【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(tái)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(tái)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(hào)，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(hào)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(hào)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(chǔ)器和16KB的SRAM存儲(chǔ)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(duì)存儲(chǔ)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(tái)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(duì)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(duì)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(tái)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(tái)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(duì)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(tái)行駛之前，要給它配重，調(diào)節(jié)移動(dòng)平臺(tái)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(hào)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(hào)為203121號(hào)，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