小型舞蹈機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：L298N；舵機(jī)；直流電機(jī)；隔離；并聯(lián)型穩(wěn)壓

機(jī)器人舞蹈比賽是一項(xiàng)具有極強(qiáng)觀賞性和趣味性的比賽。比賽規(guī)則要求參賽機(jī)器人在有限的場地和時(shí)間內(nèi)，配合音樂完成動作。由于要求機(jī)器人既要充分利用場地，又不能超時(shí)和越界，因此，舞蹈機(jī)器人集成了多學(xué)科前沿技術(shù)，它的設(shè)計(jì)涉及了機(jī)電一體化技術(shù)、檢測和傳感技術(shù)、精密機(jī)械加工和精密機(jī)械傳動技術(shù)、現(xiàn)代化控制技術(shù)和管理技術(shù)、計(jì)算機(jī)程序控制技術(shù)等多個(gè)方面。

舞蹈機(jī)器人之所以能完成各種流暢的動作，在于它身體各運(yùn)動部位都裝有相應(yīng)的動力源（驅(qū)動電機(jī)）。目前在舞蹈機(jī)器人中常用的電機(jī)有三類：直流電機(jī)、舵機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。其中直流電機(jī)功耗低、力矩大，通常用于閉環(huán)控制系統(tǒng)；舵機(jī)控制精確、力矩較??；步進(jìn)電機(jī)控制精確、功耗較大、力矩較小，通常用在開環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)上述比賽規(guī)則要求，本文介紹的機(jī)器人選用了直流電機(jī)和舵機(jī)兩類電機(jī)，文中重點(diǎn)講述了這兩類電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

１ 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)中，直流電機(jī)共有四路，分別用于機(jī)器人底盤、頭部的轉(zhuǎn)動以及身體的升降，舵機(jī)有兩路，用于花瓣打開。本設(shè)計(jì)從實(shí)際出發(fā)對不同電機(jī)采取了不同的驅(qū)動方式。舵機(jī)驅(qū)動電流僅十幾微安，可以直接使用單片機(jī)端口進(jìn)行驅(qū)動，而直流電機(jī)工作電流較大，瞬態(tài)電流接近１Ａ，因此需要采用專用電機(jī)驅(qū)動芯片。此外由于采用了３Ｖ與７Ｖ兩種規(guī)格的直流電機(jī)，其中７Ｖ直流電機(jī)驅(qū)動信號直接采用驅(qū)動芯片輸出，３Ｖ直流電機(jī)則需對驅(qū)動芯片輸出作降壓處理，因此，控制芯片選用了Ａｔｍｅｌ公司的ＡＴ８９Ｃ５２單片機(jī)。圖１是本驅(qū)動系統(tǒng)的原理框圖。

２　主要模塊的硬件設(shè)計(jì)

本驅(qū)動系統(tǒng)主要由信號隔離模塊、舵機(jī)驅(qū)動模塊、直流電機(jī)驅(qū)動芯片和降壓模塊等部分組成。

２．１ 信號隔離模塊

常見的信號隔離方法有光電耦合和變壓器隔離等，本系統(tǒng)采用光電耦合方式對電機(jī)控制信號進(jìn)行隔離，以消除模擬信號對數(shù)字信號的干擾。使用的光耦型號為ＴＬＰ５２１－２及ＴＬＰ５２１－４。信號隔離最重要的一點(diǎn)就是將數(shù)字與模擬或強(qiáng)電與弱電部分在供電上要完全隔開，否則就不能達(dá)到真正意義上的隔離。實(shí)際中，光耦兩側(cè)使用了兩組不同的電源。本系統(tǒng)需要隔離的信號為舵機(jī)控制信號、直流電機(jī)啟停信號及其正／反轉(zhuǎn)信號。其實(shí)現(xiàn)電路如圖２所示。圖中，ＶＣＣ為光耦前的數(shù)字電路電源，ＶＣＣ１是光耦后的數(shù)字電路電源，ＧＮＤ１是模擬地。

２．２ 驅(qū)動模塊

本系統(tǒng)有四路直流電機(jī)和兩路舵機(jī)，由于兩者的工作電流相差較大，故在硬件上將兩者獨(dú)立。

圖2

由于舵機(jī)自身帶電源(ＶＣＣ)和地(ＧＮＤ)引腳，對其驅(qū)動只需給出控制信號即可，故可直接用單片機(jī)的端口作控制信號線，因而硬件十分簡單，設(shè)計(jì)時(shí)只要通過Ｐ０．０和Ｐ０．１用光耦隔離輸出便可直接控制兩路舵機(jī)，圖２中的５２１－２即用于實(shí)現(xiàn)這部分功能。

本系統(tǒng)共有四路直流電機(jī)，其中三路采用７Ｖ供電，一路采用３Ｖ供電，因而工作電流較大，瞬時(shí)值可達(dá)１Ａ以上，為此，設(shè)計(jì)中選用了ＳＧＳ公司的Ｌ２９８系列芯片來完成驅(qū)動。Ｌ２９８比較常見的是１５腳Ｍｕｌｔｉ-ｗａｔｔ封裝的Ｌ２９８Ｎ，該芯片的額定工作電流為２Ａ，內(nèi)部包含４通道邏輯驅(qū)動電路，即一片可帶兩路直流電機(jī)，故該系統(tǒng)中使用了兩片Ｌ２９８Ｎ。

圖３是兩路電機(jī)的驅(qū)動電路，為了節(jié)約單片機(jī)的端口資源，每路直流電機(jī)的正／反轉(zhuǎn)信號控制線均通過一個(gè)反相器共用一條單片機(jī)口線。

２．３ 穩(wěn)壓模塊

由于本系統(tǒng)中３Ｖ直流電機(jī)的工作電流約為８００ｍＡ，為了簡化設(shè)計(jì)，降低成本，可以考慮直接使用Ｌ２９８Ｎ來驅(qū)動，而Ｌ２９８Ｎ的輸出電壓約為ＶＤＤ?系統(tǒng)中為＋６Ｖ?，因此必須將其降至３Ｖ才能直接驅(qū)動３Ｖ直流電機(jī)。本系統(tǒng)僅要求此直流電機(jī)單向轉(zhuǎn)動，故可采用穩(wěn)壓二極管進(jìn)行穩(wěn)壓處理。利用穩(wěn)壓二極管進(jìn)行穩(wěn)壓時(shí)，多采用并聯(lián)型穩(wěn)壓方式。

３　結(jié)束語

本系統(tǒng)是專為某型舞蹈機(jī)器人設(shè)計(jì)的，因此，軟件的工作大部分是通過發(fā)送各種指令來驅(qū)動相應(yīng)的電機(jī)以使其轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)定編排的舞蹈動作。直流電機(jī)、舵機(jī)的控制均采用ＰＷＭ方式，軟件設(shè)計(jì)本文不作詳解。

本系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具有可靠性高、控制到位、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)，由其構(gòu)成的舞蹈機(jī)器人曾在全國舞蹈機(jī)器人大賽中一舉奪冠。