【正文】 路： 在放音電路中， 61板采用了 SPY0030功放芯片，和 LM386工作電壓需在 4V 以上相比， SPY0030 僅需 ； LM386 輸出功率 100mW 以下， SPY0030 約 700mW。 61 單片機(jī)作為功能強(qiáng)大的語音處理型芯片，為配合它發(fā)揮出好的性能，凌陽公司開發(fā)了一套完整的具備基本功能的語音模塊電路，這就是凌陽公司推出的 61 板。 （ 5）電路原理圖如下 語音部分 為了實(shí)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人最具特色的智能語音功能，經(jīng)仔細(xì)分析論證后最終采用為凌陽公司的專用語音處理 16 位單片機(jī)： SPCE061A，簡(jiǎn)稱 61 單片機(jī)。 ， 3FH 在 IC2 內(nèi)， 06H 在 IC1 內(nèi)。 （ 4） 級(jí)聯(lián)的應(yīng)用 74HC595 主要應(yīng)用于點(diǎn)陣屏，以 16*16 點(diǎn)陣為例：傳送一行共二個(gè)字節(jié)（ 16位） ， 如：發(fā)送的是 06H 和 3FH。 說明： 從上可分析：從 產(chǎn)生一上升沿（移入數(shù)據(jù)）和 產(chǎn)生一上升沿 （輸出數(shù)據(jù)）是二個(gè)獨(dú)立過程，實(shí)際應(yīng)用時(shí)互不干擾。 第三步：目的：并行輸出數(shù)據(jù)。 方法：送位數(shù)據(jù)到 。 12腳：輸出鎖存器的送入信號(hào) 。 （ 2） 主要引腳 14腳：串行數(shù)據(jù)輸入端接 。 注意：只有數(shù)據(jù)鎖存后， 3FH 才出現(xiàn)在 595 的 Q1Q7上， LED 數(shù)碼管顯示 “0” 。 2. 串并輸出： 共用 三個(gè)口。 由于占用 MCU的 I/o 口線少，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此應(yīng)用廣泛。光耦電路如下圖所示： 圖 光耦隔離電路 光耦隔離電路圖如下： 圖 光耦隔離電路圖 鎖存器 74HC595模塊 74HC595 的工作原理，鎖存器一般是由 D 觸發(fā)器集成的，可以記住一個(gè)信號(hào)，直到下一個(gè)觸發(fā)信號(hào)到來為止。因此，由光耦合器構(gòu)成的模擬信號(hào)隔離電路具有優(yōu)良的電氣性能。輸入和輸出間的電隔離度取決于兩部分供電電源間 的絕緣電阻。 由于光耦合器的輸入端和輸出端之間通過光信號(hào)來傳輸，因而兩部分之間在電氣上完全隔離，沒有電信號(hào)的反饋和干擾，故性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。 為了更好的防止干擾，電路中使用了 光 電 耦合器 ， 一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。使用的光耦型號(hào)為 TLP521 2 及 TLP521 4。因此在硬件上可以采用一些設(shè)計(jì)技術(shù)，破壞干 擾信號(hào)進(jìn)入測(cè)控系統(tǒng)的途徑，從而有效地提高系統(tǒng)的抗干擾能力。復(fù)位電路用于上電后使系統(tǒng)回復(fù)到初始狀態(tài)開始運(yùn)行。單片機(jī)采用 ATMEL89S51 系列單片機(jī) ， 它是 十 六位的高性能 嵌入式 控制器 ， 具有 40 個(gè)可編程的 I/O口，價(jià)格便宜， 但 功能強(qiáng)大且支持在線編程功能 ， 使用十分方便。這是由單片機(jī) 的內(nèi)部特性所決定的。另外留出串行通信的端口以備以后使用，如圖 所示。 —— 作為光電編碼器的記數(shù)口。 單片機(jī)控制系統(tǒng) 采用單機(jī)完成控制的系統(tǒng)， 在系統(tǒng)中 P1 口作為光電傳感器的輸入端口， —— 作為行走電機(jī)的控制端口。數(shù)字開關(guān)一般用于向 CPU 的輸入選擇，如速度等級(jí)，行走模式，策略等。 下圖是設(shè)計(jì)中用到的編碼器電路圖（圖 3 .15）： 圖 開關(guān) 比賽機(jī)器人常用的開關(guān)用按鈕開關(guān)，數(shù)字開關(guān)和接觸開關(guān)幾種。光敏元件隨著輸出經(jīng)過整形的脈沖。在我們的機(jī)器人中均采用自制的編碼器。若電機(jī)欲前進(jìn)，編碼器反轉(zhuǎn)，說明機(jī)器人受對(duì)方推堵而退讓。光電編碼器可以檢測(cè)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 Gray碼與標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制碼的區(qū)別，在 Gray 碼中．相鄰兩個(gè)二進(jìn)制碼的變化只能有一位。 圖 光學(xué)編碼器的基本構(gòu)成 絕對(duì)式光學(xué)編碼器通常采用的是格雷 (Gray)碼。應(yīng)當(dāng)注意的是，狹縫不能大窄，要保證所有軌道的光電敏感元件的敏感區(qū)都處于狹縫內(nèi)。電壓放大器通常由集成電路高增益差分運(yùn)算放大器組 圖 光電編碼盤 成。光電敏感元件可以采用光電二極管、光電晶體管或硅光電池。 通常不但要求光源具有較高的可靠性，而且要求光源的光譜要相光電敏感元件相適應(yīng)。把同心分布的多因二進(jìn)制碼復(fù)制在碼盤上。編碼盤的性能好壞主要取決于碼盤的質(zhì)量。圖3 .13 表示了一種五位光學(xué)編碼器。絕對(duì)式編碼器能給出與每個(gè)角位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字量輸出，增量式編碼器則只輸出角度的變化增量光學(xué)編碼器。碼盤是一種經(jīng)過精細(xì) 加工的薄圓盤，它的材料根據(jù)與之配套的敏感元件不同而不同。用于檢測(cè)線位移的編碼器稱為直線位移編碼器；用于檢測(cè)角位移的編碼器稱為角度數(shù)字編碼器。目前，編碼器精度、分辨力和可靠性都優(yōu)于相同尺寸的模擬式傳感器，但價(jià)格 — 般比較高。兩開關(guān)同時(shí)閉合是不允許的，從電路可看出， 這會(huì)導(dǎo)致電源短路。正反轉(zhuǎn)控制開關(guān) RELAY1 斷開，電源開關(guān) RELAY3 閉合時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之電機(jī)反轉(zhuǎn)。如果電機(jī)以恒速運(yùn)動(dòng)，不調(diào)速可以采用一個(gè)簡(jiǎn)單的電路來控制正 /反向，電路原理如圖 所示。 D4810型繼電器輸入電流為 540mA，電壓 3－ 30V，額定輸出電流 10A，輸出電壓范圍寬為 20220V，滿足項(xiàng)目的要求。交流輸出時(shí)，通常使用兩個(gè)可控硅或一個(gè)雙向可控硅，直流輸出時(shí)可使用雙極性器件或功率場(chǎng)效應(yīng)管。固態(tài)繼電器的輸入與輸出電路的隔離和耦合方式有光電耦合和變壓器耦合兩種。安輸入電壓的不同類別，輸入電路可分為直流輸入電路，交流輸入電路和交直流輸入電路三種。 SSR是一種全部由固態(tài)電子元件組成的無觸點(diǎn)開關(guān)元件，他利用電子元器件的點(diǎn)，磁和光特性來完成輸入與輸出的可靠隔離，利用大功率三極管，功率場(chǎng)效應(yīng)管，單項(xiàng)可控硅和雙向可控硅等器件的開關(guān)特性，來達(dá)到無觸點(diǎn)，無火花地接通和斷開被控電路。 （ 3） 轉(zhuǎn)身和彎腰機(jī)構(gòu)則是連桿機(jī)構(gòu)較為合理，其它機(jī)構(gòu)不是成本高，就是不易于實(shí)現(xiàn)，在此我們選用以設(shè)計(jì)好的連桿機(jī)構(gòu)。其可靠性能更高。 （ 2） 傳感器選用以 閉環(huán) 傳感器為主，其他傳感器為輔，其中包括光碼盤，觸碰 開關(guān)。三極管構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路其優(yōu)點(diǎn)是能夠進(jìn)行脈寬調(diào)速，缺點(diǎn)是三極管有壓降。 較 電機(jī)驅(qū) 動(dòng)電路 光電隔離 TLP5214 繼 電 器 鎖 存 器 （ 74LS595） 89S52 構(gòu)成的控制系統(tǒng) 語 音 電路 閉環(huán)反饋電路 光碼盤 電路 微動(dòng)開 關(guān)電路 光電隔離 機(jī)器人的傳感器 （ 1）首先我們采用直流電機(jī)。 方案二的電氣方框圖中，機(jī)器人的傳感器系統(tǒng)由光電編碼器，微動(dòng)開關(guān)，閉環(huán)電路 ，語音電路 構(gòu)成。對(duì)于提高紅外傳感器的抗干擾能力可以從以下幾個(gè)角度去加強(qiáng)： ： 圖 方案一的電路方框圖 （ 2）方案 2 電機(jī)驅(qū) 動(dòng)電路 光電隔離 TLP5214 繼電器 控 制 系 統(tǒng) （ CPU 89S52） 單片機(jī) 時(shí) 鐘 12M 晶體振蕩器 比較器 LM339 紅外探 測(cè)器 紅外發(fā)射 紅外接收 光電編 碼 器 放大電路 整形電路 （ 74LS14） 接觸開關(guān) 語音輸入 信號(hào) 光電隔離 TLP5214 圖 電氣方案二 框圖 圖 方案二的電路方框圖 方 案二的電氣圖 基本不變，只是把 H 橋換成了 繼電器 ，把紅外信號(hào)輸入換成光碼盤 。但是對(duì)機(jī)械開關(guān)安裝的位置一定要準(zhǔn)確，牢固。一般對(duì)于比賽機(jī)器人的精度要求不是很高，編碼器可以采用自制的就可以達(dá)到效果，而光電檢測(cè)（對(duì)射式光偶）器已經(jīng)可以從市場(chǎng)上很容易的購買到， 所以要提高光電編碼器的抗干擾能力并不難辦到。 此方案還待解決的就是傳感器的抗干擾能力還不夠高，其中主要是紅外光電器件容易受外界光的干擾。當(dāng)機(jī)器人行走，或機(jī)械手臂動(dòng)作到達(dá)某種位置時(shí)給單片機(jī)一個(gè)電信號(hào)。主要用在機(jī)械手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)上，使機(jī)械手臂動(dòng)作更準(zhǔn)確。 傳感器采用多種傳感器相互配合使用。 在機(jī)器人的控制系統(tǒng)中最主要的就是傳感器電路，傳感器是機(jī)器人感知外界事物的關(guān)鍵。同時(shí)還可以采用相互獨(dú)立的電源供電。 考慮到電機(jī)的起動(dòng)電流和制動(dòng)時(shí)比較大，會(huì)造成電源電 壓不穩(wěn)定容易對(duì)單片機(jī)和傳感器的工作產(chǎn)生干擾，所以，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和單片機(jī)以及傳感器電路用 TLP5214 光耦隔離。 表 2 機(jī)器人常用聯(lián)接結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu) 應(yīng)用場(chǎng)合 扣接零件 小型玩具機(jī)器人 膠接 格局所需要的膠粘劑，可用于重量達(dá)數(shù)磅的機(jī)器人上 膠帶 暫時(shí)性結(jié)構(gòu)、輕型材料和元件的 機(jī)器人上 鉚接 小型到中等尺寸的機(jī)器人，以及輕型到中等重量的機(jī)器人 焊接 大型和重型機(jī)器人，特別用于惡劣環(huán)境的機(jī)器人 伴舞機(jī)器人負(fù)載小，自重輕，對(duì)壽命要求不高，因此除特別講究強(qiáng)度、剛度以及抗摩擦磨損性的機(jī)構(gòu)，機(jī)械連接上，應(yīng)使機(jī)器人具有較好的堅(jiān)固性，在機(jī)器人做舞蹈動(dòng)作或行進(jìn)過程中，各種接插件不能松動(dòng)、脫落，滿足合適的控制方案，所以選擇鉚接方式。其基本框架是使用材料 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 木材 易于獲得；價(jià)格較低，使用日常工具易于加工；硬木和層壓板非常強(qiáng)硬而且堅(jiān)固 不如塑料或者金屬強(qiáng)度大；受潮容易變形；在壓力 下會(huì)有裂縫和碎裂 塑料 強(qiáng)度大而且耐用；有多種形式可選；包括板材和擠壓型材；容易獲得 遇高溫會(huì)發(fā)生溶化或下陷；某些塑料收到?jīng)_擊可能會(huì)碎裂，有些材料難以獲得；性能較好的塑材比較昂貴 金屬 強(qiáng)度非常高；鋁材有各種方便使用的形狀；甚至在高載荷以及高溫下也可以保持全方位的穩(wěn)定性 是所有材料中最重的；制作過程需要電動(dòng)工具以及鋒利的鋸條和鉆頭才能完成；更難于加工；價(jià)格比較高 連接件和角撐支架來搭建的。從設(shè)計(jì)，裝配的角度來看，矩形截面也有一定方便之處。此時(shí)，正方形空心截面比空心圓截面的剛度提高了 40％～ 60％。壁厚越薄，則效果越明顯。 伴舞機(jī)器人是仿人機(jī)器人，材料截面對(duì)構(gòu)件質(zhì)量和剛度施加重要的影響，因此通過合理選擇構(gòu)件的 截面可以較好地滿足機(jī)器人的使用要求，如空心圓截面，空心矩形截面，工字截面等。關(guān)節(jié)連接件的設(shè)計(jì)合適，既要保證機(jī)器人行動(dòng)起來靈活自如，動(dòng)作順滑平穩(wěn)，又要具有一定的承受負(fù)載能力。伴舞機(jī)器人臂部是運(yùn)動(dòng)的，其整體也是運(yùn)動(dòng)的，所以，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部分的材料質(zhì)量要輕。 表 1 結(jié)構(gòu)材料優(yōu)缺點(diǎn)比較 根據(jù)以上分析：選擇機(jī)器人的本體材料，應(yīng)該從機(jī)器人的性能要求出發(fā)，滿足機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制作要求，所以應(yīng)在充分掌握機(jī)器人特性和各組成部分的基 礎(chǔ)上，從設(shè)計(jì)思想出發(fā)。對(duì)機(jī)器人本體材料選擇，不僅僅有助于確定它的強(qiáng)度、重量、尺寸，而且確定了整體結(jié)構(gòu)的難度水平、可能需要的特殊工具以及達(dá)到可接受結(jié)果所需要的技術(shù)水平。 裝配順序： (1) 選擇合適鋼性材料鉆好孔后將左右手兩個(gè)電機(jī)和頭部電機(jī)固定住 (2) 將上述做好的機(jī)構(gòu)通過一塊鋼片鉆孔后用螺釘固定在前后彎腰的機(jī)構(gòu)上 (3) 將兩個(gè)傳動(dòng)桿固定到左右兩個(gè)手臂電機(jī)上，在傳動(dòng)桿的另一端固定直徑大小適合的兩根鋼軸作為機(jī)器人的手臂用 (4) 將一個(gè)傳動(dòng)桿固定在機(jī)器人的頭部電機(jī)的軸上，作為機(jī)器人可 360 度轉(zhuǎn)動(dòng)的脖子 材料與型材選擇 機(jī)器人制作前，必須選擇用于機(jī)器人本體的主要結(jié)構(gòu)材料。 本次設(shè)計(jì)機(jī)器人的手臂由一根橫桿構(gòu)成，左右兩端分別固定左右手的兩個(gè)電機(jī)，可做前后 360 度的旋轉(zhuǎn)，中間固定機(jī)器人的頭部電機(jī)，可帶動(dòng)頭部做 360 度的旋轉(zhuǎn)，其中手臂的機(jī)構(gòu)還可以繼續(xù)擴(kuò)展，在肩部上和臂末端可再擴(kuò)展兩個(gè)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度的動(dòng)作。 參看做的很好的機(jī)器人的例子，機(jī)器人的手臂是機(jī)器人復(fù)雜 程度的重要標(biāo)志之一。由于頭部機(jī)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，在此和手部一起畫出來，因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求沒有點(diǎn)頭動(dòng)作，我們只要一個(gè)電機(jī)來達(dá)到頭部動(dòng)作就可以了。 這種機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)是電機(jī)軸受力較大，電機(jī)容易損壞，同時(shí)要求電機(jī)有足夠的轉(zhuǎn)矩。 滾動(dòng)軸承的特點(diǎn)在于當(dāng)內(nèi)圓固定時(shí)，外圓可以轉(zhuǎn)動(dòng)，反之亦然。我們還是采用連桿機(jī)構(gòu)，但具體的設(shè)計(jì)又和前面稍微不同。 機(jī)構(gòu)如圖 所示： 圖 機(jī)器人鞠躬機(jī)構(gòu) 鞠躬機(jī)構(gòu)的裝配順序如下： (1) 取適當(dāng)長(zhǎng)度的鋁條打軸孔和磨長(zhǎng)方形槽，在上身支架兩端打相同的孔，軸穿過該鋁條后穿過兩個(gè)支架并固定好 (2) 加工可固定于電