機(jī)器人技術(shù)電路設(shè)計(jì)圖集錦

　　TOP1 危險(xiǎn)品處理機(jī)器人控制電路設(shè)計(jì)

　　本文首先簡(jiǎn)要介紹了危險(xiǎn)品危險(xiǎn)品處理機(jī)器人的作用，機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式，著重從控制系統(tǒng)與硬件設(shè)計(jì)介紹了危險(xiǎn)品處理機(jī)器人機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。最后給出了測(cè)得的機(jī)械手的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。危險(xiǎn)品處理機(jī)器人是用于危險(xiǎn)彈藥夾持、拔出、搬運(yùn)和放置作業(yè)，并可攜帶和放置的裝置。該項(xiàng)目的完成將解決長(zhǎng)期困擾我軍的事故炮彈、戰(zhàn)爭(zhēng)遺留彈等危險(xiǎn)彈藥安全處理問(wèn)題。機(jī)械手是危險(xiǎn)品處理機(jī)器人操作過(guò)程中直接與彈藥接觸的重要部件，主要用于執(zhí)行對(duì)危險(xiǎn)彈藥的夾持、拆除、搬運(yùn)和放置作業(yè)， 機(jī)械手工作的穩(wěn)定性直接決定著彈藥處理的成功率，因此機(jī)械手的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

　　PWM 管腳：DSP 的每個(gè)事件管理器都有與比較單元相關(guān)的PWM 電路，能夠產(chǎn)生六路帶可編程死區(qū)和輸出極性的PWM 輸出，但是都是成對(duì)輸出的，對(duì)于本控制器需要的獨(dú)立的輸出，每個(gè)事件管理器只有3 路，一個(gè)DSP 有兩個(gè)事件管理器，可以獨(dú)立的輸出6 路PWM 波。液壓控制器需要6 路PWM 波驅(qū)動(dòng)電業(yè)比例閥，而伺服電機(jī)控制器需要4 路0-5V 的加速器信號(hào)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，在設(shè)計(jì)電路時(shí)將這兩種電路設(shè)計(jì)在一起，并制成印刷電路板，焊板時(shí)按每板的功能焊接即可，液壓控制器需要輸出PWM 波形，芯片用LM393 做比較器，此時(shí)電阻R19 和電容C71 不焊即可，但要有R21 上拉電阻，R17 和R18 將2 腳電壓分在1.7V 左右比較合適。伺服控制器需要輸出0-5V 電壓芯片用LM2904 做運(yùn)放用，焊電阻R19 和電容C17不用MOS 管、R21 和外接電源，也不用焊R17，直接將DSP 輸出0-3.3V 電壓放大到0-5V 輸出。PWM/電壓輸出電路圖見圖1：

　　圖1 PWM/電壓輸出電路

　　IO 口：DSP 的數(shù)字I/O 口模塊具有控制專用I/O 和復(fù)用引腳的功能，可以輸出輸入高低電平信號(hào)，根據(jù)其功能將其設(shè)計(jì)成開關(guān)量輸出，輸入，并用其控制繼電器，作為控的開關(guān)。開關(guān)量輸入只要用電阻分壓即可，開關(guān)量輸出使用光耦隔離，本設(shè)計(jì)用的光耦PC817，比較適合DSP 使用。當(dāng)DSP 輸出高電平時(shí)繼電器吸合，CNETA1 和CNETA2 兩腳導(dǎo)通繼電器電路圖見圖2：

　　圖2 繼電器電路圖

　　QEP 電路：DSP 的每個(gè)時(shí)間管理器都有一個(gè)正交編碼器脈沖（QEP）電路。當(dāng)QEP電路被使能時(shí)可以對(duì)CAP1/QEP1 和CAP2/QEP2（對(duì)于EVA 模塊）引腳上的正交編碼輸入脈沖進(jìn)行解碼和計(jì)數(shù)。正交編碼脈沖電路可用于連接光電編碼器以獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)械的位置和速率。伺服電機(jī)控制器需要使用QEP 電路，由于一個(gè)伺服電機(jī)控制器需要控制4 臺(tái)伺服電機(jī)，所以碼盤信號(hào)使用74153 芯片選擇輸入，同時(shí)碼盤的每路信號(hào)都有正負(fù)兩根線通過(guò)運(yùn)放放大后再到74153 選擇后輸入DSP，碼盤選擇電路見圖3：

　　圖3 碼盤選擇電路

　　其中W/R/IOPC0 為使能信號(hào)，XINT1/IOPA2 和XINT2/ADCSOC/IOPDO 構(gòu)成選擇信號(hào)，74153 通過(guò)選擇信號(hào)的選擇碼選擇一對(duì)信號(hào)從7 腳和9 腳輸出給DSP。其他硬件電路設(shè)計(jì)包括電源、串口、CAN 總線和DSP 外圍接線等都是典型的設(shè)計(jì)。整個(gè)機(jī)器人車設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)安裝調(diào)試，機(jī)械手完全符合設(shè)計(jì)要求，達(dá)到如下技術(shù)指標(biāo)：最大作業(yè)幅度約2.5m；最大作業(yè)深度：地下1m；最大作業(yè)幅度下夾持提升力≤80kg；最大夾持彈藥直徑160mm；目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有這種專業(yè)的處理危險(xiǎn)品的機(jī)器人批量生產(chǎn)，本產(chǎn)品的成功完成為將來(lái)的批量生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，市場(chǎng)潛力巨大。

　　接力競(jìng)賽機(jī)器人系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

　　接力機(jī)器人機(jī)械部分采用遙控汽車，造型時(shí)尚，色彩華麗，車上裝配的火炬有“2008奧運(yùn)”標(biāo)志，內(nèi)部七彩電子火焰舞動(dòng)閃爍，令人賞心悅目。比賽開始，人工啟動(dòng)第一輛機(jī)器人小車，車上火炬同時(shí)點(diǎn)亮，當(dāng)遇到下一輛機(jī)器人小車時(shí)，下一輛機(jī)器人小車火炬自動(dòng)點(diǎn)亮并啟動(dòng)前進(jìn)。為了渲染效果，在終點(diǎn)，還設(shè)計(jì)了艷麗鮮花構(gòu)成的凱旋門，當(dāng)機(jī)器人小車勝利到達(dá)終點(diǎn)凱旋門時(shí)，電路自動(dòng)觸發(fā)燃放焰火，聲光相伴，具有很強(qiáng)的視覺(jué)沖擊力

　　電路原理：一片電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路L293D、一個(gè)紅外光電開關(guān)TCRT5000和一個(gè)電阻R2四樣?xùn)|西就構(gòu)成了具有循跡功能的最簡(jiǎn)約的機(jī)器人。TCRT5000由一對(duì)相 “互隔開的紅外發(fā)射和接收二極管構(gòu)成，TCRT5000朝下安裝在機(jī)器人小車底盤上。其中的發(fā)射二極管向地面發(fā)射紅外線，接收二極管接收從地面反射的紅外線。機(jī)器人使用了ATMAGE8單片機(jī)內(nèi)部集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，不同顏色的地面反射紅外線的情況不同，因而接收二極管接收到的紅外線信號(hào)強(qiáng)度也就不同，通過(guò)ATMAGE8單片機(jī)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

　　不同的紅外線信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成不同的數(shù)值。據(jù)此就能識(shí)別地面的線跡，程序再通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路L293D控制車輪運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡。干簧管GHG是用來(lái)實(shí)現(xiàn)接力的，每輛車前端裝磁鐵，尾端裝干簧管，后車靠近前車時(shí)，后車前端的磁鐵作用于前車后端的干簧管，就傳遞了接力信號(hào)。紅外發(fā)射二極管D3和紅外接收二極管D4是用來(lái)配合機(jī)器人在完成接力后實(shí)現(xiàn)停車功能的。每輛車前端安裝紅外接收二極管D4，尾端安裝紅外發(fā)射二極管D3。當(dāng)磁鐵作用于干簧管，傳遞了接力信號(hào)后，前車通過(guò)后端的紅外發(fā)射二極管D3發(fā)射紅外線，后車通過(guò)前端的紅外接收二極管D4接收到紅外線后就停止前進(jìn)。

　　TOP2 循線機(jī)器人小車系統(tǒng)電路模塊設(shè)計(jì)

　　首先循線機(jī)器人小車可以通過(guò)捕獲紅外傳感器獲取的信號(hào)來(lái)引導(dǎo)小車沿著地面上的線條前進(jìn)。從紅外傳感器獲取的信息經(jīng)過(guò)信號(hào)放大，送入51單片機(jī)，單片機(jī)依據(jù)邏輯判斷決定小車左右兩側(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。單片機(jī)通過(guò)PWM技術(shù)來(lái)調(diào)控左右兩側(cè)直流減速電機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)左右兩側(cè)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，小車進(jìn)行直線行駛；當(dāng)左側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于右側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，小車進(jìn)行右轉(zhuǎn)彎，反之小車進(jìn)行左轉(zhuǎn)彎。小車采用雙電源供電，即控制部分采用5V直流電供電，而電機(jī)部分采用12V直流電供電。因?yàn)榭紤]到電機(jī)功率不是很大，因此沒(méi)有采用光電隔離處理。

　　小車5V電源部分電路設(shè)計(jì)原理圖如下：

　　在設(shè)計(jì)中我原規(guī)劃使小車即可以通過(guò)USB供電，又可以通過(guò)充電電池組供電，具體選擇哪種供電方式通過(guò)S1開關(guān)進(jìn)行切換。由于USB供電電源是標(biāo)準(zhǔn)的5V 直流電源，因此就省去了穩(wěn)壓電路。而在通過(guò)電池組供電的電路中，當(dāng)S2開關(guān)閉合時(shí)，電池組提供的電壓經(jīng)過(guò)U2的穩(wěn)壓再介入系統(tǒng)當(dāng)中。U2我才有的是 LM2940CT-5.0，它可以將輸出電壓穩(wěn)定在5V輸出，輸出電流最大可以達(dá)到1.25A。在電路中加入D9的發(fā)光二極管用于指示是否通電，在D9前串入一個(gè)1K歐的電阻R1用于限流。

　　小車12V直流電源供電部分電路設(shè)計(jì)原理圖：

　　這部分電路設(shè)計(jì)同5V電源部分，只是U5部分換成了LM2940CT-12的芯片，此芯片輸出電壓為12V。

　　下面介紹一下小車動(dòng)力部分的電路設(shè)計(jì)原理圖：

　　小車采用4輪驅(qū)動(dòng)，左右各2個(gè)12V直流減速電機(jī)，通過(guò)L298N來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。L298N的輸入分別接STC89C52RC單片機(jī)的P1.4、 P1.5、 P1.6、P1.7口。當(dāng)P1.4、P1.5同時(shí)為高電平或者低電平時(shí)電機(jī)B1、B3停轉(zhuǎn)，即小車左側(cè)車輪停轉(zhuǎn)；當(dāng)P1.4輸出高電平，P1.5輸出低電平時(shí)，B1、B3正轉(zhuǎn)；當(dāng)P1.4輸出低電平，P1.5輸出高電平時(shí)，B1、B3反轉(zhuǎn)；當(dāng)P1.6、P1.7同時(shí)為高電平或者低電平時(shí)電機(jī)B2、B4停轉(zhuǎn)，即小車右側(cè)車輪停轉(zhuǎn)；當(dāng)P1.6輸出高電平，P1.7輸出低電平時(shí)，B2、B4正轉(zhuǎn)；當(dāng)P1.6輸出低電平，P1.7輸出高電平時(shí)，B2、B4反轉(zhuǎn)；各電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制通過(guò)PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

　　小車的循線部分電路原理圖：

　　小車采用紅外發(fā)射對(duì)管RPR-220來(lái)探測(cè)地面線條，RPR-220采集到的信號(hào)送LM393進(jìn)行放大，然后送入單片機(jī)STC89C52RC的P1.2和P1.3口。原理圖中R13、R14是用于調(diào)諧紅外發(fā)射對(duì)管采集信號(hào)的靈敏度的。

　　最后是小車大腦部分的電路原理圖：

　　圖中繪制了STC89C52RC的復(fù)位電路和晶振部分電路

　　循線機(jī)器人小車比較簡(jiǎn)單，不比雙足機(jī)器人有眾多活動(dòng)部件的控制和設(shè)計(jì)，循線小車活動(dòng)部件就只是驅(qū)動(dòng)小車的車輪，控制左右車輪的轉(zhuǎn)速來(lái)控制小車前進(jìn)方向是直行，還是左轉(zhuǎn)彎，或者右轉(zhuǎn)彎，因此可以看出整個(gè)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單。通過(guò)簡(jiǎn)單的循線機(jī)器人小車的設(shè)計(jì)，掌握對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、傳感器信號(hào)采集、電源供應(yīng)、焊接技術(shù)、設(shè)備采購(gòu)、系統(tǒng)總體規(guī)劃等部分有個(gè)感性的認(rèn)識(shí)，因?yàn)檫@些部分是將來(lái)所有機(jī)器人設(shè)計(jì)中不可回避的基本部分。

　　TOP3 智能滅火機(jī)器人硬件電路的設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人高速精確地按照規(guī)定路徑行走，要求機(jī)器人的CPU能夠?qū)崟r(shí)迅速地讀取多個(gè)傳感器端口數(shù)值，并在較短的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)各端口數(shù)值的存儲(chǔ)、運(yùn)算和輸出等多種任務(wù)。由于嵌入式微處理器對(duì)實(shí)時(shí)任務(wù)具有很強(qiáng)的支持能力，能夠完成多任務(wù)并且具有較短的中斷響應(yīng)，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中選用以嵌入式微處理器ARM9為核心的控制器，其內(nèi)部采用哈佛結(jié)構(gòu)，每秒可執(zhí)行一億一千萬(wàn)條機(jī)器指令。本設(shè)計(jì)還設(shè)置了 4路PWM控制信號(hào)輸出端口，用以驅(qū)動(dòng)4路大功率直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的精確調(diào)節(jié)；此外，還設(shè)置了7路Do數(shù)字輸出端口，用以驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)、蜂鳴器、繼電器、發(fā)光二極管等。為了給龐大和復(fù)雜的程序提供更多的執(zhí)行空間，本設(shè)計(jì)附加設(shè)置了100 KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）和512 KB的程序存儲(chǔ)器（Fl