機器人技術電路設計圖集錦

　　TOP1 危險品處理機器人控制電路設計

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/326690.htm

　　本文首先簡要介紹了危險品危險品處理機器人的作用，機械手的結構形式，著重從控制系統與硬體設計介紹了危險品處理機器人機械手控制系統的設計與實現。最後給出了測得的機械手的各項技術指標。危險品處理機器人是用於危險彈藥夾持、拔出、搬運和放置作業，並可攜帶和放置的裝置。該項目的完成將解決長期困擾我軍的事故炮彈、戰爭遺留彈等危險彈藥安全處理問題。機械手是危險品處理機器人操作過程中直接與彈藥接觸的重要部件，主要用於執行對危險彈藥的夾持、拆除、搬運和放置作業， 機械手工作的穩定性直接決定著彈藥處理的成功率，因此機械手的設計至關重要。

　　PWM 管腳：DSP 的每個事件管理器都有與比較單元相關的PWM 電路，能夠產生六路帶可編程死區和輸出極性的PWM 輸出，但是都是成對輸出的，對於本控制器需要的獨立的輸出，每個事件管理器只有3 路，一個DSP 有兩個事件管理器，可以獨立的輸出6 路PWM 波。液壓控制器需要6 路PWM 波驅動電業比例閥，而伺服電機控制器需要4 路0-5V 的加速器信號調節電機轉速，在設計電路時將這兩種電路設計在一起，並製成印刷電路板，焊板時按每板的功能焊接即可，液壓控制器需要輸出PWM 波形，晶片用LM393 做比較器，此時電阻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 電壓晶片用LM2904 做運放用，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

　　I\O 口：DSP 的數字I/O 口模塊具有控制專用I/O 和復用引腳的功能，可以輸出輸入高低電平信號，根據其功能將其設計成開關量輸出，輸入，並用其控制繼電器，作為控的開關。開關量輸入只要用電阻分壓即可，開關量輸出使用光耦隔離，本設計用的光耦PC817，比較適合DSP 使用。當DSP 輸出高電平時繼電器吸合，CNETA1 和CNETA2 兩腳導通繼電器電路圖見圖2：

　　

　　圖2 繼電器電路圖

　　QEP 電路：DSP 的每個時間管理器都有一個正交編碼器脈衝（QEP）電路。當QEP電路被使能時可以對CAP1/QEP1 和CAP2/QEP2（對於EVA 模塊）引腳上的正交編碼輸入脈衝進行解碼和計數。正交編碼脈衝電路可用於連接光電編碼器以獲得旋轉機械的位置和速率。伺服電機控制器需要使用QEP 電路，由於一個伺服電機控制器需要控制4 臺伺服電機，所以碼盤信號使用74153 晶片選擇輸入，同時碼盤的每路信號都有正負兩根線通過運放放大後再到74153 選擇後輸入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，XINT1/IOPA2 和XINT2/ADCSOC/IOPDO 構成選擇信號，74153 通過選擇信號的選擇碼選擇一對信號從7 腳和9 腳輸出給DSP。其他硬體電路設計包括電源、串口、CAN 總線和DSP 外圍接線等都是典型的設計。整個機器人車設計經過安裝調試，機械手完全符合設計要求，達到如下技術指標：最大作業幅度約2.5m；最大作業深度：地下1m；最大作業幅度下夾持提升力≤80kg；最大夾持彈藥直徑160mm；目前國內還沒有這種專業的處理危險品的機器人批量生產，本產品的成功完成為將來的批量生產奠定了堅實的基礎，市場潛力巨大。

　　接力競賽機器人系統電路設計

　　接力機器人機械部分採用遙控汽車，造型時尚，色彩華麗，車上裝配的火炬有「2008奧運」標誌，內部七彩電子火焰舞動閃爍，令人賞心悅目。比賽開始，人工啟動第一輛機器人小車，車上火炬同時點亮，當遇到下一輛機器人小車時，下一輛機器人小車火炬自動點亮並啟動前進。為了渲染效果，在終點，還設計了豔麗鮮花構成的凱旋門，當機器人小車勝利到達終點凱旋門時，電路自動觸發燃放焰火，聲光相伴，具有很強的視覺衝擊力

　　電路原理：一片電機驅動電路L293D、一個紅外光電開關TCRT5000和一個電阻R2四樣東西就構成了具有循跡功能的最簡約的機器人。TCRT5000由一對相 「互隔開的紅外發射和接收二極體構成，TCRT5000朝下安裝在機器人小車底盤上。其中的發射二極體向地面發射紅外線，接收二極體接收從地面反射的紅外線。機器人使用了ATMAGE8單片機內部集成的模數轉換功能，不同顏色的地面反射紅外線的情況不同，因而接收二極體接收到的紅外線信號強度也就不同，通過ATMAGE8單片機進行模數轉換。

　　

　　不同的紅外線信號強度轉換成不同的數值。據此就能識別地面的線跡，程序再通過電機驅動電路L293D控制車輪運動實現自動循跡。幹簧管GHG是用來實現接力的，每輛車前端裝磁鐵，尾端裝幹簧管，後車靠近前車時，後車前端的磁鐵作用於前車後端的幹簧管，就傳遞了接力信號。紅外發射二極體D3和紅外接收二極體D4是用來配合機器人在完成接力後實現停車功能的。每輛車前端安裝紅外接收二極體D4，尾端安裝紅外發射二極體D3。當磁鐵作用於幹簧管，傳遞了接力信號後，前車通過後端的紅外發射二極體D3發射紅外線，後車通過前端的紅外接收二極體D4接收到紅外線後就停止前進。

　　TOP2 循線機器人小車系統電路模塊設計

　　首先循線機器人小車可以通過捕獲紅外傳感器獲取的信號來引導小車沿著地面上的線條前進。從紅外傳感器獲取的信息經過信號放大，送入51單片機，單片機依據邏輯判斷決定小車左右兩側電機的轉速。單片機通過PWM技術來調控左右兩側直流減速電機的轉速，當左右兩側轉速相同時，小車進行直線行駛；當左側電機轉速大於右側電機轉速時，小車進行右轉彎，反之小車進行左轉彎。小車採用雙電源供電，即控制部分採用5V直流電供電，而電機部分採用12V直流電供電。因為考慮到電機功率不是很大，因此沒有採用光電隔離處理。

　　小車5V電源部分電路設計原理圖如下：

　　

　　在設計中我原規劃使小車即可以通過USB供電，又可以通過充電電池組供電，具體選擇哪種供電方式通過S1開關進行切換。由於USB供電電源是標準的5V 直流電源，因此就省去了穩壓電路。而在通過電池組供電的電路中，當S2開關閉合時，電池組提供的電壓經過U2的穩壓再介入系統當中。U2我才有的是 LM2940CT-5.0，它可以將輸出電壓穩定在5V輸出，輸出電流最大可以達到1.25A。在電路中加入D9的發光二極體用於指示是否通電，在D9前串入一個1K歐的電阻R1用於限流。

　　小車12V直流電源供電部分電路設計原理圖：

　　

　　這部分電路設計同5V電源部分，只是U5部分換成了LM2940CT-12的晶片，此晶片輸出電壓為12V。

　　下面介紹一下小車動力部分的電路設計原理圖：

　　

　　小車採用4輪驅動，左右各2個12V直流減速電機，通過L298N來進行驅動。L298N的輸入分別接STC89C52RC單片機的P1.4、 P1.5、 P1.6、P1.7口。當P1.4、P1.5同時為高電平或者低電平時電機B1、B3停轉，即小車左側車輪停轉；當P1.4輸出高電平，P1.5輸出低電平時，B1、B3正轉；當P1.4輸出低電平，P1.5輸出高電平時，B1、B3反轉；當P1.6、P1.7同時為高電平或者低電平時電機B2、B4停轉，即小車右側車輪停轉；當P1.6輸出高電平，P1.7輸出低電平時，B2、B4正轉；當P1.6輸出低電平，P1.7輸出高電平時，B2、B4反轉；各電機轉速的控制通過PWM技術實現。

　　小車的循線部分電路原理圖：

　　

　　小車採用紅外發射對管RPR-220來探測地面線條，RPR-220採集到的信號送LM393進行放大，然後送入單片機STC89C52RC的P1.2和P1.3口。原理圖中R13、R14是用於調諧紅外發射對管採集信號的靈敏度的。

　　最後是小車大腦部分的電路原理圖：

　　

　　

　　圖中繪製了STC89C52RC的復位電路和晶振部分電路

　　循線機器人小車比較簡單，不比雙足機器人有眾多活動部件的控制和設計，循線小車活動部件就只是驅動小車的車輪，控制左右車輪的轉速來控制小車前進方向是直行，還是左轉彎，或者右轉彎，因此可以看出整個控制系統簡單。通過簡單的循線機器人小車的設計，掌握對電機驅動、傳感器信號採集、電源供應、焊接技術、設備採購、系統總體規劃等部分有個感性的認識，因為這些部分是將來所有機器人設計中不可迴避的基本部分。

　　TOP3 智能滅火機器人硬體電路的設計

為實現機器人高速精確地按照規定路逕行走，要求機器人的CPU能夠實時迅速地讀取多個傳感器埠數值，並在較短的時間內完成對各埠數值的存儲、運算和輸出等多種任務。由於嵌入式微處理器對實時任務具有很強的支持能力，能夠完成多任務並且具有較短的中斷響應，因此在設計過程中選用以嵌入式微處理器ARM9為核心的控制器，其內部採用哈佛結構，每秒可執行一億一千萬條機器指令。本設計還設置了 4路PWM控制信號輸出埠，用以驅動4路大功率直流電機，實現對轉速的精確調節；此外，還設置了7路Do數字輸出埠，用以驅動伺服電機、蜂鳴器、繼電器、發光二極體等。為了給龐大和複雜的程序提供更多的執行空間，本設計附加設置了100 KB的數據存儲器（RAM）和512 KB的程序存儲器（Fl