机器人微型电机驱动器的设计与实现
微小型跳跃机器人：仿生原理，设计方法与驱动技术
第２１卷第１２期２０２３年１２月动力学与控制学报J O U R N A L O FD Y N AM I C SA N DC O N T R O LV o l ．２１N o ．１２D e c ．２０２３文章编号:１６７２Ｇ６５５３Ｇ２０２３Ｇ２１(１２)Ｇ０３７Ｇ０１６D O I :１０．６０５２/１６７２Ｇ６５５３Ｇ２０２３Ｇ１３３㊀２０２２Ｇ０５Ｇ１５收到第１稿,２０２２Ｇ０９Ｇ１８收到修改稿．∗国家自然科学基金资助项目(５２０７５４１１,５２３０５０３４),N a t i o n a lN a t u r a l S c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a (５２０７５４１１,５２３０５０３４)．†通信作者E Ｇm a i l :l i b o x j t u ＠x jt u ．e d u ．c n 微小型跳跃机器人:仿生原理,设计方法与驱动技术∗吴业辉１,２㊀刘梦凡１,２㊀白瑞玉１,２㊀李博１,２†㊀陈贵敏１,２(１．西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,西安㊀７１００４９)(２．西安交通大学陕西省智能机器人重点实验室,西安㊀７１００４９)摘要㊀高爆发性的跳跃是生物亿万年进化演变中赖以生存的关键之一,帮助生物实现在各种非结构化环境下的灵活运动功能．通过对生物跳跃机制的深入理解,微小型跳跃机器人在功能及性能上取得长足进步．本文以生物跳跃运动四个阶段(准备㊁起跳㊁腾空和着陆)为主线,剖析了生物的行为原理,介绍了对应的微小型跳跃机器人的动力学特征与技术,归纳了现有研究的挑战,最后讨论了跳跃机器人的未来发展趋势和潜在研究价值．关键词㊀跳跃机器人,㊀生物跳跃机制,㊀仿生中图分类号:T P ２４２文献标志码:AAR e v i e wo f S m a l l ＧS c a l e J u m p i n g Ro b o t s :B i o ＧM i m e t i cM e c h a n i s m ,M e c h a n i c a lD e s i gna n dA c t u a t i o n ∗W uY e h u i １,２㊀L i u M e n g f a n １,２㊀B a iR u i yu １,２㊀L i B o １,２†㊀C h e nG u i m i n １,２(１．S t a t eK e y L a b o r a t o r y o fM a n u f a c t u r i n g S y s t e m E n g i n e e r i n g ,X i a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y ,X i a n ㊀７１００４９,C h i n a )(２．S h a a n x i P r o v i n c eK e y L a b o r a t o r y f o r I n t e l l i g e n tR o b o t s ,X i a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y,X i a n ㊀７１００４９,C h i n a )A b s t r a c t ㊀H i g h l y e x p l o s i v e j u m p i n g i s o n e o f t h e s u r v i v a l k e y s t o t h e o r ga n i s me v o l u t i o no v e r t h e c o u r s e o fb i l l i o n s o f y e a r s ．T h i sm o v e m e n t h e l p s o r ga n i s m s t oa c h i e v e f l e x ib l em o v e m e n t f u nc t i o n su nde rv a r i Ｇo u s u n s t r u c t u r e d c o n d i t i o n s ．T h r o u g ha n i n Ｇd e p t hu n d e r s t a n d i n g o fb i o l o g i c a l j u m p i n g me c h a n i s m ,t h e s m a l l Ｇs c a l e j u m p i n g r o b o t h a sm a d e g r e a t p r o g r e s s i nf u n c t i o na n d p e r f o r m a n c e ．T a k i ng th e f o u r s t a ge s of b i o l og i c a l j u m p i n g m o v e m e n t (p r e p a r a t i o n f o r t a k e Ｇo f f ,t a k e Ｇo f f ,f l i gh t a n d l a n di n g)a s t h em a i n l i n e ,t h i s p a p e r r e v i e w s t h e b e h a v i o r a l p r i n c i p l e o f o r g a n i s m s ,i n t r o d u c e s t h e d yn a m i c c h a r a c t e r i s t i c s a n d t e c h Ｇn o l o g y o f t h e c o r r e s p o n d i n g s m a l l Ｇs c a l e j u m p i n g r o b o t s ,s u mm a r i z e s t h e c h a l l e n g e s o f e x i s t i n g r e s e a r c h ,a n d f i n a l l y d i s c u s s e s t h e f u t u r e d e v e l o p m e n t a n d p o t e n t i a l o f j u m p i n g r o b o t s ．K e y wo r d s ㊀s m a l l Ｇs c a l e j u m p i n g r o b o t s ,㊀b i o l o g i c a l j u m p i n g m e c h a n i s m ,㊀b i o n i c 引言随着现代社会中机器人作业任务难度的提高,机器人在运动模式上也进入了全面发展的阶段,已经形成足式[１]㊁轮式[２]㊁蠕动式[３Ｇ５]㊁翻滚式[６,７]等多元化的研究体系,在生产协作㊁社会服务㊁医疗康复等场景下发挥着越来越重要的作用．但是一些非结构化的场景如星球探索㊁抢险救灾㊁环境监测,对机动㊀力㊀学㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报２０２３年第２１卷器人的运动性能提出了更高的要求．机器人需要以更小的体积适应狭小空间环境,快速翻越数倍于自身尺寸的障碍,还需要携带一定负载来完成通讯㊁检测㊁运输等功能,因此机器人在小体积㊁大负载㊁高能量密度㊁高爆发性㊁高灵活性等功能的发展有待提升．作为生物界一种独特的运动模式,跳跃运动在蝗虫[８,９]㊁跳蚤[１０,１１]等昆虫中经历了万亿年的演变,可与奔跑㊁飞行㊁游泳等运动模式相结合,帮助动物以极快的速度逃避天敌㊁捕食猎物,增强了生物的越障能力,使其更好的适应丛林㊁山地等复杂多变的地形．为了探寻生物产生爆发性跳跃运动的原因,科学家对各类具有出色跳跃性能的生物进行研究,发现生物体内弹性储能与闩锁结构的组合是解决微小型动物在爆发驱动中功率受限的关键[１２]．像沫蝉(F r o g h o p p e r s)[１３Ｇ１５]㊁跳蚤(F l e a s)[１０,１１]㊁叩头虫(C l i c kb e e t l e s)[１６Ｇ１８]㊁蝗虫(G r a s s h o p p e r s或L oＧc u s t s)[８,９]㊁弹尾虫(S p r i n g t a i l s)[１９Ｇ２１]等节肢动物,通过弹性蛋白㊁角质层等进行储能,利用身体中闩锁机构控制能量的锁定和释放,能够完成其自身尺寸的几十倍甚至上百倍的跳跃运动;青蛙(F r o g s)[２２,２３]等生物虽然没有特定的闩锁机构,但是具有可变的有效机械效益(E MA,E f f e c t i v em eＧc h a n i c a l a d v a n t a g e)的腿部,利用腿部肌肉所串联的肌腱进行功率放大,增强了自身的跳跃性能．根据仿生学原理,以微小型生物跳跃机理为灵感的跳跃机器人近些年得到了快速发展,其跳跃性能取得长足进步．到目前为止,机器人可实现单次约３３m的跳跃高度[２４],是其自身特征尺寸的百倍以上,也可以实现像夜猴一般敏捷的连续跳跃[２５];不仅能像蝗虫一般在路上跳跃,也如水黾一般从水面跳跃[２６],甚至有望实现在半空中跳跃[２７]．现如今,跳跃机器人的研究向集成化㊁多功能方向发展,在对大自然的学习中获得了各类生物跳跃相关的各类技能,逐步实现对生物的超越．综合考虑机器人的灵活性与负载能力,本文将集中讨论微小型的跳跃机器人(特征尺寸在３０厘米以内),从跳跃运动的起跳㊁腾空㊁着陆㊁准备四个基本阶段[２８]出发,对微小型生物跳跃及相关行为的机理进行综述,分析不同生物在储能与释放㊁腾空姿态㊁着陆缓冲㊁方向调整等方面的优势;在此基础上,对比现有的跳跃机器人各阶段功能的实现方式,结合生物特点分析仿生跳跃机器人的未来发展趋势以及面临的挑战,为其实现广泛应用提供设计参考．１㊀微小型动物的跳跃运动原理同其他具有跳跃功能的物种一样,微小型生物的跳跃行为可按照运动的状态的不同分为四个阶段,包括跳跃前的准备阶段㊁加速起跳阶段㊁腾空滑行阶段和落地缓冲阶段,如图１所示．在各个阶段,不同的生物根据自身生存条件的不同,进化出与各自所处环境相适应的跳跃特点,而受生物启发的跳跃机器人正是基于这些特点在高爆发㊁高集成㊁高灵活性等方面实现突破．图１㊀跳跃运动的四个阶段F i g．１㊀T h e f o u r p h a s e s o f a j u m p i n g m o t i o n １．１㊀起跳阶段在起跳阶段,生物体从肌肉㊁弹性元件等驱动单元内获得能量,完成从静止状态至脱离地面的加速运动过程．在驱动方式方面,微小型生物由于四肢短小且无法形成高主动应变率的肌肉[２９],因此多以机械储能的方式增大起跳功率,同时与闩锁结构的控制相配合,完成能量在短时间内的可控释放．此方式尤其体现在主要依靠弹性储能产生跳跃的生物中,如叩头虫[１６Ｇ１８]利用骨骼结构之间物理接触的作为闩锁来锁定弹性能[如图２(a)所示],该类型被称为接触式闩锁[３０];瘿蚊幼虫(t h e M e d iＧt e r r a n e a n f r u i tＧf l y l a r v a)[３１,３２]利用首尾钩状结构或微纳结构等摩擦接触将身体连接成环状,从而限制自身的形变,进而通过肌肉挤压内部液体来储存跳跃所需的弹性能[图２(b)];跳蚤[１０,１１,３３]㊁蝗虫[８,９]㊁沫蝉[１３Ｇ１５]等生物则利用跳跃机构的几何构型作为闩锁,而并非通过接触的方式实现弹性能量存储[图２(c)],该类型也被称为几何式闩锁．青蛙[２２,２３]㊁蟋蟀(C r i c k e t s)[３４]等生物由于具有较长的后肢而具有较长的驱动行程,而可以通过肌肉直接驱动的方式获得优异的跳跃性能．但是由于８３第１２期吴业辉等:微小型跳跃机器人:仿生原理,设计方法与驱动技术肌腱与肌肉的串联,青蛙同时也借助弹性元件来增强跳跃的驱动功率,其运动过程中同样存在几何闩锁[１２],锁定效果可通过 有效机械效益 (E MA)来衡量．对于跳跃运动而言,E MA是地面对生物的支反力(G R F)和肌肉驱动力(F)的比值(E MA＝G R F/F),可以表示串联弹性系统中肌肉所做的功流向弹性储能的大小,如图２(d)所示．E MA较小表示肌肉做功转化为串联弹性元件中储能,而不是直接驱动肢体加速跳跃;反之,表示肌肉做功大部分用于直接驱动,而非利用弹性元件储能．因此,如果E MA可以随肌肉收缩产生 阶跃 式的由小增大过程,则可以将其视为具有动力学 闩锁 ,前期储存的机械能也将在高E MA水平期间释放,从而达到增强跳跃瞬间功率的目的．此外,同样采取直接驱动方式的跳蛛(J u m pＧi n g s p i d e r s)[３５Ｇ３９]可以利用肌肉驱动 液压 关节完成腿部的快速伸展,从而完成跳跃运动[图２(e)],为跳跃运动的驱动实现提供了新的灵感[４０]．图２㊀起跳阶段生物行为与机理．a．叩头虫利用骨骼作为接触式闩锁储能[１６Ｇ１８];b．瘿蚊幼虫利用嘴钩作为闩锁而锁定自身形状[３１,３２]; c．跳蚤采用几何式闩锁(扭矩反转机构)锁定机械能[１０,１１,３３];d．青蛙利用串联弹性元件增大跳跃功率[２２,２３];e．蜘蛛采用液压直驱的方式跳跃[３５Ｇ３９] F i g．２㊀B i o l o g i c a l b e h a v i o r a n dm e c h a n i s m s d u r i n g t a k e o f f．a．C l i c k b e e t l eu s e s s k e l e t o na s c o n t a c t l a t c h t o s t o r e e n e r g y[１６Ｇ１８]; b．T h eM e d i t e r r a n e a n f r u i tＧf l y l a r v a s u s em o u t hh o o k s a s l a t c h e s t o l o c kb o d y s h a p e[３１,３２];c．F l e a s u s e g e o m e t r i c l a t c h(t o r q u er e v e r s a lm e c h a n i s m)t o s t o r em e c h a n i c a l e n e r g y[１０,１１,３３]; d．F r o g s u s e s e r i e s e l a s t i c e l e m e n t s t o i n c r e a s e j u m p i n g p o w e r[２２,２３];e．S p i d e r s j u m p i n g d r i v e nb y h y d r a u l i c f o r c e[３５Ｇ３９]１．２㊀腾空阶段在腾空阶段,生物体完成受空气阻力和自重影响下的斜抛运动,直至其身体与地面接触．许多生物虽然拥有相对自身尺寸数十倍的跳跃能力,但是在腾空之后不具备姿态调整功能,因此无法控制滑行时的轨迹和着陆时的姿态．在半空中姿态重新定位被称为适应性行为矫正,分为被动方式和主动方式[４１]．被动方式如豌豆蚜虫(A c y r t h o s i p h o n p iＧs u m)在高空坠落过程中不需要来自神经系统的动态控制或持续反馈,只是通过空气动力学稳定的姿势来被动地纠正自己[４２];其他跳跃生物则通过翅膀[４３]㊁肢体[２１]㊁尾巴[４４]等部位主动调整身体姿态．相对而言,被动方式需要的控制单元少,但是对环境依赖程度更高,而主动方式则更多见．为了适应不同的着陆角度,跳甲(F l e ab e t t l e s)根据所感知到的着陆点角度等信息,通过翅膀的主动运动来调整自身姿态,有效提高正面着陆的概率(如图３(a)所示),同时却并不影响其跳跃的高度．白粉虱(W h i t e f l i e s)[４３]也采取相同的策略,仅仅通过翅膀的伸展即可完成空中的稳定飞行,以防止翻筋斗,如图３(b)所示．图３㊀腾空阶段生物行为与机理．a．跳甲利用翅膀调整腾空姿态[４１];b．白粉虱利用翅膀防止翻筋斗[４３];c．弹尾虫利用腹管和 U 型姿势调整腾空状态[２１]F i g．３㊀B i o l o g i c a l b e h a v i o r a n dm e c h a n i s m s d u r i n g f l i g h t．a．F l e ab e t t l e s a d j u s t a e r i a l p o s t u r ew i t hw i n g s[４１]; b．W h i t e f l i e s p r e v e n t s o m e r s a u l t sw i t hw i n g s[４３];c．S p r i n g t a i l a d j u s t a i r b o r n e s t a t e sw i t h c o l l o p h o r e a n d＂U＂s h a p eb o d y[２１]除了以上具有飞行能力的生物,半水生的弹尾虫[２１]虽然没有翅膀却同样可以实现姿态矫正的功能．弹尾虫在起跳之前将腹部紧贴水面,通过具有亲水性的腹管收集水滴来改变自身的质量分布,在起跳之后将整个身体弯曲成U型,这两种行为都有助于矫正倾斜的姿态,并且避免了着陆前的翻转,如图３(c)所示．１．３㊀着陆阶段在着陆阶段,生物体依靠阻尼损耗㊁弹性储能９３动㊀力㊀学㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报２０２３年第２１卷等方式把自身的运动减速至静止状态．跳跃生物的缓冲方式也分为主动型和被动型,包括利用空气阻力的滑翔运动㊁变角度着陆足㊁吸收冲击的保护壳㊁变刚度肢体等．如生活在热带雨林中的飞蛙(G l iＧd i n g f r o g s)[４５,４６],依靠宽大的脚掌和趾间的蹼膜完成滑翔运动,并且具有较强的被动空气动力学稳定性,可以从树干高处快速降落来捕捉猎物或逃避天敌．滑翔运动有效改变着陆时的速度方向并通过较大的空气阻力降低速度大小,从而明显降低着陆时对地的冲击速度[４７],如图４(a)所示．无论是否具有滑翔功能,青蛙均利用前肢进行主动着陆缓冲,前肢接触地面并形成一个支点,身体围绕这个支点旋转,直至完成后肢落地[４８]．在着陆过程中,青蛙根据跳跃高度㊁水平速度的不同调整前肢的着陆角度,从而获得最小的冲击,如图４(b)所示．图４㊀着陆阶段生物行为与机理．a．飞蛙利用脚蹼实现滑翔运动[４５Ｇ４７]; b．青蛙前肢着陆过程中最小冲击角度调整[４８];c．瓢虫利用相互耦合的鞘翅进行缓冲,耦合面形状如图中红蓝曲线所示[４９]F i g．４㊀B i o l o g i c a l b e h a v i o r a n dm e c h a n i s m s d u r i n g f l i g h t．a．F r o g s g l i d i n g w i t h f l i p p e r s[４５Ｇ４７];b．A d j u s t i n g o f f r o g f o r e l i m ba n g l e f o r m i n i m u mi m p a c t d u r i n g l a n d i n g[４８];c．E l y t r a c o u p l i n g o f l a d y b i d s f o r b u f f e r i n g,a n d t h e s h a p e o f t h e c o u p l e d s u r f a c e i sh i g h l i g h t e di n t h e r e da n db l u e c u r v e s[４９]瓢虫(L a d y b i r d s)㊁甲虫等昆虫大多利用壳体减小冲击对自身的冲击,其中瓢虫除了采用由甲壳素微纤维和蛋白质组成的具有空腔的壳体来吸收能量,还利用成一定角度㊁相互耦合的翅鞘增强缓冲功能,以提供更多的能量吸收并减少碰撞后的反弹[４９],如图４(c)所示．如１．１节所述的瘿蚊幼虫,依靠柔软的身体进行储能跳跃的同时,也能利用身体足够柔软的特点吸收着陆冲击,使其无需采用专用的缓冲结构．与有足动物类似,相较于起跳阶段肌肉运动产生的高刚度,着陆时其身体刚度显然有所降低,有利于增大着陆冲击力的作用时间,从而降低冲击力的大小．１．４㊀准备阶段在准备阶段,生物体完成姿态恢复㊁跳跃能量储备㊁跳跃目标位置确定㊁跳跃方向和角度调整等工作．对于利用双足来进行跳跃的生物而言,其跳跃方向大多朝自身的正前方,依靠双足的同步运动来完成．像伊苏斯飞虱(I s s u s c o l e o p t r a t u s)在幼虫阶段时,由于其起跳所用时长为毫秒级,而神经信号同样为毫秒级,因此在双腿同步性控制方面具有很大难度．为了保证跳跃方向准确性,避免跳跃之后身体旋转和方向偏离,伊苏斯虫利用带有齿轮状的肢体保证了起跳时双腿的同步性[５０],如图５(a)所示．为了从倾倒之后的 四脚朝天 姿态中恢复,常见的昆虫如蟑螂(C o c k r o a c h e s)㊁瓢虫等均可根据不同的地形,利用鞘翅㊁腿足的配合可以通过不同的策略完成翻身运动．其中,蟑螂可以采取腹部弯曲侧滚㊁鞘翅翻滚㊁腿部侧滚等策略[５１,５２],如图５(b１)~(b３)所示．相较于蟑螂,瓢虫[５３]的腿部较短,在粗糙表面多依靠足部勾住隆起物而翻转扶正,在光滑表面则依靠鞘翅来辅助翻滚．图５㊀准备阶段生物行为与机理．a．伊苏斯虫利用齿轮状肢体保证了双腿起跳同步性[５０];b．蟑螂利用腹部㊁鞘翅和腿部实现翻身[５１,５２];c．弹尾虫通过不同初始角度调整跳高㊁跳远两种模式[２１]F i g．５㊀B i o l o g i c a l b e h a v i o r a n dm e c h a n i s m s d u r i n g p r e p a r a t i o n o f t a k e o f f．a．I s u s i a e n s u r i n g t h e s y n c h r o n i z a t i o no f b o t h l e g s i n j u m p i n g w i t h g e a r e d l i m b s[５０]．b．C o c k r o a c h e s t u r n i n g o v e r b y a b d o m e n, e l y t r a a n d l e g s[５１,５２];c．S p r i n g t a i l s w i t c h e s b e t w e e n j u m p a n dl o n g j u m p m o d eb y a d j u s t i n g d i f f e r e n t i n i t i a l a n g l e s[２１]０４第１２期吴业辉等:微小型跳跃机器人:仿生原理,设计方法与驱动技术在跳跃角度控制方面,青蛙等常利用腿部不同关节的协调运动来实现[５４,５５]．对于半水生的弹尾虫而言,除了利用跳跃尾部的不同作用力,还可以通过调整跳跃前的初始角度并利用腹管的亲水性,实现跳高㊁跳远两种模式的切换[２１],如图５(c１)和图５(c２)所示．２㊀跳跃机器人的设计与驱动方法从上世纪八十年代开始,结合对跳跃生物能量存储机制等问题的研究,科学家们开始致力于跳跃机器人的研究[５６],各类仿生跳跃机器人不断涌现并逐渐成为热点[２４Ｇ２６,５７]．２．１㊀跳跃机器人储能结构与能量调控类比于生物所采用的弹性蛋白㊁角质层㊁肌腱㊁体液等储能元件,跳跃机器人多采用人造弹性元件,包括螺旋弹簧㊁扭簧㊁形状记忆合金弹簧㊁柔性梁㊁弹性绳等,不同类型的弹性元件具有不同的储能密度和变形形式,其特点直接影响机器人的跳跃能力和运动形式．L a m b r e c h t等人设计了一种仿蟑螂轮腿式机器人[５８,５９],该机器人利用差齿齿轮旋转拉伸螺旋弹簧而实现能量的加载和释放,当作用齿轮达到差齿位置时,平行四连杆跳跃机构随弹簧释放而弹出,推动机器人产生向前的跳跃,而 Y 形三脚架模拟昆虫足部来实现爬行和小型障碍的跨越,如图６(a)所示．由于集成跑㊁跳运动模式,其质量达到１９０克,因此跳跃能力只能达到１８厘米,如图６(b)所示．图６㊀M i n iＧW h e g s机器人[５８,５９]F i g．６㊀R o b o tM i n iＧW h e g s[５８,５９]Y a m a d a等人利用细长悬臂梁在末端压弯载荷下屈曲失稳现象设计了一种跳跃机器人,定义为 封闭式弹性弹射器 [６０,６１],如图７(a)所示．该机器人采用柔性梁的屈曲进行储能并可在末端旋转电机的带动下实现能量可控释放,既可以利用单电机实现二阶屈曲到一阶屈曲的能量释放,也可以采用对称布置的双电机实现三阶屈曲到一阶屈曲的能量释放,达到一定跳跃方向改变．储能和释放结构的集成使其结构简单,梁的形状及其两端角度变化对释放能量的大小和快慢起决定性的影响,梁变形过程如图７(b)所示．该机器人在单电机驱动下可跳跃２０厘米高㊁７０厘米远．图７㊀封闭弹性弹射机器人[６０,６１]F i g．７㊀A j u m p i n g r o b o t b a s e do n t h e c l o s e d e l a s t i c a[６０,６１]J u n g等人提出一种仿甲虫爬跳结合的机器人J u m p R o A C H[６２],如图８(a)所示．通过对线弹簧和扭簧的组合,机器人储能元件力位移特性近乎于恒力机构,最大程度的利用电机的负载能力从而扩大了其储能能量,如图８(b)所示．机器人通过电机卷绳方式加载,采用行星轮系作为能量锁定和释放机构,能够起到控制能量加载大小的作用．除此之外,该机器人结合了跳跃和爬行两种运动模式,具备完整的重复跳跃能力．在测试中,无爬行部分的机构可以实现２．７５米的跳跃,而结合爬行和复位壳体部分之后体重增加一倍,仍然能实现１．５米高的跳跃,越障过程如图８(c)所示．图８㊀J u m p R o A C H跳跃机器人[６２]F i g．８㊀R o b o t J u m p R o A C H[６２]在此基础上,H a w k s等人利用柔性梁和线弹簧的组合方式达到了类似的恒力效果,在不超过电机最大功率条件下,牺牲加载速度而能够以最大恒力进行弹性能量加载,如图９(a)所示．根据其理论,弹簧－连杆质量比越大的机器人其最终能量密度越高,因此以柔性梁作为弹簧和腿部的集成,可以很大程度增加跳跃高度;借助A s h b y图[６３]对材料１４动㊀力㊀学㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报２０２３年第２１卷进行优化,选择碳纤维复合材料和乳胶组合构成储能元件,最终使重量３０．４克的机器人[图９(b)]实现了３２．９米的跳跃高度,这也是目前最高的机器人绝对跳跃高度[２４]．图９㊀目前跳得最高的机器人[２４]F i g．９㊀T h eh i g h e s t j u m p i n g r o b o t s o f a r[２４]除了储能大小和变形方式上的差异,不同的储能元件在跳跃运动中其动力学模型复杂度也不同,如通过柔性梁的大变形进行储能的模式比线性弹簧结合刚性连杆的方式更为复杂．起跳过程的动力学分析主要用于预测机器人起跳速度和高度,因此对于难以建立动力学模型的间歇型跳跃机器人(落地后无需立即起跳)一般直接利用弹簧的弹性变形能来估计跳跃高度;对于连续型跳跃机器人由于涉及到机器人的姿态㊁方向等控制,触地瞬间至起跳离地过程的动力学模型更为关键．２．２㊀跳跃机器人闩锁结构与能量动态释放在依靠弹性储能进行跳跃的机器人中,闩锁机构控制能量的释放过程,不同的结构不仅影响能量的存储量,而且对释放过程的动力学特征(势能转化为动能的时间㊁空间和速率等)起到决定性作用[１２]．闩锁结构除了前文所述的接触式㊁几何式闩锁,还包括流体式锁闩[６４],其中流体式闩锁是指由系统内流体的运动和性质(包括凝聚力㊁聚结性和压力)对弹性元件进行调节;而接触式闩锁是指通过摩擦和机械限位的作用来阻挡弹性元件运动[３０],如图１０(a)所示;几何式闩锁则是基于几何构型㊁力㊁力矩臂㊁质心位置等的状态相关行为的锁闩,包括像青蛙㊁夜猴等体内的可变机械效益机构[６５][图１０(b)]㊁跳蚤体内的扭矩反转机构[６６][图１０(c)]㊁失稳突跳机构和其他具有双稳态特点的系统[６７Ｇ７１][图１０(d)]．K o v a c等人设计的 ７g 的跳跃机器人如图１１所示,采用凸轮和扭簧作为释放和储能机构,其跳跃高度由凸轮的形状和弹簧刚度所决定,跳跃方向与凸轮形状和腿部尺寸相关,一旦装配完成则无法调整,其运动灵活性因此受到一定限制．约５厘米高的机器人可以跳跃自身高度的２７倍,达到１．４米[７２],如图１１(b)所示;携带３克负载后跳跃高度仍能达到１米,如图１１(c)所示．图１０㊀常见的闩锁结构．a．接触式闩锁简化模型[３０];b．青蛙等生物体内的可变机械效益结构[６５]; c．跳蚤体内的扭矩反转机构[６６];d．屈曲梁双稳态机构[６７Ｇ７１] F i g．１０㊀C o mm o n l a t c h s t r u c t u r e s．a．S i m p l i f i e dm o d e l o f c o n t a c t l a t c h[３０];b．V a r i a b l em e c h a n i c a l a d v a n t a g e s t r u c t u r e i n f r o g s a n d o t h e r o r g a n i s m s[６５];c．T o r q u e r e v e r s a lm e c h a n i s mi n f l e a s[６６]; d．B i s t a b l em e c h a n i s ma n d e n e r g y c u r v e o f b u c k l i n g b e a m[６７Ｇ７１]图１１㊀ ７g 机器人[７２]F i g．１１㊀R o b o t ７g [７２]Z a i t s e v等人模拟蝗虫跳跃过程设计了一种仿蝗虫跳跃机器人[７３,７４],如图１２(a)所示．通过单个电机的正反转,利用丝杠螺母在轴向运动以及绳在卷２４第１２期吴业辉等:微小型跳跃机器人:仿生原理,设计方法与驱动技术轴上的卷绕运动,巧妙的实现了锁扣作用下能量加载和释放的循环,如图１２(b )中(ⅰ)~(ⅵ)所示．显然,这种机器人跳跃的实现十分依赖于对绳长㊁螺母移动距离㊁锁钩和足部杆几何关系等进行精确设计和装配．同样,该机器人无法进行跳跃角度㊁高度的调整,且两条绳子无约束地释放可能会造成打结㊁干涉等不稳定现象．该机器人实现了２５倍自身体长的跳跃,达到３．３５米的高度．图１２㊀仿蝗虫机器人[７３,７４]F i g ．１２㊀L o c u s t Ｇi n s pi r e d r o b o t [７３,７４]图１３㊀高度可调的仿生跳跃机器人[７５]F i g ．１３㊀B i o n i c j u m p i n g r o b o tw i t ha d j u s t a b l eh e i gh t [７５]M a 等人提出一种综合软体动物㊁硬壳跳虫弹跳机理的跳跃机器人[７５],如图１３(a)所示．该机器人采用屈曲镍钛合金板和扭簧作为储能元件,释放机构采用了与J u m p R o A C H 机器人(图８)相似的行星轮系结构,并加入了单向轴承来加强能量释放过程的稳定性,如图１３(c )中右图所示．当电机沿顺时针方向正转时,动力经三个齿轮传递至卷绳齿轮轴,通过卷绕刚性绳拉动机构变形进行储能,整个过程单向轴承处于内外圈滑动状态而不产生阻力;相反,当电机沿逆时针方向反转时,单向轴承锁紧并使行星架与卷绳齿轮轴脱开,卷绳瞬间释放．由于加载量随电机正转圈数而定,因此机器人具备跳跃高度可调的特点．该机器人可以在无壳体状态下达到最高１．５１米的跳跃高度,如图１３(b)所示．对于上述各种接触式闩锁,一般具有简单的结构,常采用挡块㊁凸轮㊁差齿齿轮等方式实现能量的锁定,除了上述行星轮系结构,其它锁定方式下的能量值多为固定不可调整的,同时意味着其控制难度低,常采用开环或者位移闭环进行控制其释放．此外,接触式闩锁存在摩擦损失大㊁释放瞬间冲击大等缺点．图１４㊀仿跳蚤系列机器人．a ．F l e a V １机器人[３３,６６];b ．F l e a V ２机器人[３３];c ~d ．F l e a V ３机器人[７８];e ~f ．水面跳跃机器人[２６]F i g ．１４㊀F l e a Ｇi n s pi r e d r o b o t s ．a ．F l e a V １R o b o t [３３,６６];b ．F l e a V ２R o b o t [３３];c ~d ．F l e a V ３R o b o t [７８];e ~f ．R o b o t j u m p i n g onw a t e r [２６]基于跳蚤体内的扭矩反转机构[１０],N o h 等人提出一种具有非接触式闩锁的仿跳蚤跳跃机器人F l e a V １[３３,６６,７６],如图１４(a)所示．利用三根形状记忆合金弹簧来模拟图１０(c)所示的伸肌㊁触发肌和屈３４动㊀力㊀学㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报２０２３年第２１卷肌,当受拉弹性元件(伸肌)与所连杠杆处于重合位置时能量存在极值,利用负刚度特性可以产生越过重合点后的爆发式运动,实现了快速 突跳(S n a pＧt h r o u g h) 的特征[７７]．基于此原理该团队还设计了其他形式的跳跃机器人F l e a V２㊁F l e aV３[２６,３３,７８],如图１４(b)~(d)所示,通过简化S MA的数量来实现更高的跳跃高度(４０倍自身高度),并通过结合超疏水喷涂工艺来模拟水黾在水面起跳的现象[图１４(e)Ｇ(f)],在陆地和水面分别可以实现３０和１８厘米高的跳跃能力．较轻的机器人也存在一定缺点,如引入电池等额外负载时其跳跃高度将受到严重影响[７９];同样,由于结构过于简单,此类机器人在连续跳跃㊁改变方向和高度等方面还具有挑战性,这些问题均会对机器人的实际应用产生限制．采用同样原理的还有Z h a k y p o v等人提出的仿陷阱颚蚁跳跃机器人[５７,８０],该机器人可实现爬行㊁翻滚㊁垂直跳跃㊁定向跳跃等多运动模式,最高跳跃１４厘米,达到自身高度的２．５倍,结构如图１５所示．三足的设计不仅增强了机器人的跳跃能力,还帮助机器人实现跳跃方向的选择．此外,通过将电路设计㊁柔顺机构设计与电路板进行集成,完成了机器人的快速㊁轻量化制造．图１５㊀仿陷阱颚蚁多模式运动微型机器人[５７,８０]F i g．１５㊀T r a pＧj a wＧa n tＧi n s p i r e dm u l t iＧl o c o m o t i o nm i l l i r o b o t[５７,８０]为了提高机器人的敏捷性,H a l d a n e等人模仿了夜猴㊁青蛙的跳跃机制,提出一种仿夜猴跳跃的机器人S a l t o[２５,８１]．该机器人采用串联驱动器和E MA结合的方式,以增大机械效益在跳跃后与跳跃前的比值为目标,对机器人几何构型和重量分布进行优化,增大了串联弹性元件在跳跃初期能量存储[６３]．机器人不仅实现了稳定的连续跳跃运动,还具备跳跃高度可调㊁空中姿态调整的能力,可以完成类似于跑酷运动中 蹬墙跳 的高难度动作,这也进一步扩大了自身运动范围,最终使S a l t o实现了夜猴跳跃敏捷度的７８％,成为目前垂直跳跃敏捷程度最高的机器人[２５]．图１６㊀S a l t o系列机器人[２５,８１]．a．S a l t o;b．S a l t oＧ１PF i g．１６㊀S a l t o s e r i e s r o b o t s[２５,８１]．a．S a l t o;b．S a l t oＧ１P在以上非接触式闩锁中,通过与柔顺机构相结合的方式(图１４和图１５)完成 运动－储能－体化 ,进而实现轻量化设计,同时具有无摩擦㊁释放瞬间冲击小等优点[８２Ｇ８４];由于依靠几何上的临界位置进行释放,该类型机器人往往采用开环的方式控制,同时也带来结构相对复杂的问题．此外,该类型机构在释放阶段的行程占比高于接触式闩锁,限制了释放的瞬时功率,同时也获得更小的冲击．对于可变机械效益机构结合串联弹性元件构成的非接触式闩锁(图１６),驱动器直接做功在跳跃运动过程中起重要作用,适用于跳跃周期小的连续型跳跃机器人,也因此更依赖动力学模型来计算机器人的能量释放效果,如对于S a l t o机器人而言,一定范围内提高其驱动器运动加速度可获得更高弹性储能以提高其跳跃高度．表１㊀接触式与非接触式闩锁性能对比T a b l e１㊀P e r f o r m a n c e c o m p a r i s o nb e t w e e n c o n t a c t a n dn o nＧc o n t a c t l a t c h e s性能对比接触式闩锁非接触式闩锁释放速度快慢瞬时冲击大小摩擦阻力大小轻量化潜力小大动力学模型简单复杂能量大小控制静态,易动态,难２．３㊀跳跃机器人着陆缓冲功能跳跃机器人在追求较高跳跃目标的同时,着陆４４。
小型舞蹈机器人的驱动电路设计
小型舞蹈机器人的驱动电路设计
机器人舞蹈比赛是一项具有极强观赏性和趣味性的比赛。
比赛规则要
求参赛机器人在有限的场地和时间内，配合音乐完成动作。
由于要求机器人既
要充分利用场地，又不能超时和越界，因此，舞蹈机器人集成了多学科前沿技术，它的设计涉及了机电一体化技术、检测和传感技术、精密机械加工和精密
机械传动技术、现代化控制技术和管理技术、计算机程序控制技术等多个方面。
系统中，直流电机共有四路，分别用于机器人底盘、头部的转动以及身
体的升降，舵机有两路，用于花瓣打开。
本设计从实际出发对不同电机采取了
不同的驱动方式。
舵机驱动电流仅十几微安，可以直接使用单片机端口进行驱动，而直流电机工作电流较大，瞬态电流接近1A，因此需要采用专用电机驱
动芯片。
此外由于采用了3V与7V两种规格的直流电机，其中7V直流电机驱
动信号直接采用驱动芯片输出，3V直流电机则需对驱动芯片输出作降压处理，因此，控制芯片选用了Atmel公司的AT89C52单片机。
驱动模块电路设计
本系统有四路直流电机和两路舵机，由于两者的工作电流相差较大，故
在硬件上将两者独立。
由于舵机自身带电源和地引脚，对其驱动只需给出控制信号即可，故可
直接用单片机的端口作控制信号线，因而硬件十分简单，设计时只要通过接口
用光耦隔离输出便可直接控制两路舵机，图中即用于实现这部分功能。
本系统
共有四路直流电机，其中三路采用7V供电，一路采用3V供电，因而工作电
流较大，瞬时值可达1A以上，为此，设计中选用了L298系列芯片来完成驱动。
微型机器人的设计与应用
微型机器人的设计与应用近年来，微型机器人进入了人类的视野，在科技创新领域得到了广泛的应用和推广。
微型机器人是一种小型化的机器人，其体积和重量十分微小，可以执行各种任务和动作。
微型机器人的设计和应用，具有重要的意义和价值。
一、微型机器人的设计微型机器人的设计需要同步兼顾机械学、电子学、计算机学和材料学等方面的知识。
微型机器人的结构一般分为传感器、动力系统、执行器和控制系统四大部分。
1. 传感器：微型机器人需要配备各种传感器，以便感知周围环境，获取位置信息、姿态信息和环境信息等。
如机械臂可以使用红外传感器、超声波传感器、摄像头等，进行识别操作。
2. 动力系统：微型机器人需要配备适当的动力系统，以保证其运动和执行任务的能力。
可以使用微型电动机，燃料电池或者电池。
3. 执行器：微型机器人需要配备不同类型的执行器，以便可以完成各种任务。
如手臂遥控铲子等。
4. 控制系统：微型机器人需要配置合适的控制系统，控制其运动、姿态和高度等。
可以使用微型处理器、信号减弱器等，进行精细控制。
二、微型机器人的应用微型机器人的应用十分广泛，包括医疗、工业、探测和作战等领域。
以下是几个典型的应用领域。
1. 医疗领域：微型机器人可以在人体内进行手术操作，避免了传统手术中的切割、疼痛和创伤等。
如微型机器人可以用于神经外科、心外科和小部位手术等领域。
2. 工业领域：微型机器人可以在狭小空间内执行特殊机械操作。
如微型机器人可以用于汽车、飞机等复杂机器的维修。
3. 探测领域：微型机器人可以应用于各种环境探测，如化学污染物、地震监测、火灾探测、防疫等。
如微型机器人可以在受污染的环境下完成精确探测，找到污染源。
4. 军事领域：微型机器人可以进行隐蔽侦察、地雷拆除和训练等。
如微型机器人可以用于敌后侦察和情报获取等任务中。
三、微型机器人的发展趋势微型机器人在目前不断发展，未来也会有更多的应用和推广。
以下是几项未来发展趋势。
1. 更小更强的机器人：未来的微型机器人将变得更小、更敏捷、更强大。
【精品毕设】轮式机器人电机驱动系统设计
本科毕业论文（设计、创作）题目：轮式机器人电机驱动系统设计学生姓名：学号： ********* 所在院系：专业：电气工程及其自动化入学时间： 2010 年 9 导师姓名：职称/学位：副教授/硕士导师所在单位：完成时间： 2014 年 5 月安徽三联学院教务处制轮式机器人驱动系统设计摘要：随着社会的发展，机器人逐渐受到了人们的重视，可移动轮式机器人的研究具有极其重要的意义。
其关键的问题就是要解决机器人在复杂环境下系统的正常运行和控制，因此轮式机器人的驱动系统显得尤为重要。
本文设计了一款智能轮式机器人的驱动系统，此系统的核心是STC89C52单片机，通过系统产生的宽带调制信号，加上L298N驱动芯片控制直流电机的运行参数，可实现机器人的基本动作：前进、后退、左右转向、速度控制以及避障循迹功能。
此次系统研究为机器人驱动系统的发展与创新积累了经验，对机器人控制系统的研究发展具有理论与实践价值。
关键词：驱动； PMW；单片机；速度控制；方向控制Wheeled Robot Drive System Design Abstract: With the development of the society, robot has gradually become more popular. It is more important to research the removable wheeled robot .The key problem is that how to operate and control the robot in complicated situation, so the drive system of it plays an important role. This dissertation is dedicated to showing a new design of intelligent removable wheeled robot whose kernel lies at the STC89C52 Single Chip Micyoco. The signal of PMW produced by that system and also the operating parameter of direct-current machine controlled by L298N drive chip could realize the basic movement of the robot ,such as advance, back ,turn, speed control, and the function of avoiding obstacles and following previous track. This research gathers experience for the development and creation of robot drive system , and it also has a high theoretical and practical value of the development of the robot control system.Key words:drive; PMW; Single Chip Micyoco; speed control; direction control目录1 绪论 (1)1.1引言 (1)1.2研究背景和意义 (1)1.3研究内容 (2)2 驱动系统方案设计 (3)2.1主控系统 (3)2.2电机驱动模块 (3)2.3机械系统 (4)2.4电源模块 (4)3主要零部件及技术分析 (5)3.1单片机的介绍 (5)3.1.1时钟电路 (6)3.1.2复位 (6)3.1.3STC89C52主要功能 (6)3.2驱动模块方案的分析 (7)3.2.1H型桥式驱动电路 (7)3.2.2L298N驱动模块组成及各部分功能 (9)3.3PWM控制 (12)3.3.1PWM调速简介 (12)3.3.2PWM控制电机的特点 (12)3.3.3 PWM输出波形和计算 (13)3.4直流电动机特性简介 (13)4机器人运动控制介绍 (16)4.1总体设计概括 (16)4.2外围电路拓展 (16)4.2.1避障模块 (16)4.3控制流程图......................................................................... 错误!未定义书签。
微型机器人控制系统的设计与实现
微型机器人控制系统的设计与实现近年来，微型机器人的控制系统的设计与实现越来越受到人们的关注。
微型机器人是指体积小、质量轻、功能多样的机器人，被广泛应用于医疗、环保等领域。
为了实现微型机器人的高效运行和精确控制，需要设计一套完备的控制系统。
本文将介绍微型机器人控制系统的设计与实现。
一、控制系统总体框架设计微型机器人控制系统的总体框架设计主要分为三个部分：传感器模块、控制器与执行器模块，三者之间通过控制策略模块进行信息交流与协调。
其中，传感器模块负责感知外界环境并将数据传输给控制器；控制器通过接收传感器信息，采用相应的算法进行数据处理后下发控制指令给执行器；执行器则负责根据控制指令驱动微型机器人完成相应的动作。
而控制策略模块则负责协调传感器、控制器和执行器之间的信息交流与控制，以达到最优的运动控制效果。
二、控制系统部件设计1. 传感器设计：传感器设计的主要目的是获取环境信息并将其转化成数字信号，以便后续处理。
常用的传感器有温度传感器、湿度传感器、压力传感器、陀螺仪等。
其中，陀螺仪是微型机器人最为常用的传感器之一，通过检测旋转角速度及方向，可以反映微型机器人的动态变化。
同时，由于其体积小、精度高，可以轻松将其嵌入到微型机器人的内部。
2. 控制器设计：控制器设计的主要目的是将传感器获取的外界环境信息转化成控制信号，驱动执行器实现微型机器人的运动控制。
常用的控制器有单片机、FPGA、嵌入式系统等。
目前，由于其体积小、功耗低、性能高等优点，嵌入式系统已成为微型机器人控制器的首选。
3. 执行器设计：执行器主要是将控制器发出的控制信号转化成物理运动。
依据不同的应用场景，常用的执行器有电机、电磁铁等。
在微型机器人中，往往由电机来驱动机器人完成动作控制。
三、运动控制算法设计运动控制算法设计是微型机器人控制系统设计的关键环节。
常用的运动控制算法有PID控制算法、滑模控制算法、模糊控制算法等。
其中，PID控制算法最常用且控制效果好，它可以通过对系统运动状态的反馈来自调节控制器参数，从而使系统能够稳定运转。
磁力驱动微型机器人的设计与控制
磁力驱动微型机器人的设计与控制随着科技的不断发展，人们对微型机器人的需求也日益增加。
微型机器人在医疗、环境监测、军事等领域都有着广阔的应用前景。
然而，由于其尺寸小、操作环境复杂等特点，设计和控制微型机器人面临着很大的挑战。
为了克服这些困难，磁力驱动被广泛认为是一种有效的方法。
本文将探讨磁力驱动微型机器人的设计与控制。
一、磁力驱动的优势磁力驱动是指利用磁力对微型机器人进行驱动和控制的技术。
相比于其他传统驱动方式，磁力驱动具有以下优势：1. 操控精度高：通过调节外部磁力场的强度和方向，可以轻松控制微型机器人的运动轨迹和速度。
2. 无线驱动：磁力驱动不需要接触式传输能量，可以通过无线方式提供驱动力，便于机器人在狭小的空间内自由移动。
3. 适应性强：不同材料的微型机器人都可以通过磁力驱动实现操控，无需进行额外的适应性改造。
4. 环境友好：磁力驱动无需燃料燃烧，不会产生有害气体和噪音，对环境友好。
二、磁力驱动微型机器人的设计磁力驱动微型机器人的设计涉及到多个方面，包括机器人结构、材料选择和磁力驱动系统的设计等。
1. 机器人结构：微型机器人的结构决定了它的机械性能和操控能力。
常用的机器人结构有单轮、多轮和爬行器等。
设计者需要根据具体应用场景和任务需求选择合适的机器人结构。
2. 材料选择：由于磁力驱动涉及到磁场的感应和响应，机器人的材料选择非常重要。
常见的材料有铁、钢、永磁材料等。
设计者需要根据机器人的磁性需求选择合适的材料。
3. 磁力驱动系统：磁力驱动系统包括电磁线圈、磁铁和控制电路等多个部分。
设计者需要考虑电磁线圈的数量、布局和电流控制等因素，保证磁力的有效传递和机器人的精确操控。
三、磁力驱动微型机器人的控制磁力驱动微型机器人的控制是实现其精确操控的核心。
在控制过程中，需要考虑以下几个方面：1. 磁场生成：通过外部装置产生磁场，对微型机器人进行驱动。
磁场的大小和方向可以通过调节电磁线圈的电流控制，实现对机器人的精确控制。
微型电机的设计与制作
微型电机的设计与制作引言微型电机是一种体积小、功耗低、转速高的电动机，广泛应用于无人机、电动玩具、机器人、医疗器械等领域。
本文将介绍微型电机的设计与制作过程，包括电机选型、设计原理、制作流程等内容。
电机选型在选择微型电机时，需要考虑以下几个关键因素：1.转速：根据不同的应用需求，选择合适的转速范围。
转速过高可能导致功耗增加，转速过低可能无法满足工作要求。
2.功率与效率：根据应用场景的需求，选择合适的功率与效率。
功率过高可能导致发热问题，效率过低可能导致能源浪费。
3.电压与电流：根据供电系统的要求，选择合适的工作电压与电流。
过高的电压可能损坏电机，过大的电流可能导致供电系统负荷过重。
4.电机类型：根据应用场景的需求，选择合适的电机类型，如直流电机、步进电机、无刷电机等。
设计原理微型电机的设计原理基本与普通电机相同。
下面以直流电机为例，介绍其设计原理：1.磁场设计：利用永磁体产生静态磁场，通过电流驱动产生的磁场与静态磁场相互作用，从而实现电动机转动。
2.绕组设计：将导线绕制成线圈，形成电流通入的路径，通过电流与磁场的作用产生转矩。
3.确定转子与定子结构：转子是电机的转动部分，定子是不动部分。
根据电机的工作原理和要求，设计合适的转子与定子结构。
制作流程微型电机的制作流程通常包括以下几个步骤：1.材料准备：准备所需的材料，包括磁体、导线、轴等。
2.绕制绕组：将导线按照设计好的绕组方式，绕制成线圈。
3.安装定子：将绕制好的线圈安装在定子上，并与磁体形成磁场。
4.安装转子：将转子与定子相连接，并确保能够自由旋转。
5.安装轴承：在转子轴上安装轴承，以减少摩擦力。
6.安装端盖：将电机的两端封闭，保护内部的结构。
7.连接电源：通过引线将电机与电源连接，测试其工作效果。
总结通过本文的介绍，我们了解了微型电机的设计与制作过程。
在选择电机时，需要考虑转速、功率、电压、电流等因素。
设计原理方面，我们以直流电机为例，介绍了磁场设计、绕组设计和转子与定子结构的确定方法。
机器人比赛中直流电机驱动电路的设计优秀doc资料
机器人比赛中直流电机驱动电路的设计优秀doc资料匡亘蓝委雯受墅塑耍圈机器人技术(2.尽管使用集成的高压浮动栅极驱动芯片可以很好的完截止状态的开关管在最短时间内退出截止状态。
通常的办法成H桥的驱动,但是在很多时候,我们还是希望能够使用成本是控制信号在向不同状态翻转时,信号流向不同的路径,一条更低,制作更加简单的三极管来完成MOS管的高速驱动。
如下路径是快速充放电,另一条路径是慢速充放电。
图5(a是一个图3MOS管的高速化驱动电路图4是图3四种高速化驱动电路对应的波形图。
所测得的信号都是VDD=12V,选用IRF9540N获得的。
图4(a是对应图3(a的开关管栅极驱动信号。
可知上升时间tr=lus,下降时间Ⅱ=lus。
同理图3(b电路的栅极驱动信号的舾750m,旺750ns;图3(c电路的栅极驱动Ton=(Rtl+R1+Ci+ln(12/(12—10.8;显然Ton远远大于T0盯,因此当A点信号由VDD跳变为0v时,Ql立即截止,而Q2则在经历了T0n时间后才导通,防止了两管的共态导通。
但是在该电路中,由于人为的降低了Q2栅极信号的上升速度,使得Q2管的开关损耗增加了。
图5(b电路也是一个防共态导通电路。
显然该电路是在驱动信号到达开关管之间增加了适当的延(a莎莎图5两种防共态导通电路当电源瞬间断开或者电机瞬间反转时.由于电机属于感性负载。
因此电机要阻碍电流的变化,表现为电机的两端产生反向电动势,由于大部分的MOS管内部集成了续流二极管,因此图4高速化驱动电路的实测波形图PWM信号的隔离相应得驱动电路。
由于电路中使用的8050和8550的VCEO耐在对电机驱动时.为了保证主机的可靠工作,通常要将主压值较小,当电源电压较高时可以用耐压值更高的互补三极管机与电机驱动电路通过光耦进行隔离。
隔离电路如冈6所示.替换,譬如2N5551与2N5401。
些则是12v的方波,因此在进行光耦隔离电路设计时,需要考如图1(c中的H桥电路中,如果Ql还没有完全退出截止虑这些因素。
舞蹈机器人步进电机驱动电路和程序设计
舞蹈机器人步进电机驱动电路和程序设计在中国科大首届机器人舞蹈比赛中（中央10台节目转播），我们用一个单片机控制多个步进电机指挥跳舞机器人的双肩、双肘和双脚伴着音乐做出各种协调舒缓充满感情的动作，荣获一等奖。
电路采用74373锁存，74LS244和ULN2003作电压和电流驱动，单片机（Atc52）作脉冲序列信号发生器。
程序设计基于中断服务和总线分时利用方式，实时更新各个电机的速度、方向。
整个舞蹈由运动数据所决定的一截截动作无缝连接而成。
1、步进电机简介步进电机根据内部线圈个数不同分为二相制、三相制、四相制等。
本文以四相制为例介绍其内部结构。
图1为四相五线制步进电机内部结构示意图。
2、四相五线制步进电机的驱动电路电路主要由单片机工作外围电路、信号锁存和放大电路组成。
我们利用了单片机的I/O端口，通过74373锁存，由74LS244驱动，ULN2003对信号进行放大。
8个电机共用4bit I/O端口作为数据总线，向电机传送步进脉冲。
每个电机分配1bit的I/O 端口用作74373锁存信号，锁存步进电机四相脉冲，经ULN2003放大到12V驱动电机运转。
电路原理图（部分）如图2所示。
（1）Intel 8051系列单片机是一种8位的嵌入式控制器，可寻址64K字节，共有32个可编程双向I/O口，分别称为P0～P3。
该系列单片机上集成8K的ROM，128字节RAM可供使用。
（2）74LS244为三态控制芯片，目的是使单片机足以驱动ULN2003。
ULN2003是常用的达林顿管阵列，工作电压是12V，可以提供足够的电流以驱动步进电机。
关于这些芯片的详细介绍可参见它们各自的数据手册。
（3）74373是电平控制锁存器，它可使多个步进电机共用一组数据总线。
我们用P1.0～P1.7作为8个电机的锁存信号输出端，见表1。
这是一种基于总线分时复用的方式，以动态扫描的方式来发送控制信号，这和高级操作系统里的多任务进程调度的思想一致。
小型轮式机器人直流电机H桥驱动电路的设计
Electronic Technology •电子技术Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程• 99【关键词】机器人 H 桥驱动电路 MOS 管1 电路总体设计1.1 电路总体设计本电路包括电源电路、H 桥电路、MOS 管Q2控制电路、MOS 管Q3控制电路、MOS 管Q7控制电路、MOS 管Q8控制电路。
如图1所示。
1.2 电路基本原理小型轮式机器人直流电机H 桥驱动电路的设计文/宋泽清直流电机由MOS 管Q2、Q3、Q7、Q8驱动。
MOS 管Q2、Q3、Q7、Q8分别由对应的控制电路控制，各控制电路通过对H 桥电路四个MOS 管的控制实现对直流电机的控制。
2 电路设计2.1 电源电路电源电路由12V 电池插座J4、电源开关S1、防反接二极管D9、电解电容C2、瓷片电容C3、开关稳压电源芯片U4、电感L1、二极管D10、电解电容C4、瓷片电容C1、电阻R45及电源指示发光二极管D11组成。
如图2所示。
当开关S1按下时12V 电池电源由插座J4引入，供给H 桥及H 桥MOS 管控制电路，+12V 的电源经过开关稳压芯片U4稳压后为H 桥MOS 管控制电路提供5V 电源。
当开关S1再次按下时，断开系统电源。
2.2 H桥电路设计H 桥电路由MOS 管Q2、Q3、Q7、Q8及通过接线端子J1接入的直流电机组成。
如图2所示。
当MOS 管Q2和Q8导通时，电流从12V 电源正极流过MOS 管Q2、直流电机、MOS 管Q8，然后入地，从而使直流电机正转。
当MOS 管Q3和Q7导通时，电流从12V 电源正极流过MOS 管Q3、直流电机、MOS 管Q7，然后入地，从而使直流电机反转。
当MOS 管Q2和Q3导通或MOS 管Q7和Q8导通时，直流电机接入闭合回路，从而使直流电机制动。
中的每一个基因，随机从[1,2M -1]之间选择一个数字作为初始化分配结果。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
摘 要 :文章以成功应用于拟人机器人手上的多电机微 型驱动器为例 ,详细介绍了采用一种极其简化的逻辑电路所 实现的直流电机微型驱动器 。
关键词 :直流电机 ;驱动电路 ;拟人机器人手 中图分类号 :TM3 , TP24 文献标识码 :A 文章编号 :1004 - 7018( 2004) 02 - 0018 - 02 Abstract :By t he example of t he mini drivers of multiple mo2 tors succeeded to use in a humanoid robot hand ,a mini driver of DC motor which applied a simplified logic circuit in detail is de2 scribed in t his paper. Keywords :DC motor ;driver circuit ;humanoid robot hand
须至少能够提供 2. 16 A 的连续电流 。另外 ,一个所选直
流电机的起动电流为 2. 73 A ,考虑到如果同时起动三个
电机 ,于是此时总的瞬间电流将达到 8. 19A ,由此可知 ,
电源必须至少能够提供 8. 19 A 的瞬间电流 。
MAX 7 2 4 的连续输出电流为5 A , 大大超过要求值
18
转载
中国科技论文在线
D 微特电机 2004 年第 2 期
驱动控制 rive and control
(2) 正转 、反转 ; ( 3) 接受 PWM 信号实现电机调速 。另 外 ,要求将 3 个关节电机的驱动控制电路整合在一起 ,体 积尽量小 、重量尽量轻 。
机 器
至关节处 。其中 ,一些灵巧手采用了腱络传动方式 。这
人 种方式模拟了人手的肌肉骨骼系统的运动方式 ,但是缺
微 型
点是其控制精度不如齿轮传动 ,机构复杂 。
电 机
近些年 ,微型电机技术不断发展 ,相同功率电机的体
驱 积不断减小 ,使得电机 ( 包括减速器) 直接放入手内成为
动 器
可能 。
的 设
或门的特点 ,上两式可以简化为仅用一个异或门 ,三个电机 现
仅需一片 4030 。简化后的逻辑关系为 :
Q1 = Dir
(4) (下转第 22 页)
19
中国科技论文在线
D
驱动控制 微特电机 2004 年第 2 期
D
驱动控制 微特电机 2004 年第 2 期
rive and control
机器人微型电机驱动器的设计与实现
张文增 ,孙振国 ,曹一鹏 ,徐 磊 ,张 勇
( 清华大学 ,北京 100084)
额定功率 额定电压 起动电流 最大连续电流 机械时间常数
3W
6 V 2. 73 A 720 mA
7 ms
题是如何减小手的体积 、减轻重量 ,减少功耗 。
2 拟人机器人手驱动系统
1 拟人机器人手的驱动策略
由于拟人机器人手驱动器少 ,且选用了体积很小的
拟人机器人手自重要求小于 1 kg ;抓重达到 1 kg ;手
R1 =
V out R2 2. 21
-
R2
(1)
若希望输出电压 V out = 6 V ,可选 R2 = 2 . 21 kΩ ,经计算 得 R1 = 3 . 79 kΩ。
由于一个拟人机器人手所选用的直流电机的最大连
续电流为 720 mA , 拟人机器人手安装有三个这样的电
机 ,于是总的最大连续电流为 2. 16 A 。由此可知 ,电源必
拟机器人手采用电机驱动 ,综合考虑功率 、扭矩 、体 积 、质量和精度性能等 ,选择瑞士 MAXON 公司生产的 3 W 直流伺服电机 ,型号为 144273 。体积很小 ,外形尺寸 为 :Φ13mm ×70mm ,机械特性曲线如图 1 所示 ,基本参数 如表 1 所示 。还选用了与其配套的减速比为 275 的减速 器和霍尔电磁编码器 。减速器外再增加一级减速比为 2 的齿轮传动 ,可得到合适的手指关节的转速 。
2. 16 A ,其最大输出电流为 8. 5 A ,也超过了 8. 19 A 的要
求值 ,并且其外围电路简单 ,电路使用方便 ,输出电压可
调 ,所以完全满足需要 。其典型电路如图 3 所示 。
图 3 DC - DC 电路
4 驱动电路 电机驱动电路采用的核心芯片是 ST 公司生产的
L293D/ L293DD - 带二极管的推挽式四通道驱动器 。其 基本参数为 :带有四个通道 (每两个通道可以构成一个 H 桥) ;操作电压可达 36 V ;连续输出电流可达 600 mA/ 通 道 ;峰值电流可达 1. 2 A/ 通道 ;内含箝位二极管 ;许可最 大切换频率为 5 kHz 。L293DD 的每个通道相当于一个半 桥 ,两个通道即为一个全桥 ,L293D 电路与 L293DD 类
本文采用 MAXIM 公司生产的 MAX724 作为 DC DC 电路的核心芯片 。其主要参数为 : 输入电压 : 8 ～40 V ;可调输出电压 :2. 5～35 V ;连续输出电流 :5 A ;最大输 出电流 :8. 5 A ;开关频率 :100 kHz ,另外其应用电路的外 接元件较少 。
通过 设 置 不 同 的 R1 和 R2 , 实 现 输 出 电 压 可 调 。 MAX724 输出电压调节公式为 :
rive and control
表 4 id = 0 控制与弱磁控制参数比较
f / Hz U dc/ V I dc/ A P1/ kW 10 527 1. 48 0. 779 id = 0 20 520 5. 63 2. 93 控制 30 515 12. 63 6. 51
I d/ A 0 0 0
I q/ A 4. 0 7. 5 11. 6
似 ,只是引出端子序号和封装型式不一样 。因此 , 一片 L293D/ L293DD 可以驱动两 个 电 机 。通 过 其 使 能 信 号 EN1 或 EN2 , 可以实现电机的起动/ 停止 。通过其 IN1 、 IN2 信号的高低不同 ,可以实现电机的正/ 反转 。
当 L293D/ L293DD 输出电流不够时 ,可以考虑两个 甚至多个全桥的并联输出 。由于拟人机器人手有三个电 机 ,因而仅需要 一 个 半 的 L293D/ L293DD , 故 采 用 两 片 L293D/ L293DD驱动手部三个直流电机 ,并将一个L293D/ L293DD 的两个全桥并联输出使用 , 以驱动力矩需要较 大 、电流需要较大的关节电机 (如食指第一关节电机) 。
P2/ kW η/ % 0. 630 80. 9 2. 421 82. 6 5. 336 82. 0
35 505 17. 1 8. 63 0 13. 5 7. 182 83. 2
40 506 21. 73 10. 995 - 3. 0 13. 6 9. 30 84. 6
42 弱磁 44 控制 46
506 23. 44 11. 861 - 5. 5 14. 4 10. 112 85. 2 506 25. 52 12. 912 - 9. 5 13. 0 11. 089 85. 9 506 27. 94 14. 138 - 13. 0 12. 0 12. 180 86. 2
拟人机器人手驱动控制系统框图如图 2 所示 。其 中 ,虚线部分是驱动模块 ,该驱动模块设计目标是实现拟 人机器人手三个关节电机的如下控制 : ( 1) 起动 、制动 ;
收稿日期 :2003 - 03 - 05 基金项目 :国家自然科学基金 ( No. 50275083) 和国家教育振兴计 划项目
图 2 拟人机器人手电机驱动控制原理框图
PWM 调速信号之间的逻辑关系 ,需要设计相应的逻辑电
路 。本文用“ En”表示起动信号 ,用“Dir”表示正转信号 , 用“ PWM ”表 示 PWM 调 速 信 号 , 用 Q1 、Q2 分 别 表 示 L293D/ L293DD 的 IN1 、IN2 的输入信号 ,则关节电机控 制信号逻辑真值表如表 2 所示 。
表 2 电机控制信号逻辑真值表
En
PWM
Dir
Q1
Q2
电机
0
0
0
0
0
不转
0
0
1
0
0
不转
0
1
0
0
0
不转
0
110来自0不转1
0
0
0
0
不转
1
0
1
0
0
不转
1
1
0
0
1
反转
1
1
1
1
0
正转
机 器 人
由真值表得到逻辑关系 : Q1 = En ·PWM ·Dir Q2 = En ·PWM ·Dir
微 型 (2) 电 机 (3) 驱
一个电机的驱动需要两个 3 输入与门 (4073) 和一个非门
动 器
(4001 或 4011) ,即需要两个芯片 。所以 ,三个电机统筹 的
设
安排后 ,共需要三片 4073 和一片 4011 。
计
将芯片本身的 Enable 作为电机的 Enable ,并结合异
与 实
拟人机器人的电源系统 、驱动及控制系统 、传感及信
息处理系统等完全由自身携带 ,这对手的设计提出了非 常严格的要求 。多数传统的灵巧手重视外观和动作模仿 人手 ,而忽视了尺寸 、重量和实时控制 ,导致手相对复杂 、
图 1 直流电机机械特性曲线 表 1 直流电机基本参数
体积大以及实时控制困难 ,不能直接安装于拟人机器人 手臂上使用 。因此 ,拟人机器人手部设计的一个关键问
拟人机器人手电机驱动模块由 DC - DC 变换电路 、 驱动电路 、逻辑电路组成 。