機(jī)器人技術(shù)電路設(shè)計圖集錦

、C6的參數(shù)，74121的6腳輸出一個保持時間大約為100ms的高電平，單片機(jī)以此高電平信號作為修正方向的依據(jù)。

　　微處理器和電機(jī)驅(qū)動電路見下圖。單片機(jī)的P3．1、P3．2和P3．2分別與左、中、右三個方向傳感器的輸出相連，三個傳感器輸出共有8種組合，單片機(jī)根據(jù)不同的組合狀態(tài)修正機(jī)器人的前進(jìn)方向，其修正方向和傳感器輸出組合的關(guān)系見方向修正真值下表。

　　從真值表中可以清楚的看到當(dāng)三個傳感器輸出都為0時，也就是真值表中的“000”狀態(tài)時單片機(jī)控制機(jī)器人順時針方向旋轉(zhuǎn)以尋找紅外線發(fā)射源；當(dāng)輸入為 “001”狀態(tài)時單片機(jī)控制機(jī)器人向右前進(jìn)；當(dāng)輸入為“110”狀態(tài)時單片機(jī)控制機(jī)器人向左前進(jìn)；當(dāng)輸入為“111”狀態(tài)時單片機(jī)控制機(jī)器人向正前方前進(jìn)；當(dāng)輸入為“101”狀態(tài)時，代表機(jī)器人正前方的傳感器被障礙物阻擋，單片機(jī)控制機(jī)器人向左方向旋轉(zhuǎn)以避開障礙物，也意味著當(dāng)有障礙物阻擋機(jī)器人前進(jìn)時機(jī)器人可以自動繞開障礙物并重新尋找紅外線發(fā)射源。

　　基于STM32F107的搬運機(jī)器人電機(jī)控制電路設(shè)計

　　隨著人工成本的不斷升高，用機(jī)器人代替人力去做一些重復(fù)性的高強(qiáng)度的勞動是現(xiàn)代機(jī)器人研究的一個重要方向。搬運機(jī)器人在導(dǎo)航尋跡中，需要后輪驅(qū)動電機(jī)和前輪舵機(jī)的協(xié)調(diào)工作。搬運機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動有其特殊的應(yīng)用要求，對電機(jī)的動態(tài)性能要求較高，能在任意時刻到達(dá)控制需要的指定位置并且使舵機(jī)停止在任意角度；電機(jī)驅(qū)動的轉(zhuǎn)矩變化范圍大，既有空載平整路面行使的高速度、低轉(zhuǎn)矩工作環(huán)境，也有滿負(fù)載爬坡的運行工況，同時還要求保持較高的運行效率。根據(jù)以上的技術(shù)要求，本文選用了控制技術(shù)成熟，易于平滑調(diào)速的直流電機(jī)作為搬運機(jī)器人的執(zhí)行饑構(gòu)。

　　功率驅(qū)動電路設(shè)計

　　電機(jī)的供電電源是由24V的蓄電池提供，額定功率為240W，由4個75N75組成橋式電路來實現(xiàn)。75N75是MOSFET功率管，其最高耐壓75V，最高耐流75A，電機(jī)驅(qū)動電路如圖2所示。

　　Q1、Q4和Q2、Q3分別組成兩個橋路，分別控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。高端驅(qū)動的MOS管導(dǎo)通時源極電壓和漏極電壓相同且都等于供電電樂VCC，所以要實現(xiàn)MOS管正常的驅(qū)動，柵極電壓要比VCC大，這就需要專門的升壓芯片IR2103?？刂破鳟a(chǎn)生的PWM信號輸入HIN引腳，控制器I／O口輸出的 EN1、EN2作為使能信號。輸出端HO就可得到比VCC要高的電壓，且高出的電壓值正好是充在電容兩端的電壓。二極管提高導(dǎo)通速度，使得75N75的導(dǎo)通電阻更小，降低了開關(guān)管的損失。同時IR2103的兩個輸出口HO、LO具有互鎖功能，防止由于軟件或硬件錯誤造成的電機(jī)上下橋臂直通造成短路。

　　過流保護(hù)電路設(shè)計

　　在電機(jī)控制系統(tǒng)中安裝過流保護(hù)有兩方面的意義：一是防止在電機(jī)正常運行時，電機(jī)出現(xiàn)超載或堵轉(zhuǎn)而使得電樞繞組電流過大損害電機(jī)甚至引發(fā)火災(zāi)；另一方面是由于電機(jī)肩動時啟動電流很大，往往不能直接啟動，既需要等勵磁繞組逐漸建立磁場后再正常運行，又希望電機(jī)以盡量快的速度肩動起來。有了過流保護(hù)對電流進(jìn)行斬波，可以使電機(jī)安全快速地啟動。過流保護(hù)原理圖如圖3所示。

　　電機(jī)的相電流通過康銅絲轉(zhuǎn)換成電壓信號Vtext，經(jīng)過運算放大器放大后的模擬量AD1送至控制器A／D轉(zhuǎn)換模塊，同時將經(jīng)過電壓比較器比較后的數(shù)字量 EVA送至控制器的外部中斷口。針對搬運機(jī)器人的前輪轉(zhuǎn)向舵機(jī)和后輪驅(qū)動電機(jī)的控制要求，采用以Cortex-M3為內(nèi)核的STM32F107作為主控制器，采用嵌入實時操作系統(tǒng)μC／OS-II，將程序分成啟動任務(wù)、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制任務(wù)、舵機(jī)控制任務(wù)等相對獨立的多個任務(wù)，并設(shè)定了各任務(wù)的優(yōu)先級。該系統(tǒng)能較好地實現(xiàn)搬運機(jī)器人的運動控制。

　　TOP10 智能小車機(jī)器人整體電路設(shè)計

　　語音輸入電路設(shè)計

　　小車的語音輸入電路如圖所示。其中，VM IC 提供傳聲器的電源，VSS是系統(tǒng)的模擬地，VCM 為參考電壓，1腳和2腳分別是傳聲器X1 的正極、負(fù)極的輸入引腳。當(dāng)對著傳聲器講話時，1腳和2 腳將隨著傳聲器輸入的聲音產(chǎn)生變化的波形，并在SPCE061A 的兩個端口處形成兩路反相的波形，送到SPCE061A 控制器內(nèi)部的運算放大器進(jìn)行音頻放大，經(jīng)過放大的音頻信號，通過ADC轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，保存到相應(yīng)的寄存器中，然后對這些數(shù)字音頻信號進(jìn)行壓縮、辨識、播放等處理。

　　語音輸出電路設(shè)計

　　小車的語音輸入電路如圖所示。其中，VDDH 為參考電壓，VSS是系統(tǒng)的模擬地。音頻信號由SPCE061A 的DAC引腳輸出送到電路的9端，通過音量電位器R9的調(diào)節(jié)端送到集成音頻功率放大器SPY0030， 經(jīng)音頻放大后，音頻信號從SPY0030輸出經(jīng)J2端口外接揚聲器播放聲音。

　　光電檢測電路設(shè)計

　　小車的光電檢測電路采用E18-D80NK型號的光電傳感器，它集發(fā)射和接受于一體，紅外發(fā)射管向某一方向發(fā)射紅外線，遇到障礙物后紅外線被反射由接收管接受，從而判斷出小車的前方是否有障礙物，對障礙物的感應(yīng)距離可以根據(jù)要求通過傳感器上的微調(diào)旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)。傳感器前端增加了透鏡，利用聚焦作用遠(yuǎn)距離探測物體。傳感器內(nèi)部集成了放大、比較、調(diào)制電路，使傳感器受可見光的影響較小，光電檢測電路的連接圖如圖4所示。

　　驅(qū)動電路設(shè)計

　　小車的驅(qū)動電路是一個全橋驅(qū)動電路（ 圖5），Q1，Q2， Q3， Q4四個三極管組成4個橋臂，Q5 控制Q2和Q3的導(dǎo)通和關(guān)斷，Q6控制Q1 和Q4 的導(dǎo)通和關(guān)斷，驅(qū)動電路分別用于后輪動力驅(qū)動電路和前輪方向驅(qū)動電路。當(dāng)1管腳為高電平，2管腳為低電平時時Q1 和Q4 導(dǎo)通，Q2和Q3截止，電動機(jī)帶動車輪運轉(zhuǎn); 當(dāng)1管腳為低電平，2管腳為高電平時時Q1和Q4截止，Q2和Q3導(dǎo)通，電動機(jī)帶動車輪反向運轉(zhuǎn)。

　　智能小車系統(tǒng)整體設(shè)計

　　將語音輸入電路的1， 2 端口分別連接到SPCE061A控制器的M ICP， N ICN 管腳上; 將語音輸出電路的9端口連接SPCE061A的DAC1管腳; 后輪動力驅(qū)動電路的1， 2端連接到SPCE061A的IOB8， IOB9管腳，前輪方向驅(qū)動電路的1， 2端連接到SPCE061A 的IOB10， IOB11管腳; 光電檢測電路的OUT 端連接SPCE061A 的IOB12 管腳，智能小車的整體連接如圖6所示。

　　智能小車的正確識別率在90% 以上，實驗過程中發(fā)現(xiàn)，影響小車正常辨識的因素主要包括周圍環(huán)境的噪聲、人與小車的距離等，這些需要在今后改進(jìn)。這種語音控制的智能小車機(jī)器人將來不僅可以為人服務(wù)，稍加擴(kuò)展，還可以在多種不適合人作業(yè)的場合替代人執(zhí)行任務(wù)。因此這種語音控制小車機(jī)器人具有重要的學(xué)術(shù)研究價值。

　　TOP11帶PC機(jī)串口通訊的機(jī)器人控制系統(tǒng)電路設(shè)計

　　用AVRmega8515作一個帶PC機(jī)串口通訊的最小單片機(jī)機(jī)器人控制系統(tǒng)，電路圖見下圖。使用時用WINDOWS自帶的超級終端，把速率調(diào)整到9600，8個數(shù)據(jù)位．1個停止位，無奇偶效驗，無流量控制（握手協(xié)議Xon/Xoff）．接上串口線，按照屏幕提示輸入數(shù)據(jù)就可以直觀地控制3臺舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。

　　以下介紹一款24路機(jī)器人專用控制器。其主要是供不熟悉單片機(jī)的讀者來使用。該系統(tǒng)整體硬件基本和上述最小單片機(jī)控制系統(tǒng)一樣，還增加了一片采用I2C 總線通訊方式的24C256 EEPROM存儲器，用來記錄24路龐大的動作表，主控單片機(jī)也是AVRmega 8515．整個動作編程通過PC機(jī)串口終端仿真器來實現(xiàn)的?？赏瑫r控制24臺舵機(jī)，并且能分別對臺舵機(jī)進(jìn)行速度控制，其中可以插入循環(huán)、延時指令。該控制器能讓制作者從繁瑣的單片機(jī)編程中解放出來，并且能讓有PC機(jī)編程能力的讀者進(jìn)行二次開發(fā)。

　　基于嵌入式的機(jī)器人系統(tǒng)電路模塊設(shè)計

　　機(jī)器人要實現(xiàn)的動作和功能較多，需要多個傳感器對外界進(jìn)行檢測，并實時控制機(jī)器人的位置、動作和運行狀態(tài)。系統(tǒng)中的所有任務(wù)最終都掛在實時操作系統(tǒng)μC／0S一Ⅱ上運行，因此不僅要考慮微控制器的內(nèi)部資源，還要看其可移植性和可擴(kuò)展性。LPC2129是Philips公司生產(chǎn)的一款32位 arm7TDMI—S微處理器，嵌入256 KB高速Flash存儲器，它采用3級流水線技術(shù)，同時進(jìn)行取指、譯碼和執(zhí)行，而且能夠并行處理指令，提高CPU的運行速度。由于它的尺寸非常小，功耗極低，抗干擾能力強(qiáng)，適用于各種工業(yè)控制。2個32位定時計數(shù)器、6路PWM輸出和47個通用I／0口，所以特別適用于對環(huán)境要求較低的工業(yè)控制和小型智能機(jī)器人系統(tǒng)。因此選用 LPC2129為主控制器，可以獲得設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定的智能機(jī)器人控制系統(tǒng)。

　　無線通信接口設(shè)計

　　系統(tǒng)采用迅通公司生產(chǎn)的PTR2000無線通信數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。電路接口如圖2所示。該模塊基于NORDIC公司生產(chǎn)的射頻器件nRF401開發(fā)，其特點是：①有兩個頻道可供選擇，工作速率高達(dá)20 Kb／s；②接收發(fā)射合一，適合雙工和單工通信，因而通信方式比較靈活；③體積小，所需外圍元件少，接口電路簡單，因此特別適合機(jī)器人小型化要求；④可直接接單片機(jī)串口模塊，控制簡單；⑤抗干擾能力強(qiáng)；⑥功耗小，通信穩(wěn)定。

　　超聲波測距傳感器電路設(shè)計

兩路超聲波傳感器用以控制機(jī)器人避開障礙物，并預(yù)測機(jī)器人相對目的地距離，起導(dǎo)航作用，其接收部分與微控制器的捕獲和定時管腳相連接。整個超聲波檢測系統(tǒng)由超聲