵机的基本组成分为三部分；一个直流电机、一个内置减速器、一个内置的位置反馈器。所以舵机集成了直流电机的优点，并能通过内置减速器和位置反馈
12、器实现输出转角位置的精确控制，减速器也把直流电机的转速成倍的减小，通过齿轮组又加大了电机的转矩，转矩的加大可以明显的提高负载承受能力。但是常用的舵机也存在一些缺点，例如由于体积和结构原因，对于电机转速的直接测量有一定的难度，这对于直接速度闭环的实现加大了难度，进而会影响舵机的控制特性。本次毕业设计的目的就是探讨一种能够提高舵机输出轴位置控制特性的方法。2.2 舵机的组成结构舵机是集成了直流电机、电机控制器和减速器等，并封装在一个便于安装的外壳里的伺服单元。其结构如图 2 所示。它能够利用简单的输入信号比较精确的控制转动角度的机电系统。舵机内部有一个电位器（或其它角度传感器）用于检测输齿轮箱输出
13、轴转动角度，控制器根据电位器的信息能比较精确的控制和保持输出轴的角度。图 2 舵机结构图舵机的主体结构主要有几个部分组成：外壳、减速齿轮组、电机、电位器、控制电路等。图 3 就是一个模拟的舵机实物图：北京联合大学 毕业设计 -6-图 3 舵机实物图舵机的外壳一般是塑料的，特殊的舵机可能会有铝合金外壳。金属外壳能够提供更好的散热，可以让舵机内的电机运行在更高功率下，以提供更高的扭矩输出。金属外壳也可以提供更牢固的固定位置。齿轮箱有塑料齿轮、混合齿轮、金属齿轮的差别。塑料齿轮成本底，噪音小，但强度较低；金属齿轮强度高，但成本高，在装配精度一般的情况下会有很大的噪音。小扭矩舵机、微舵、扭矩大但功率密
14、度小的舵机一般都用塑料齿轮，如 Futaba 3003，辉盛的 9g 微舵。金属齿轮一般用于功率密度较高的舵机上，比如辉盛的 995舵机。995 在和 3003 一样体积的情况下却能提供 13KG 的扭矩。Hitec 甚至用钛合金作为齿轮材料，其高强度能保证 3003 大小的舵机能提供 20 几公斤的扭矩。混合齿轮在金属齿轮和塑料齿轮间做了折中。舵机的控制电路中，一般都含有两种芯片：信号调制芯片和电机驱动芯片，用信号调制芯片来获得直流偏置电压，用驱动芯片驱动电机正反转，驱动芯片多为 H桥，这两块芯片就相当于控制电路的大脑，除了两种芯片外还有若干的电阻电容连接在电路中。每一种舵机的控制电路中，所
15、用的芯片型号各不相同，但是整体工作原理大致相同。图 4 为舵机内部实物图如下：北京联合大学 毕业设计 -7-图 4 舵机内部实物图2.3 舵机工作原理下面按图 2 所示的舵机结构框图对舵机的控制原理做一论述。控制电路接收控制脉冲，此脉冲信号信号经过调制后得到一个直流偏置电压。此电压输入到电机驱动电路，驱动电路根据直流偏置电压的高低，通过 H 桥电路驱动电机转动，齿轮组将电机的速度成大倍数缩小，并将电机的输出扭矩放大相应倍数，然后输出。电位器和齿轮组的末级一起转动，测量舵机轴转动角度并反馈至控制电路。控制电路检测并根据电位器判断舵机转动角度，然后控制舵机转动到目标角度或保持在目标角度。模拟舵机需要一个外部控制器产生脉宽调制信号来告诉舵机转动角度，脉冲宽度是舵机控制器所需的编码信息。舵机的控制脉冲周期为 20ms，脉宽从 0.5ms-2.5ms，分别对应-90 度到+90 度的位置。如图 5 所示：图 5 舵机输出转角图北京联合大学 毕业设计 -8-在 0.5ms-2.5ms 范围内的脉宽可以通过控制器随意调节，根据脉宽的变化，舵机的旋转角度就会根据所
