【正文】 協(xié)作機(jī)器人是集成了感知、推理、動(dòng)作的智能系統(tǒng)，著重研究在環(huán)境未知且在任務(wù)執(zhí)行過程中環(huán)境動(dòng)態(tài)變化的情況下，機(jī)器人如何協(xié)作完成任務(wù)。（三） 課題的背景和內(nèi)容移動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策和規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合機(jī)器人系統(tǒng)。其中機(jī)械手用來實(shí)現(xiàn)如抓取、放置等動(dòng)作，平臺的移動(dòng)用來擴(kuò)展機(jī)械手的工作空間，使機(jī)械手以更合適的姿態(tài)執(zhí)行任務(wù)，同時(shí)機(jī)械手的加入也極大提高了移動(dòng)機(jī)器人大的性能。車輪轉(zhuǎn)向通過兩輪差速來完成。車體四周裝有超聲波傳感器，用來測量車體周圍障礙物的距離。車體前后還裝有碰撞傳感器，在機(jī)器人受到碰撞時(shí)及時(shí)保護(hù)機(jī)器人本體。第二章 設(shè)計(jì)了移動(dòng)平臺控制系統(tǒng)的硬件體系，詳細(xì)討論了LPC2119控制電路、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和機(jī)器人傳感器系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，并且給出了詳細(xì)的電路原理圖以及調(diào)試方法二．移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)時(shí)移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)的核心部分，涉及到微控制器的選擇，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，機(jī)器人相關(guān)傳感器的選擇與涉及方法。電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元采用MOSFET構(gòu)成的H橋驅(qū)動(dòng)電路，由驅(qū)動(dòng)芯片IR2110驅(qū)動(dòng)，從而帶動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。（一）系統(tǒng)硬件設(shè)務(wù)劃分根據(jù)機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能，將移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)劃分為以下的幾個(gè)單元。完成的主要功能為接收上位機(jī)的命令，將命令解算為電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號，驅(qū)動(dòng)電機(jī)使小車完成命令規(guī)定的運(yùn)動(dòng)：實(shí)時(shí)地通過LPC2119的捕獲端口采集電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息，通過模糊PID算法完成電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制；通過I2C電路與避碰超聲傳感器子系統(tǒng)通信，獲取碰撞超聲的信息，并通過串口將該信息發(fā)送給上位機(jī)。精密超聲檢測電路通過LPC2119的ADC端口檢測精密超聲傳感器輸出的模擬電壓，依此確定待抓取的目標(biāo)物體距離小車的精確距離；通過檢測碰撞開關(guān)的16—4編碼器信息確定小車是否與障礙物發(fā)生碰撞，如發(fā)生碰撞則要做緊急處理；避碰超聲控制電路由AT89C2051和18路超聲波發(fā)射∕檢測電路組成。電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元采用MOSFET構(gòu)成的H橋驅(qū)動(dòng)電路，LPC2119發(fā)出的PWM信號經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片IR2110后，驅(qū)動(dòng)H橋電路，進(jìn)而帶動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。（二）LPC2119控制電路設(shè)計(jì) 目前應(yīng)用在機(jī)器人底層控制系統(tǒng)的微控制器主要有數(shù)字信號處理器 DSP和8∕16位單片機(jī)兩種類型。DSP具有數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、速度快等優(yōu)點(diǎn)，且體積小，有利于電路板布局，隨著資料的增加以及芯片價(jià)格的下調(diào)，當(dāng)前的大多數(shù)機(jī)器人控制都選DSP作為控制器。LPC2119是一款支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMIS內(nèi)核的ARM處理器，小型的LQFP64封裝，帶有128KB嵌入的高速Flash存儲器和16KB的SRAM存儲器。與DSP相比較，ARM具有幾乎相同的內(nèi)部資源和運(yùn)算速度，處理復(fù)雜函數(shù)的能力也毫不遜色。ARM7TDMIS內(nèi)核是通用的32位微處理器，它具有高性能和低功耗的特性。這樣使用一個(gè)小的、廉價(jià)的處理器內(nèi)核就可實(shí)現(xiàn)很高的指令吞吐量和實(shí)時(shí)的中斷響應(yīng)。ARM7TDMIS處理器使用了一個(gè)被稱為THUMB的獨(dú)特結(jié)構(gòu)化策略，它非常適用于那些對存儲器有限制或者需要較高代碼密度的大批量產(chǎn)品的應(yīng)用。因?yàn)門HUMB代碼和ARM代碼一樣，在相同32位寄存器上進(jìn)行操作。LPC2119微處理器可以工作的最小系統(tǒng)一般由電源、復(fù)位電路、系統(tǒng)時(shí)鐘等構(gòu)成，了調(diào)試程序需要把JTAG口包括進(jìn)來，把串口UART0加進(jìn)來可以方便程序的下載和芯片的擦除，LPC2119是可加密的芯片（PHILPSD的專利技術(shù)），一旦芯片加密后，通過JTAG就不能下載程序了，只能通過ISP功能先整片擦除芯片，再下載。該芯片最大穩(wěn)壓輸出電流為800mA，精度高，穩(wěn)定性高，功耗低。LED作為5V電源指示燈。這里采用專用微處理電源監(jiān)控芯片MAX708，提高了系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)復(fù)位鍵按下后，MAX708的∕RESET引腳輸出低電平，打開74HC125三態(tài)門，低電平出現(xiàn)在LPC2119的∕RST和TRST引腳，系統(tǒng)復(fù)位。當(dāng)不需要JTAG調(diào)試時(shí)，74HXC125是不需要的。3）系統(tǒng)時(shí)鐘采用外部時(shí)鐘源，時(shí)鐘頻率為10~25MHz，本系統(tǒng)采用由于要進(jìn)行串口通信。一般在外部晶振兩端并聯(lián)1M歐姆的電阻，使系統(tǒng)更容易起振。 5）UART0電路，所以使用MAX3232進(jìn)行RS232電平轉(zhuǎn)換，其應(yīng)用方法與MAX3232完全一致。 6）速度檢測電路LPC2119具有兩個(gè)32位的預(yù)分頻定時(shí)∕計(jì)數(shù)器，分別具有4∕3路捕獲通道、4個(gè)32位匹配寄存器。CAP：捕獲引腳。IR：中斷寄存器。CR：捕獲寄存器CR0～CR3，當(dāng)輸入信號跳變時(shí)，可取得定時(shí)器的瞬時(shí)值。當(dāng)引腳發(fā)生特定的事件時(shí)，可將定時(shí)器計(jì)數(shù)值裝入該寄存器CR。決定捕獲功能是否使能，以及捕獲事件在引腳的上升沿、下降沿或是雙邊沿發(fā)生。MR：匹配寄存器。這些動(dòng)作包括產(chǎn)生中斷，復(fù)位定時(shí)器計(jì)數(shù)器或停止定時(shí)器。用于控制在發(fā)生匹配時(shí)所執(zhí)行的操作。電機(jī)軸上的編碼器產(chǎn)生正交編碼脈沖，正交編碼脈沖包括兩個(gè)脈沖序列，有變化的頻率和四分之一周期的固定相位偏移，通過檢測兩個(gè)序列中哪一個(gè)序列領(lǐng)先，就可以測出電機(jī)的轉(zhuǎn)向，速度可以通過捕獲脈沖測出。P0口的功能取決于管腳連接模塊的管腳功能選擇。除用作A∕D輸入的管腳（,）外，所有P0管腳最大可承受5V的電壓。P1口是一個(gè)32位雙向I∕O口，每位的方向可單獨(dú)控制。P1口只有16～31號引腳可用。系統(tǒng)復(fù)位時(shí)?！?。在應(yīng)用LPC2119的捕獲通道進(jìn)行點(diǎn)擊轉(zhuǎn)速的捕獲和判斷點(diǎn)擊轉(zhuǎn)向時(shí)，從光電碼盤出來的信號是5V的，所以須串入一個(gè)小電阻，提高系統(tǒng)的可靠性（雖然PHILPS的芯片號稱I∕O引腳可以耐5V電壓，建議不要直接相連）。它們的電壓相同，但為了降低噪聲和出錯(cuò)幾率，兩者應(yīng)當(dāng)隔離。同樣，根據(jù)移動(dòng)平臺的動(dòng)力性能要求，就可以求出驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需要的最大輸出轉(zhuǎn)矩。作用在驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)矩T1 使車輪對地面產(chǎn)生一個(gè)向后的圓周力F1 ，根據(jù)作用力和反作用力原理，地面對驅(qū)動(dòng)輪產(chǎn)生一個(gè)向前的反作用力Ft ，推動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。mi—為傳動(dòng)系統(tǒng)的減速比， 1—為傳動(dòng)系統(tǒng)的效率， 1r —為平臺驅(qū)動(dòng)輪的半徑， m輪子的半徑是已知常數(shù)，由公式（22）可知，移動(dòng)平臺的驅(qū)動(dòng)力取決于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩、傳動(dòng)系統(tǒng)的減速比、傳動(dòng)系統(tǒng)的效率。它們分別是來自地面的滾動(dòng)阻力Ff，來自空氣的空氣阻力Fw，上坡時(shí)的坡度阻力Fi，加速時(shí)的加速阻力Fj，機(jī)器人行駛的總阻力為: ∑F=Ff+Fw+Fi+Fj （23）上述諸阻力中，滾動(dòng)阻力和空氣阻力是在任何行駛條件下均存在的，坡度阻力和加速阻力僅在一定行駛條件下存在，在水平道路上勻速行駛時(shí)就沒有坡度阻力和加速阻力。車輪在路面上滾動(dòng)時(shí)，輪胎與路面的接觸區(qū)域產(chǎn)生法向、切向的相互作用力并使輪胎和路面產(chǎn)生相應(yīng)的變形，同時(shí)還有輪胎與路面間的摩擦，從而形成了機(jī)器人行駛的滾動(dòng)阻力。實(shí)驗(yàn)表明，車輪滾動(dòng)時(shí)的滾動(dòng)阻力等于滾動(dòng)摩擦系數(shù)f與車輪負(fù)荷G的乘積，即： Ff=fcosα （24）滾動(dòng)阻力系數(shù)f的數(shù)值由試驗(yàn)確定。空氣阻力是機(jī)器人在直線行駛時(shí)受到的空氣作用力在行駛方向上的分力。兩者的作用方向與機(jī)器人行駛方向相反，阻礙機(jī)器人運(yùn)行。由于空氣阻力的計(jì)算涉及到空氣動(dòng)力學(xué)原理，計(jì)算相對復(fù)雜。所以有 ∑Fu=Ff+Fw （25）2）驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的計(jì)算在移動(dòng)平臺行駛之前，要給它配重，調(diào)節(jié)移動(dòng)平臺的重心，使得驅(qū)動(dòng)輪上的驅(qū)動(dòng)力大致相等。m T12—右電機(jī)轉(zhuǎn)速器輸出的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩， Nr （27）在勻速直線運(yùn)動(dòng)中，風(fēng)的阻力很小，取β=；G是移動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)的重量490N。代入公式（27）得到： T11=T12=3）電機(jī)的選擇與驗(yàn)證經(jīng)查閱大量資料，初步選定maxon公司生產(chǎn)的118798號直流伺服電機(jī)作為行駛驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其配套減速器的型號為203121號，減速比為53:1。下面驗(yàn)證初選的電機(jī)是否滿足要求。所選電機(jī)的最高允許轉(zhuǎn)速為8200rpm，滿足系統(tǒng)的要求。η （28） Te=Me (29)式中：Me—電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩，N下面驗(yàn)證一下電機(jī)在該輸出轉(zhuǎn)矩下的輸出電流是否符合要求。m∕A I0 —為電機(jī)的空載電流， A查電機(jī)參數(shù)表可知，以上3個(gè)參數(shù)的值分別為：85﹪, ∕A。綜合以上的驗(yàn)證結(jié)果，可以得出結(jié)論:選擇mxaon的這款直流電機(jī)是可以滿足系統(tǒng)要求的。它把驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)和低壓側(cè)MOSFET或IGBT所需的絕大部分功能集成在一個(gè)高性能的封裝內(nèi)，外接很少的分立元件就能提供極快的開關(guān)速度和極低的消耗。高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)采用外部自舉電容上電，與其它IC驅(qū)動(dòng)電路相比，在設(shè)計(jì)上大大減少了驅(qū)動(dòng)變壓器和電容的數(shù)目，降低的了產(chǎn)品成本和減小了體積，提高了系統(tǒng)的可靠性。 IR2110管腳分布圖引腳1和7是兩路獨(dú)立的輸出，分別是LO（低端輸出）和HO（高端輸出），引腳3和6分別是Vcc（低端電源電壓）和VB（高端浮置電源電壓）,引腳9（VDD）是邏輯電路電源電壓，引腳2（COM）是低端電源公共端，引腳5和13分別是VS(高端浮置電源公共端)和VSS（邏輯電路接地端），引腳10(HIN)是高端邏輯輸入控制端