浅析KHR-2HV机器人的控制原理及常见故障的处理方法

浅析KHR-2HV机器人的控制原理及常见故障的处理方法 摘要:文中介绍了KONDO人型教育机器人KHR-2HV的结构和控制原理,分析了RCB-3J主控板的各终端接口的功能及软件参数设置,对运行中出现的常见故障做了详细的分析,并总结了故障的排查和处理方法。

关键词:机器人KHR-2HV 结构 控制原理 常见故障 处理方法

近年来,随着经济的发展和科技的进步,机器人的研究和开发取得了很大的进步,其中人型教育机器人得到了高度的重视。在国外,机器人教育一直是个热点,日本,美国等一些发达国家高度重视机器人学科教育对高科技社会的作用和影响,已在信息技术课与课外科技活动开设了有关机器人的课程内容。我国的机器人教育在全国各大院校、中小学、科技馆及众多知名专家以及一些发达省市的大力推动下,有了很大的发展[1]。目前,我国用于科普教育的机器人品牌较多,其中应用较广泛的有日本KONDO的KHR-2HV和法国的NAO机器人等。为了让机器人技术在国内得到更多人的重视,使青少年能够了解机器人,激发青少年探索机器人及其技术浓厚兴趣,现对KHR-2HV的结构和控制原理进行介绍,对主板RCB-3J的各终端接口的功能及软件参数设置进行分析,对运行中出现的常见故障做了详细的分析,并研究出相应的处理方法。 1 KHR-2HV机器人的结构 KHR-2HV教育机器人由RCB-3J主控板,数字伺服舵机KRS-788HV和伺服手臂支架组成的肢体,无线信号接收器KRC-1 以及一组10.8V的镍氢电池组成。KHR-2HV教育机器人全身总共有17个高性能数字伺服舵机,总共有17个自由度。高性能数字伺服舵机KRS-788HV使动作更灵活更迅速,表现更协调。伺服手臂支架使用强化树脂,有效提高结构刚性和强度,使机器人组装简易、成本降低、关节运动范围扩大,并可动态设定、修正机器人动作[2]。KHR-2HV教育机器人灵活度较高,能完成前后翻滚,左右侧空翻、跳舞、广播操、太极拳、搏击等动作,使用者还能自由设计动作程序。

2 KHR-2HV机器人的控制原理 2.1 数字伺服舵机KRS-788HV的工作原理 一个舵机是一个典型闭环反馈系统,主要包括控制电路、马达、齿轮组及比例电位器。减速齿轮组由马达驱动,其终端(输出端)带动一个线性的比例电位器作位置检测,该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板,控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较,产生纠正脉冲,驱动马达正向或反向地转动,使齿轮组的输出位置与期望值相符,令纠正脉冲趋于为0,从而达到使舵机精确定位的目的[3]。KRS-788HV与主控板相连接的接头有三条线:白线为PWM信号线、红线为电源线、黑线为地线。KHR-2HV通过RCB-3J主控板提供脉宽调制PWM的工作周期(duty cycle high)的宽度来实现对舵机旋转角度的精确控制,从而控制各关节执行相应的动作。KRS-788HV所接受的duty cycle high宽度介于700us～2300us之间,因此RCB-3J的输出的PWM控制信号必须在此范围内才能令它动作[4]。

2.2 RCB-3J主控板的控制原理 2.2.1 RCB-3J主控板的硬件结构 主控板主要由CPU、电源接口、输出接口、AD接口、通信接口等组成。如图1所示。

主控板使用Renesas Technology Corp.生产的M16C作为CPU,具有速度快,能高速的执行指令,能储存80个motion,有5个动画情节记忆空间S1～S5,可以收录共200次的运动重现等特点[5]。主控板上有24个输出接口,可以设置成PWM接口或输出高低电平的IO口,用于与KRS-788HV舵机连接。KHR-2HV只使用了其中的17个输出接口,采用的是PWM控制信号输出。各输出接口的接口如图2所示。AD接口总共有3个,作为主控板的类比电压输入端口(analog input),主控板可以通过类比电压输入端口(analog input)对外部输入的信号作条件分歧的运动方式,例如可以用于接陀螺仪(gyro sensor)等其他外接设备,由其信号判断是否作姿态平衡修正等。主控板的通信接口有两个:一个为115200bps的高速通信接口,高速通信接口通过USB转serial线实现主控板RCB-3J与计算机的连接,可以用于动作程序的读写和调试;另一个是可以接收KONDO公司生产的无线控制单元KRC-1的低速通信接口,可以用于无线控制[5]。

2.2.2 RCB-3J主控板的软件参数设置 一台全新的KHR-2HV在组装完成调好零位和StartUp.BRC动作后,需要对RCB-3J进行参数的设置后才能进行后续动作程序的编写。机器人通过USB 转 serial与计算机连接起来,利用RCB-3J的专用的HeartToHeart3J图形视窗界面软件进行参数的设置,如图3所示,图中Activate playing the motion scenario with the sender和Control through KRC-1这两项是机器人接收无线控制信号的,必须选择,M80的路径文件应为StartUp.BRC,使机器人启动后各关节处于初始位置。

2.2.3 动作文件的烧写以及动作程序文件的执行 KHR-2HV机器人自身是没有预先储藏动作程序文件,需要将编写好的动作程序文件烧写到RCB-3J主控板上。通过HeartToHeart3J软件将动作程序烧写到与计算机连接的机器人上,具体烧写流程如图4所示。在动作程序的执行方面,使用者通过鼠标点击计算机控制界面的动作按钮发出动作执行指令,通过无线发送、接收模块将指令编码传到KHR-2HV机器人的BRC-3J主控板,通过编码识别响应相应的动作文件。动作程序执行时,主控板的输出PWM信号到输出接口,控制数字伺服舵机转动,从而完成机器人的运动。机器人的动作执行顺序如图5所示。

3 KHR-2HV机器人常见故障及处理方法 3.1 舵机故障判断以及处理方法 舵机比较常见的有两种故障:齿轮磨损和控制芯片烧坏。 机器人长期运行后,金属齿轮与塑料齿轮互相摩擦会造成塑料齿轮出现磨损,使得齿轮之间咬合出现间隙,特别是对于KHR-2HV人型机器人的脚部,支持着整个机器人的重量。在做广播体操、太极拳表演时有单脚站立的动作,脚部舵机所承受的重量更大,磨损的情况更严重,齿轮磨损加大,加上动作本身惯性的作用,容易造成机器人站立或执行动作时前后不停晃动。另外,如果舵机出现不连续性齿轮打滑,那是因为舵机在通电状态下受到外力强行转动或在执行动作时受到阻力长时间作用,塑料齿轮某一区域的齿出现磨损脱落所造成的。

如果机器人上电后出现某个舵机不受控制,请先检查控制线与RCB-3J主控板的输出接口接线是否正常,若没有出现松脱的情况,则是舵机的转向控制芯片烧坏。舵机的控制板上有两块正反转向控制芯片,当上电后,在没有发出控制信号的情况下,正方向能自由转动,说明正方向的控制芯片烧坏;反方向能自由转动,说明反方向的控制芯片烧坏。

如果出现以上故障情况,都是舵机故障,请直接更换舵机。更换舵机时,新的舵机固定后必须将其连接到RCB-3J主控板,给机器人上电,使新的舵机回到零位,对好位置后方可装上支架,并连接好各关节,然后再给机器人上电,看该关节的零位是否正确,如果有偏差,请用HeartToHeart3J应用程序进行微调。

3.2 机器人出现摔倒的原因及处理方法 KHR-2HV教育机器人需要定期的进行零位及分解动作的维护。该机器人在运行一段时间后,有时在执行动作程序时会出现摔倒的情况。出现的这种情况的主要原因是舵机的定位发生变化造成重心不稳,而重心不稳主要有两种情况:一种是机器人的零位发生改变,这种改变会造成机器人很多动作的重心不稳;另一种是个别动作的个别关节位置发生改变,这种改变只会对其自身动作有影响,不会对其他动作造成影响。重心不稳可以通过HeartToHeart3J应用程序对各关节进行微调,如果是第一种情况造成的重心不稳,请对机器人的零位进行微调,调到两个脚底板水平,前后在一条直线上,两只脚外侧的三个小圆孔尽量调到同一直线上,如图6所示,尽量使机器人的身体保持与水平面垂直;如果是第二种情况造成的重心不稳,请通过动作分解,找出摔倒的动作,可以通过微调相应关节来调整重心(一般调整CH12、CH15、CH18、CH21),直到重心平稳为止。 3.3 支架更换时的注意事项 KHR-2HV机器人摔倒容易造成左右手臂两个支架断裂,在更换支架时需要注意在换上新支架前要先给机器人上电,使其恢复到位后再关掉电源,对好位置后再装上新支架,上下摆动手臂,确保其转动到最大角度时不会遇到阻碍,避免造成舵机损坏,最后再次给机器人上电,检查手臂的零位是否正确,若不正确则对其进行微调,直到正确为止[6]。

3.4 机器人不受无线控制的原因及处理方法 如果在使用过程中,出现控制计算机发送动作执行指令编码后,KHR-2HV机器人不执行动作程序的情况,有可能是以下几种原因造成的:RCB-3J主控板的参数设置不正确,动作程序的通信编码不正确,无线发送接收模块损坏,RCB-3J主控板损坏。KHR-2HV机器人不执行动作程序一般排查顺序:首先检查RCB-3J主控板的参数设置是否正确,如不正确请参照图4 RCB-3J参数设置图进行设置;其次读取机器人的动作程序,核对其动作程序的通信编码与通信编码表是否一致,如不一致请修改;第三,检查无线发送接收模块是否正常,如果损坏,请直接更换;如果以上三种故障情况都排除,那就可以确定RCB-3J主控板损坏,请直接更换RCB-3J。