双足竞步机器人技术归纳报告

双足竞步机器人

技术总结报告

编制单位：侏罗纪工作室作者：侯兆栋

版本：V0.1

发布日期：2010-8-20 审核人：

批准人：

?引言

2010年中国机器人大赛已经结束，回顾整个比赛及赛前调试过程，我们遇到了很多问题，下面就将我们遇到的问题做一分析和总结，并提出改进方案，对我们以后的工作有所帮助。

?遇到的问题及原因分析

?机器人稳定性不好

机器人在走路的过程中不稳，比较晃。造成此问题的原因有两个：

1.机器人高度过高。

由于我们用成型的U型套件，套件高度是固定的，我们必须将腿做成一定的高度才能保证腰翻下去不压脚；下面两个套件决定了腰的高度，所以总体下来我们的机器人高度比较高，导致机器人重心比较高，平衡性不好，造成不稳定。

2.步态设计不合理。

在动作上需要6个舵机同时配合，要做到很协调，还是很有难度的，某个舵机的角度，速度都会对整个机器人的行走造成影响，这也是造成机器人走路不稳定的原因。

?舵机控制问题

舵机控制原理

控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。

电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源．电压通常介于4～6V，一般取5V。注意，给舵机供电电源应能提供足够的功率。

控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为20 ms(即频率为50 Hz)。当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。

?上电机器人乱动

问题在于上电程序初始化时，没有给出一个确定的值来产生一个确定的脉冲，脉冲给舵机后，舵机状态不定，就出现了乱动的现象。

?舵机抖动

在调试过程中，舵机出现抖舵的问题，主要原因有：

1、控制板供电电源电压不足

控制板供电电源电压不足，引起芯片电源电压不稳定，导致输出脉冲抖动，测得当供电电压降低到5V以下经过78M05稳压，再经过ASM1117稳压后，输出脉冲高电平电压再2.5V左右，是一不可靠的高电平，输入舵机控制电路后，输出的直流偏置电压不准确，导致舵机抖动。

2、脉冲精度不够

很多舵机的位置等级有1024个，如果舵机的有效角度范围为180度的话，其控制的角度精度是可以达到180/1024度，约0.18度，从时间上看其实要求的脉宽控制精度为2000/1024us，约2us。

此次为节省芯片资源，先将时钟进行一次分频，再拿分频产生的时钟来控制脉冲的时基计数器和步进计数器，这样，每个计数器的计数值变小，节省了一定的资源，但在控制精度上有所下降，控制板产生的脉冲精度为：脉冲时基计数值为：1600；步进计数值为：1或2；

则：

脉冲精度为1/1600 * 20 ms = 12.5 us

与舵机的要求精度相差很大，由于模拟舵机的无反应区比较大，当以较低

精度的脉冲来控制舵机时，在某个时刻舵机状态不定就会出现抖舵现象。?烧电路板

电路板原理图如下：

此原理图比较简单，没有什么原理性的东西，也没有做隔离和保护，电源模块有两路供电，一路经过开关后直接给舵机供电，另一路经过两级稳压输出3.3V电压，满足EPM1270的供电需求；复位是直接通过一电阻拉到地上，进行低电平复位；时钟模块是一有源晶振，接上电源后就可以起振；其他都是接口。

在调试过程中，有一段时间，老烧电路板，每次烧的都是CPLD芯片，从CPLD手册上查得：

芯片3.3V供电时，I/O口的单端输出电压为3.3V

3.3V供电时，输出高电平电流为16mA，输出低电平电流为8 mA;

由以上资料分析，烧板子的原因可能是：

1.电平不匹配。

CPLD输出电平电压为3.3V，而舵机需要的为TTL电平，由于外部再没有加驱动电路，这样CPLD的I/O端口驱动能力有限，当同时有几个舵机转时或者舵机转的角度比较大时负载过重，导致CPLD烧坏。

2.电流回流和尖峰脉冲

舵机中有一直流电机，当直流电机转的时候，自身也会产生电流，若多个舵机同时转，且转的角度比较大时，各舵机自身产生的电流汇集到一起应该是表较大的，若电流倒流入电路板，电路板可能因电流过大而烧坏；另一点就是尖峰脉冲，舵机在转的过程中若产生尖峰脉冲，倒灌入电路板也可能因电流过大而烧坏芯片。

这应该是此次电路板烧的主要原因。

3.电路板制作工艺

在刻PCB板时，板子阻焊做的不好，在焊接的过程中，容易在电路板上留下焊锡渣，如果掉入芯片两引脚之间，也可能引起短路，导致电路板烧坏。?解决方案

?机器人稳定性解决方案

?结构

对机器人整体结构应该在现有基础上加以改进，比如在机器人高度上，以及腰部；对于U型套件，自己做，用AutoCAD设计出机器人结构图、套件图，拿到机床去加工，这样能保证套件精度，和结构的合理性，将机器人结构对研

究带来的影响减到最小。

?步态设计

对机器人走路的步态进行更合理的设计，保证走路过程中的平稳。

?舵机控制解决方案

?上电乱动

在上电程序初始化时应该给舵机一个确定的脉冲，而且此状态持续时间应稍长，问题就会得到解决。

?舵机抖动

首先，保证电源电量充足，电压保持稳定，给芯片一个稳定的电压，保证输出脉冲的稳定性；其次，增加脉冲精度，即脉冲宽度的步进不要太大，这样既能精确的控制舵机，又能避免舵机的抖动；另外，可以在后端加一脉冲整形电路，可以滤除毛刺等脉冲。

?电路板解决方案

?电平不匹配问题。

对于此问题，可在后端加一电平转换芯片，增强驱动能力，保证I/O口有足够的能力来驱动舵机。

?电流回流和尖峰脉冲

方案一：加电容吸收

在舵机前端加一电容来吸收尖峰脉冲，但此方法经过实际验证不可行。加

电容后，从I/O口输出的脉冲被电容吸收了，舵机不转。

方案二：光电隔离 + 整形

为了防止干扰,舵机控制信号和驱动电路应光耦光电隔离, 将信号隔开，避免舵机转动对控制板的影响。

通过隔离出来的控制信号, 还必须经过整形以消除毛刺, 增加信号的稳定性, 提高信号的输出电流。整形可采用施密特触发器，施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路，它是具有滞后特性的数字传输门，且受电源限制，可对输入波形进行变换和整形；另外，还可以采用通过比较器整形的方法来消除毛刺比如用LM324，LM393等。

?电路板制作工艺

在今后做板的时候应该加强阻焊和助焊这两道工序，能保证焊接时不出现板子上有杂物而导致短路的情况；在板子焊好后，在引脚密集的芯片处采取一些措施，如涂上硅胶或者蜡，以防短路。

?总结

本文针对此次比赛中出现的问题，进行原因分析，并提出解决办法，为以后的研究提供一个参考。针对出现的问题，具体解决方案需在今后的研究中结合实际情况来确定。