机器人控制原理

扫地机器人结构及控制系统设计

自动清扫机器人是当今服务机器人领域一个热门的研究方向。从理论和技术上讲，自动清扫机器人比较具体地体现了移动机器人的多项关键技术，具有较强的代表性，从市场前景角度讲，自动清扫机器人将大大降低劳动强度、提高劳动效率，适用于宾馆、酒店、图书馆、办公场所和大众家庭。因此开发自动清扫机器人既具有科研上的挑战性又具有广阔的市场前景。

家用智能清扫机，包括计算机、传感器、电机与动力传动机构、电源、吸尘器、电源开关、操作电位计等，在清扫机的顶部共设有三个超声波距离传感器；清扫机底部前方边沿安装有5个接近开关，接近开关与超声波距离传感器一起，构成清扫机测距系统；清扫机装有两台直流电机；在清扫机的底部安装有吸尘器机构。自动清扫机器人的功能是自动完成房间空旷地面尤其是家居空旷地面的清扫除尘任务，打扫前，要把房间里的物体紧靠四周墙壁，腾出空旷地面。清扫机完成的主要功能：能自动走遍所以可进入的房间，可以自动清扫吸尘，可在遥控和手控状态下清扫吸尘。

本文所介绍的自动清扫机器人的总体布局方案如图1所示，前后两轮为万向轮，左右两轮为驱动轮。驱动轮设计采用两轮独立且各由两台步进电动机驱动的转向方式，通过控制左右两轮的速度差来实现转向。考虑到机器人实际应用的实用性，本驱动系统设计成一个独立的可方便替换的模块，当机器人驱动系统发生故障时，只需简单步骤就可以对驱动部分进行替换。同时为了机器人能够灵活的运动，从动轮选用万向轮。

下图为自动清扫机的三维立体图：

自动清扫机器人车箱体采用框架式结构。从下至上分隔成三个空间：第一层装配各运动部件的驱动电机、传动机构；第二层为垃圾存储空间；第三层装配机器人控制系统、接线板、电源电池、开关等。

自动清扫机器人控制系统硬件主要是以单片机AT89C51作为核心，辅助其外围电路、电机驱动电路、传感器检测电路以及红外遥控电路等，各模块在单片机的控制下，相互协调工作，保证自动清扫机器人各种功能的实现。该控制系统框图如图2所示。传感器在清扫机器人上的布置如图下所示，图中红色的圆点代表六个红外传感器的位置。

第二章 机器人系统简介

2.1 机器人的运动机构（执行机构）

机器人的运动机构是机器人实现对象操作及移动自身功能的载体，可以大体

分为操作手（包括臂和手）和移动机构两类。对机器人的操作手而言，它应该象

人的手臂那样，能把（抓持装工具的）手依次伸到预定的操作位置，并保持相应

的姿态，完成给定的操作；或者能够以一定速度，沿预定空间曲线移动并保持手

的姿态，并在运动过程中完成预定的操作。移动机构应能将机器人移动到任意位

置，并保持预定方位姿势。为此，它应能实现前进、后退、各方向的转弯等基本

移动功能。在结构上它可以象人、兽、昆虫，具有二足、四足或六足的步行机构，

也可以象车或坦克那样采用轮或履带结构

2.1.1 机器人的臂结构

机器人的臂通常采用关节——连杆链形结构，它由连杆和连杆间的关节组

成。关节，又称运动副，是两个构件组成相对运动的联接。在关节的约束下，两

连杆间只能有简单的相对运动。机器人中常用的关节主要有两类：

(1) 滑动关节(Prismatic joint): 与关节相连的两连杆只能沿滑动轴做直

线位移运动，移动的距离是滑动关节的主要变量，滑动轴一般和杆的轴线重合或

平行。

(2)转动关节(Revolute joint): 与关节相连的两连杆只能绕关节轴做相对

旋转运动，其转动角度是关节的主要变量，转动轴的方向通常与轴线重合或垂

直 。

杆件和关节的构成方法大致可分为两种：(1) 杆件和手臂串联连接，开链机

械手(2) 杆件和手臂串联连接，闭链机械手。

以操作对象为理想刚体为例，物体的位置和姿态各需要3 个独立变量来描

述。我们将确定物体在坐标系中位姿的独立坐标数目称为自由度（DOF（degree

of freedom））。而机器人的自由度是由有关节数和每个关节所具有的自由度数决

定的（每个关节可以有一个或多个自由度，通常为1 个）。机器人的自由度是独

立的单独运动的数目，是表示机器人运动灵活性的尺度。（由驱动器能产生主动

军第一航空学院 张宏，王德合

引言

随着微电子技术的不断发展，微处理器芯片的集成程度越来越高，单片机已可以在一块芯片上同时集成CPU、存储器、定时器／计数器、并行和串行接口、看门狗、前置放大器、A／D转换器、D／A转换器等多种电路，这就很容易将计算机技术与测量控制技术结合，组成智能化测量控制系统。这种技术促使机器人技术也有了突飞猛进的发展，目前人们已经完全可以设计并制造出具有某些特殊功能的简易智能机器人。

1 设计思想与总体方案

1.1 简易智能机器人的设计思想

本机器人能在任意区域内沿引导线行走，自动绕障，在有光源引导的条件下能沿光源行走。同时，能检测埋在地下的金属片，发出声光指示信息，并能实时存储、显示检测到的断点数目以及各断点至起跑线间的距离，最后能停在指定地点，显示出整个运行过程的时间。

1.2 总体设计方案和框图

本设计以AT89C5l单片机作为检测和控制核心。采用红外光电传感器检测路面黑线及障碍物，使用金属传感器检测路面下金属铁片，应用光电码盘测距，用光敏电阻检测、判断车库位置，利用PWM(脉宽调制)技术动态控制电动机的转动方向和转速。通过软件编程实现机器人行进、绕障、停止的精确控制以及检测数据的存储、显示。通过对电路的优化组合，可以最大限度地利用51单片机的全部资源。 P0口用于数码管显示，P1口用于电动机的PWM驱动控制，P2，P3口用于传感器的数据采集与中断控制。这样做的优点是：充分利用了单片机的内部资源，降低了总体设计的成本。该方案总体方案见图1。

2 系统的硬件组成及设计原理

此系统的硬件部分由单片机单元、传感器单元、电源单元、声光报警单元、键盘输入单元、电机控制单元和显示单元组成，如图2所示。

2．1 单片机单元

本系统采用AT89C51单片机作为中央处理器。其主要任务是扫描键盘输入的信号启动机器人，在机器人行走过程中不断读取传感器采集到的数据，将得到的数据进行处理后，根据不同的情况产生占空比不同的PWM脉冲来控制电机，同时将相关数据送显示单元动态显示，产生声光报警信号。其中，P0用于数码管动态显示，P1．0一P1．5控制2个电机，P1．6、P1．7为独立式键盘接口，P2接传感器，P3．2接计里程的光电码盘，P3．7接声光报警单元，P3．4、P3．5、P3．6接用于显示断点数目的发光二极管。 2．2 电机控制单元

球形机器人运动的运动原理

一、球形机器人简介

球形机器人在许多国家的科研领域目前还是一个较新的概念，从获得的十分有限的资料来看，分为两大类。第一类由内部独立的动装置驱动球壳运动的球形机器人虽然实现运动的原理很简单，但是它的内部驱动部分是一个非完整系统，球壳的运动也是一个非完整系统，使得精确控制变得不可能。第二类通过改变系统重心，产生偏心力矩驱动球壳运动的球形机器人，其机构都很复杂，稳定性较差，预定轨迹的控制方法也非常难以求得。因此要提高机器人的动态稳定性、低速稳定性，以及实现它的精确控制，内部驱动机制的设计成了球形机器人设计的核心。

二、二自由度摆臂驱动式球形机器人运动的机械原理

由于球体的运动不能借助外力，只能依靠内部驱动，而内部驱动的根本要素在于使球体的质心发生变化，因此，如果能设计出使球体质心发生改变的机构，就可以实现驱动球壳运动的目的。而借助摆臂改变质心位置无疑是一种最简洁的方法。

2.1运动原理

该结构采用内部二自由度摆臂驱动，通过摆臂绕悬轴（x 轴）改变球体在 Y方向的质心，同时还可以通过前段摆臂绕关节（y 轴）的旋转改变球体在 X 方向上的质心，如二摆臂同时运动，则可以实现球体质心位置的任意改变，从而驱动球体在任意方向的运动方案简图如下：

图2-1 二自由度摆臂球形机器人示意图

2.2 建立二自由度摆臂球形机器人三维模型

仔细分析其运动机理和各个零件的相互作用，之后根据简图和其运动原理用SolidWorks画出各个零件，然后在装配图中进行配合，最终建立如下图所示的三维模型：

图2-2二自由度摆臂球形机器人三维模型

2.3导入到adams中进行动力学仿真

在SolidWorks中将上图的三维模型保存为X_T格式，打开adams将该X_T格式文件导入，导入之后如图所示。

图2-3 二自由度摆臂球形机器人动力学模型

导入之后添加运动副，给零件定义材料属性和质量属性，最后在确定合适步长和仿真时间之后进行仿真计算，观察运动情况了解其运动的机械原理。仿真结果显示这种机构设计能实现机器人的直线运动，转弯和曲线运动。