應(yīng)用單片機(jī)的微型機(jī)器人步態(tài)時(shí)序仿真與實(shí)現(xiàn)

周 為，秦 嵐

(重慶大學(xué)光電工程學(xué)院，重慶 400044)

目前，應(yīng)用于微小空間、狹窄管道工作的微型機(jī)器人正朝著體積小、質(zhì)量輕、高智能化等方向發(fā)展。隨著MENS傳感器技術(shù)的發(fā)展，微型機(jī)器人能夠攜帶相關(guān)傳感器進(jìn)行探測(cè)檢測(cè)工作的能力越來(lái)越強(qiáng)，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。目前研制的微型機(jī)器人須具備高性能的機(jī)構(gòu)技術(shù)、高可靠性的驅(qū)動(dòng)吸附技術(shù)、可靠的通信技術(shù)和智能化的嵌入式控制技術(shù)［1］。為滿(mǎn)足發(fā)展趨勢(shì)及要求，本文介紹了基于電磁驅(qū)動(dòng)吸附的微型爬壁機(jī)器人，著重討論了直線(xiàn)、轉(zhuǎn)彎等運(yùn)動(dòng)脈沖邏輯和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的嵌入式控制方法，開(kāi)發(fā)了基于51單片機(jī)的控制電路和程序，并對(duì)程序進(jìn)行了仿真和實(shí)現(xiàn)。

1 微型機(jī)器人結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)原理

本文討論的微型機(jī)器人采用電磁驅(qū)動(dòng)和吸附技術(shù)，通過(guò)“步行”方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行走。微型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)原理如圖1所示，在機(jī)器人本體中安裝永磁鐵，在本體的左右兩側(cè)安裝纏繞線(xiàn)圈作為機(jī)器人的腳，使其在交變電磁力的作用下推動(dòng)機(jī)器人本體在前后方向上做往復(fù)運(yùn)動(dòng);在外側(cè)安裝小型電磁鐵，使其能吸附于導(dǎo)磁工作物體表面。機(jī)器人三維結(jié)構(gòu)如圖2所示，按照20 mm×20 mm×30 mm的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。機(jī)器人支撐鏈接材料均采用鋁合金，具有質(zhì)量輕、硬度高、不被磁化的特點(diǎn)。位于中心的即永磁鐵，材料上選用鐵釹硼永磁，其特點(diǎn)是磁能高、磁能積大、易加工。兩側(cè)的左右腳采用鐵鎳合金(坡莫合金)，具有極強(qiáng)的磁化和退磁能力。在腳上分別纏繞驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈和吸附線(xiàn)圈，線(xiàn)圈采用0.1 mm的聚氨酯皮膜導(dǎo)線(xiàn)，線(xiàn)圈通以電流產(chǎn)生電磁力，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)和吸附［2］。

圖1 微型機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)原理

圖2 微型機(jī)器人的三維結(jié)構(gòu)

2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)步態(tài)邏輯分析

控制機(jī)器人直線(xiàn)行走即控制機(jī)器人左右兩驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈、兩吸附線(xiàn)圈通電電流之間的關(guān)系，以直線(xiàn)行走控制邏輯為例(如圖3所示)。在t0時(shí)刻，機(jī)器人左腳懸空(不通電)，右腳吸附(通電)，左驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈反向驅(qū)動(dòng)，右驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈正向驅(qū)動(dòng);t1時(shí)刻，左腳吸附(通電)，右腳懸空(不通電)，左驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈反向驅(qū)動(dòng)，右驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈正向驅(qū)動(dòng);t2、t3狀態(tài)均可從邏輯上分析得出。t0～t3實(shí)現(xiàn)了一個(gè)行走周期，機(jī)器人直線(xiàn)行走(即按照此控制脈沖反復(fù)執(zhí)行)的運(yùn)動(dòng)速度高低取決于t0～t4之間的各運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的延時(shí)，即驅(qū)動(dòng)頻率。

圖3 機(jī)器人控制時(shí)序圖

由以上分析可知:微型爬壁機(jī)器人直線(xiàn)行走控制的最根本是時(shí)序脈沖的控制。在不考慮摩擦因素等導(dǎo)致的速度衰減情況下，直線(xiàn)行走的速度滿(mǎn)足:

其中:Vr、Vl為左右腳速度;s為行走步長(zhǎng);fr、fl為驅(qū)動(dòng)頻率。

由以上公式可知:機(jī)器人左右腳運(yùn)動(dòng)速度是由驅(qū)動(dòng)頻率決定的。由于受機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)等自身特性的限制，驅(qū)動(dòng)頻率限制在0～20 Hz，頻率越高，運(yùn)動(dòng)速度越快。由公式可知:當(dāng)頻率為20 Hz時(shí)，理想狀態(tài)下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度為80 mm/s(不考慮衰減，步長(zhǎng)為4 mm)。同理，機(jī)器人轉(zhuǎn)彎也是由時(shí)序脈沖控制的，轉(zhuǎn)彎要求左腳驅(qū)動(dòng)頻率和右腳驅(qū)動(dòng)頻率不一致，左腳驅(qū)動(dòng)頻率較高，機(jī)器人右轉(zhuǎn);右腳驅(qū)動(dòng)頻率高，機(jī)器人左轉(zhuǎn)，且驅(qū)動(dòng)頻率相差愈大，轉(zhuǎn)彎半徑愈小。

因此，對(duì)機(jī)器人的控制一方面要實(shí)現(xiàn)各個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制邏輯，另一方面要實(shí)現(xiàn)邏輯間的延時(shí)。

3 機(jī)器人控制的單片機(jī)仿真

采用51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制，選擇P1.x口為輸出控制口，分配P1各腳功能如表1所示。

表1 51單片機(jī)P1引腳分配及功能

當(dāng)機(jī)器人需要直線(xiàn)前進(jìn)時(shí)，由圖3可知各引腳的功能定義和 t0～t3狀態(tài)下的邏輯值如表2所示。

表2 直線(xiàn)行走時(shí)P1功能引腳邏輯真值表

由表2可知:在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，P1口輸出狀態(tài)在t0～t3時(shí)的輸出為01000110B－01000101B－00101001B－00101010B，翻譯成16進(jìn)制為46H－45H－29H－2AH。因機(jī)器人行走速度與驅(qū)動(dòng)頻率有關(guān)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率為10 Hz時(shí)，一個(gè)行走周期為100 ms，t0～t3各狀態(tài)均為25 ms。程序設(shè)計(jì)P1輸出為:循環(huán)執(zhí)行46H－延時(shí)25ms－45H－延時(shí)25ms－29H－延時(shí)25ms－2AH延時(shí)25 ms。

單片機(jī)的延時(shí)方法主要分為軟件延時(shí)和硬件延時(shí)。軟件延時(shí)方法程序編寫(xiě)簡(jiǎn)單，調(diào)用方便，但問(wèn)題很多。軟件延時(shí)受單片機(jī)硬件環(huán)境如晶振頻率、編譯環(huán)境、變量類(lèi)型影響很大，而且非常占用單片機(jī)CPU 時(shí)間［3－8］。為實(shí)現(xiàn)精確定時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件資源的合理利用，本文采用硬件定時(shí)方式，即利用51單片機(jī)中的定時(shí)/計(jì)數(shù)器進(jìn)行定時(shí)。

在程序設(shè)計(jì)中，首先定義數(shù)組uchar ineCtr［4］={0x46，0x45，0x29，0x2A}為控制命令，設(shè)置定時(shí)器0工作于模式1，實(shí)際電路選用16 MHz晶振，因此定時(shí)為25 ms，采用16位計(jì)數(shù)，計(jì)算定時(shí)/計(jì)數(shù)器裝載初值為33333，開(kāi)中斷，允許time0中斷，啟動(dòng)定時(shí)計(jì)數(shù)。在time0中斷程序中，完成控制命令的輸出:

使用keil uvision4軟件對(duì)51單片機(jī)進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)、編譯，生成.bin格式的二進(jìn)制文件。利用Protues軟件編輯電路圖，并加載生成的.bin文件。利用Protues軟件中的DIGITAL ANALYSIS儀器查看仿真結(jié)果［4］。結(jié)果表明:利用定時(shí)/計(jì)數(shù)器能實(shí)現(xiàn)精確的硬件延時(shí)，每一控制脈沖周期為100 ms。如圖4所示，豎線(xiàn)為在t0狀態(tài)下的各控制脈沖邏輯值。由圖可知:左吸附線(xiàn)圈放松，左驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈反向;右吸附線(xiàn)圈吸附，右驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈正向。圖5中豎線(xiàn)為t2狀態(tài)的波形。此時(shí)，左吸附線(xiàn)圈吸附，左驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈正向;右吸附線(xiàn)圈放松，右驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈反向，推動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。

圖4 t0狀態(tài)仿真

圖5 t2狀態(tài)仿真

4 機(jī)器人控制的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)

為了兼容對(duì)機(jī)器人的無(wú)線(xiàn)控制，實(shí)際控制電路采用nRF24LE1模塊。該模塊集成了2.4 GHz的無(wú)線(xiàn)通信模塊nRF24L01和高性能的51單片機(jī)，在滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)通信的同時(shí)也能滿(mǎn)足智慧控制要求［5］，以51單片機(jī)為控制核心，搭建硬件電路，利用示波器采集控制波形［6－7］。由于示波器在同一時(shí)刻只能采集兩路信號(hào)，可以搭配各引腳輸出狀態(tài)信息進(jìn)行分析，輸出波形如圖6、7所示。

圖6 輸出口 P1.0，P1.1信號(hào)

圖7 輸出口 P1.0、P1.2信號(hào)

P1.0，P1.1 腳輸出信號(hào)如圖 6 所示，P1.0、P1.1兩腳定義為對(duì)左右吸附線(xiàn)圈的控制。由圖3可知，左右吸附不可能同時(shí)為高/低，狀態(tài)只能相反，即只能有一只腳吸附，因此P1.0與P1.1信號(hào)的邏輯關(guān)系完全相反，符合機(jī)器人控制要求。由圖7可知，左吸附控制腳P1.0和右驅(qū)正向控制P1.2信號(hào)之間相差25 ms，同樣滿(mǎn)足邏輯控制和設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)微型機(jī)器人的原理和驅(qū)動(dòng)方法進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)的基于51單片機(jī)的步態(tài)控制程序滿(mǎn)足邏輯控制要求，得到在驅(qū)動(dòng)頻率為10 Hz時(shí)機(jī)器人各個(gè)驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈、吸附線(xiàn)圈的控制關(guān)系，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)靈活的速度調(diào)節(jié)控制、機(jī)器人無(wú)線(xiàn)控制程序的設(shè)計(jì)以及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

［1］芮延年.機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［2］劉京城.微小步行爬壁機(jī)器人驅(qū)動(dòng)與位置檢測(cè)技術(shù)及系統(tǒng)［D］.重慶:重慶大學(xué)，2003.

［3］萬(wàn)文略.單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，2004.

［4］彭偉.單片機(jī)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)100例:基于8051+Proteus仿真［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

［5］nRF24LE1 Product Specification v1.6［EB/OL］.［2010－08 － 10］.http://www.baidu.com/baidu?word=nRF24LE1+Product+Specification+v1.6＆ie=utf－8.

［6］戴棟，陳海秀，王?？?機(jī)器人控制器的二次開(kāi)發(fā)［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，26(7):50－54.

［7］蘇豪，薛方正.關(guān)節(jié)型機(jī)器人通用仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，26(6):82－88.