【正文】 的浪潮席卷全世界。 20世紀(jì) 90年代以來，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息 2 處理技術(shù)，高適應(yīng)性的移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)、真實(shí)環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志，開展了移動(dòng)機(jī)器人更高層次的研究。為了在火星上進(jìn)行長(zhǎng)距離探險(xiǎn)，又開始了新一代的樣機(jī)的研制，命名為 Rocky 并在 Lavic 湖的巖溶流上和干枯的湖床上進(jìn)行了成功的試驗(yàn)。我國也針對(duì)這一趨勢(shì)制定了以月球?yàn)榻谀繕?biāo)的空間探測(cè)計(jì)劃。這種未來的警用機(jī)器人雖不具備電影《機(jī)械戰(zhàn)警》中描述的智能和強(qiáng)大功能，但是對(duì)于執(zhí)行一些特殊任務(wù)卻具有非常重要作用，并將掀起一場(chǎng)警用和軍用器械革命。同時(shí)，由于其研制目標(biāo)是 “高科技戰(zhàn)斗機(jī)器 ”，裝備強(qiáng)大的火力使其未來的軍事用途前景也十分廣闊。該機(jī)器人制造和測(cè)試成功以后，對(duì)于警察在未來作戰(zhàn)時(shí)大幅度減少人員傷亡具有非常重要意義。國內(nèi)對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人的起步比較晚，從 “七五 ”開始，我國的移動(dòng)機(jī)器人研究開始起步，經(jīng)過多年來的發(fā)展，已經(jīng)取得了一定的成績(jī)，其中以清華大學(xué)研制的 THMR 系列為杰出代表。履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)由兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩條履帶，以相同脈沖驅(qū)動(dòng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)直線前進(jìn)或后退，以不同脈沖驅(qū)動(dòng)時(shí)可實(shí)現(xiàn)曲線運(yùn)動(dòng)。該軸過主從動(dòng)軸所確定平面的幾何中心。整個(gè)機(jī)械臂可繞垂直軸 Z軸旋轉(zhuǎn) 360。對(duì)于空間預(yù)設(shè)的位置 和姿態(tài)，先驅(qū)動(dòng)履帶車到達(dá)可作業(yè)空間，再通過五自由度機(jī)械臂和履帶車的一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度共六個(gè)自由度來實(shí)現(xiàn)。兩自由度云臺(tái)安裝在機(jī)械臂上，云臺(tái)上的攝像機(jī)可完成全方位圖像采集作業(yè)。 圖 21履帶式移機(jī)人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 Fig21 The simple chart of motorial framework of Track Robot 履帶式移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 該機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)采用模塊化結(jié)構(gòu)，各個(gè)模塊都是相對(duì)獨(dú)立的運(yùn)行，協(xié)調(diào) 4 工作，其硬件總體框圖如圖 22所示。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制及執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)是機(jī)器人的動(dòng)作執(zhí)行部分，具體完成機(jī)器人的各個(gè)動(dòng)作，如前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等。同時(shí)可以使機(jī)械臂完成各種任務(wù)。因?yàn)橐苿?dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是遠(yuǎn)離中心控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的，為了便于移動(dòng)機(jī)器人的行動(dòng)，遙控計(jì)算機(jī)與履帶式移動(dòng)機(jī)器人之間的通訊系統(tǒng)則是采用的無線通訊方式。 5 3 履帶式移動(dòng)機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì) 為了使履帶式移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)無線控制，希望它能夠滿足以下要求 : ，而且易于升級(jí)，能夠方便的配置不同類型的傳感器如超聲波傳感器和 CCD攝像機(jī)等。根據(jù)以上要求我們?cè)O(shè)計(jì)了這臺(tái)履帶式移動(dòng)機(jī)器人，下面介紹它的體系結(jié)構(gòu)及其組成模塊。集中控制方式是指用一臺(tái)功能比較強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)其全部控制功能，在早期的機(jī)器人控制系統(tǒng)中較多的采用此種控制方式。在主從式控制結(jié)構(gòu)中，有上下兩級(jí)計(jì)算機(jī)，其中上位機(jī)利用它的運(yùn)算能力和龐大的系統(tǒng)資源，如 :內(nèi)存容量，磁盤容量等等，完成坐標(biāo)變換、軌跡插補(bǔ) ，圖形仿真等功能，并把數(shù)據(jù)傳遞給下位機(jī) 。當(dāng)前投入使用的移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)廣泛采用分布式控制結(jié)構(gòu)。同時(shí)為了使設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)符合當(dāng)前移動(dòng)機(jī)器人控制的發(fā)展趨勢(shì)，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中盡可能地體現(xiàn)分布式控制結(jié)構(gòu)的思路。同時(shí)兩履帶還有兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)需要兩個(gè)從單片機(jī)控制，接受主單片機(jī)的指令，實(shí)現(xiàn)履帶車轉(zhuǎn)彎前進(jìn)或后退等功能。此外，從單片機(jī)還接收極限位置傳感器的信號(hào)，保證各驅(qū)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)在規(guī)定范圍。 主單片機(jī)的選擇及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 當(dāng)前微控制器主要有 MCS51系列單片機(jī)， AVR系 列單片機(jī)， PIC系列單片機(jī)，DSP控制器，以及 ARM處理器。與 SPCE500A 不同的是，在存儲(chǔ)器資源方面考慮到用戶的較少資源的需求以及便于程序調(diào)試等功能。鎖相環(huán) PLL振蕩器提供系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)； 32768Hz實(shí)時(shí)時(shí)鐘；晶體振蕩器 。具備串行設(shè)備接口； SPCE061A的結(jié)構(gòu)如圖 32所示。同時(shí)主單片機(jī)還處理傳感器采集到的各種信息并把 遙控計(jì)算機(jī)所需要的相關(guān)信息傳輸?shù)竭b控計(jì)算機(jī)。 圖 32 SPCE061A管腳圖 Fig32 The pin of SPCE061A 1 ）時(shí)鐘電路 SPCE061A時(shí)鐘電路采用晶體振蕩電路。外接晶振采用 32768Hz。時(shí)鐘電路如圖 33[4]。復(fù)位電路根據(jù)需要有不同的結(jié)構(gòu)和特性， 在實(shí)際需要中，主要有上電自動(dòng)復(fù)位和人工手動(dòng)復(fù)位兩 種要求。 [4] 3)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 SPCE061A是凌陽公司研發(fā)生產(chǎn)的一款高性能的 16位單片機(jī) [2] [3],目前在實(shí) 8 時(shí)控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。為了解決 SPCE061A片內(nèi)存儲(chǔ)容 圖 33主單片機(jī)的時(shí)鐘電路圖 Fig33 The click circuit of the main SCM 圖 34主單片機(jī)的復(fù)位電路圖 Fig34 The diaplasis circuit of the main SCM 量的問題 , 為保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的快速性 ,本系統(tǒng)使用總線存儲(chǔ)器接口。 4)主單片機(jī)和從單片機(jī)之間的串行通訊 串行數(shù)據(jù)通信是指數(shù)據(jù)以位為單位按先后順序傳送。實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞街饕腥N，移位寄存器方式、異步串行方 9 式和同步串行方式。移位寄存器方式是發(fā)送單片機(jī)使用并入串出移位寄存器的方式，將數(shù)據(jù)一位一位地移出到傳輸線上，接收端再使用串入并出移位寄存器的方式將數(shù)據(jù)一位一位地 圖 35 SPR4096的管腳圖 Fig 35 The pin of SPR 4096 圖 36存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路圖 Fig36 The circuit of the memory expansion 由傳輸線移進(jìn)來。根據(jù)控制系統(tǒng) 10 的要求，主從單片機(jī)之間采用異步串行通信。 UART 數(shù)據(jù)格式 SPCE061A 的 UART 數(shù)據(jù)幀的格式同 MCS51 的串行方式 3及多數(shù)的異步串行通信一樣，采用每幀 11 位 (1位起始位、 8位數(shù)據(jù)、 l 圖 37主從單片機(jī)串行 通信結(jié)構(gòu)圖 Fig 37 The frame of the serial munication between main SCM and subsidiary SCM 圖 38主單片機(jī)控制結(jié)構(gòu)圖 Fig 38 The controlling circuit of main SCM 位奇偶校驗(yàn)位、 1位停止位 )的方式； SPCE061A的 UART編程設(shè)置 SPCE061A的 UART也是可編程控制的接口，通過編程控制設(shè)置通信方式、校驗(yàn)方式、波 11 特率等 [7]。根據(jù)實(shí)際需要在程序中對(duì)兩個(gè)控制單元的各控制位進(jìn)行置位或復(fù)位，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)異步串行口工作方式、中斷等的設(shè)置；通過對(duì)狀態(tài)的讀取，可以調(diào)整和控制通信。其網(wǎng)絡(luò)連接如圖 37所示。 從單片機(jī)的選擇及 其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1）從單片機(jī)的選擇 從單片機(jī)的主要功能是實(shí)現(xiàn)都步進(jìn)電機(jī)的控制、與主單片機(jī)的通訊及完成行程開關(guān)信號(hào)的條理。于是我們選擇 ATMEL[8]公司 AT89 系列中經(jīng)濟(jì)低價(jià)的AT89C2051 產(chǎn)品，它與 MCS51 結(jié)構(gòu)基本一致，區(qū)別是減少了 P0 和 P2 端口，增加了一個(gè)模擬比較器。 AT89C2051的機(jī)構(gòu)引腳圖如圖 39。兼容 MCS51指令系統(tǒng) 。2k可反復(fù)編程 FLASH存儲(chǔ)器（ 10000次）； 12 內(nèi)部 RAM。兩個(gè)外部中斷源 。低功耗睡眠功能 。兩個(gè)串行中斷 。其復(fù)位 電路與時(shí)鐘電路如圖 310,311 所示。對(duì)這種電機(jī)施加一個(gè)電脈沖后，其轉(zhuǎn)軸 就轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，稱為一步 。分配脈沖的相序改變后，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向則隨之而變。步進(jìn)電機(jī)有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，歸納起來主要有 : (1)步距值不受各種干擾因素的影響。 (2)位移與輸入脈沖信號(hào)相對(duì)應(yīng)，步距誤差不長(zhǎng)期積累。 (3)可以用數(shù)字信號(hào)直接進(jìn)行開環(huán)控制，整個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單廉價(jià)。 (5)控制性能好。 (6)停止時(shí)有自鎖能力。在小步距情況下，通常可以在超低速下高轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定的運(yùn)行。步進(jìn)電機(jī)的主要參數(shù)及性能指標(biāo)有 : 相數(shù) m:電器上獨(dú)立成系統(tǒng)而存在的回路個(gè)數(shù)即是相數(shù)。 步距角：在不帶任何減速裝置的情況下，輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)所轉(zhuǎn)過的機(jī)械角位移即步距角。 矩角特性 :步進(jìn)電機(jī)靜轉(zhuǎn)矩和失調(diào)角的關(guān)系稱為矩角特性。當(dāng)繞組內(nèi)電流不變時(shí)，靜轉(zhuǎn)矩隨失調(diào)角在一個(gè)齒距角范圍內(nèi)變化一個(gè)周期，在近似分析中視矩角特性為正弦曲線。它的值取決于繞組內(nèi)電流的 14 值及通電相數(shù)。 兩履帶在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，當(dāng)兩步進(jìn)電機(jī)由相同脈沖驅(qū)動(dòng)時(shí)，履帶車直線前進(jìn)或后退，改變脈沖頻率改變行進(jìn)速度。 機(jī)械手臂由五自由度機(jī)械臂與夾鉗式手爪構(gòu)成，具體如 22圖。在大臂上有安放攝機(jī)用的云臺(tái) 4。五個(gè)關(guān)節(jié)所選用的步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)及相關(guān)參數(shù)如表 32所示。