微型机器人（通用5篇）
微型机器人 篇1
瑞典、西班牙、德国、意大利和瑞士等国的研究人员发明的微型探测机器人 (见图1) 只有苍蝇般大小, 可以像昆虫那样成群活动, 进行数据收集等工作。这些机器人尽管只有不到4 mm2, 却装有移动、通讯、收集数据所需的所有设备, 它们甚至能通过太阳能电池板提供自身活动所需的能量。这种微型机器人应用了表面贴装技术, 用可导电的黏合剂将配件黏合在可弯曲的双面印刷电路板上。因此, 可以将电路折叠到三分之一大小, 并缠在特殊应用集成电路 (application specific integrated circuit, ASIC) 表面。一块能产生3.6 V电压的太阳能电池便足以提供机器人行走所需的能量。机器人用3条振动的机械腿来移动, 另有一条水平安置的机械腿则被用作一个触感感应器。当一只微型机器人不够用时, 可联合应用多个机器人 (见图2) , 并将所获取的数据输入计算机, 可用来建立更为理想和复杂的图形。
微型机器人 篇2
与此相反，目前现状是当某人的血管被血小板阻塞的时候，这种阻塞会导致心脏衰竭的发生，内科医生在病人的手臂或者腿上插上一根导管，向冠状动脉内的血栓挤压这个设备，并且通过X光机观察运行情况。这种过程被称为血管成形术，心脏外科医生能够强制去除血管中的血栓。这个手术不是一般的疼痛，它具有侵害性和某些风险。
假如你能够在血液中插入一个微型机器人，并让它携带清除血栓的药物抵达病源位置或者直接清除它们将会怎样？这就是韩国和加利福尼亚大学伯克利分校的科学家们正在进行的研究。按照他们的构思，病人将躺在核磁共振成像仪器中，然后医生将通过显示屏始终监控微型设备的运行路线，并操控它抵达病源。核磁共振成像设备将驱动这个设备，不需要提供内置能源。
韩国汉阳大学工程学教授张教授说：“之前的尝试首先需要一个向前或者向后移动机器人的过程，第二让它四处转弯，第三是讓它曲线前进。这项技术已经先后在兔子和猪身上进行了试验，并且看起来相当有希望。”张教授的团队能使用一个系统实现所有的行动，这个结果将以论文形式在今年晚些时候在应用物理学杂志上出版。
特拉维夫和波士顿的研究人员正在进行一项机器人内窥镜研究。当医生想了解肠胃系统内部情况时，他们不得不从病人喉管插入一根电子管并且推入胃中或者更深处，病人遭受不一般的痛苦和不舒服，而且并不像医生们所期待的那样有效。
特拉维夫大学的教授加博-科萨，正在同内科医生和工程师彼得和诺比在波士顿的布莱根妇女医院进行研究，他们正在开发一种潜在的替代品。
科萨说“作为一个科幻小说迷，他的灵感来自于电影《神奇旅程》和随后的艾萨克•阿西莫夫的小说。”他承认电影剧本中的技术是不可能实现的，他的装置使用的是更常规的物理学。
《生物学微型装置》报道了科萨的装置，它也使用一台核磁共振成像仪作为能源。核磁共振仪产生一个磁场，使水雷型装置的尾部摆动，这样它就能穿越人体。病人吞下内窥镜装备，内科医生操控下抵达胃部或者一直抵达小肠。它将拍摄照片，切下活体组织样品或者传递药物。
科萨目前已经在一个充满水的鱼缸中测试了这个模型的推进力和航行，但是他认为这个装置同样能在人体中良好的运行。他的目标是压缩到三分之一英寸宽，大约四分之三英寸长，那样才能探测胃部。科萨说：“我们目前还没有原型，我们开发的这个具有推进力的机器人装置是一个大步迈进。未来三到五年内，这样一个装置就能在人体上使用。”
亚特拉大乔治亚理工学院的机械工程学教授上田正在进行类似的研究，他说：“一些机器人原型已经在人体进行了测试，但是目前为止还没有一个替代普遍的医学技术。推迟的部分原因是在人类进行技术测试需要得到政府的批准。除了政府批准问题，时间也是医学机器人装置的问题之一，使用机器人装置检测比传统技术耗费更长的时间。”
（来源：腾讯科技）
螺旋轮式微型管道机器人设计 篇3
国内外都对微型管道机器人展开了大量的研究。日本名古屋大学研制出一种微型管道机器人,可以由管道外面的电磁线圈驱动,而无须以电缆供电,可在生物医学领域的小空间内作微小工作[5]。国内的上海大学和上海交通大学都研制出了惯性冲击式管道微机器人[6]。
本文通过一种旋转轮式结构,设计出了一个适用于管道直径为20~25mm之间作业的微型管道机器人。通过弹簧伸缩结构,能够有效地适应管道直径的微小变化以及翻越微小障碍物。同时,该机器人具有一定的带载能力。
1 机械结构部分设计
机器人主体由转子、定子、万向节三部分组成。转子的主要作用是通过螺旋运动,产生管道轴线方向的牵引力,使机器人沿着管道轴线运动。定子的主要作用是产生沿管道切线方向的摩擦力,防止定子转动。万向节的主要作用是连接定子与转子,将转子的螺旋运动转化成定子的直线运动。电机安装在定子部分。电机带动万向节转动,万向节又带动转子转动,由于转子的轮子安装与轴线不垂直,所以转子实际上是做螺旋运动。电机正转时,螺旋向上运动,电机反转时,电机向下运动。转子的螺旋运动反过来又通过万向节传动到定子部分,由于定子的轮子安装与轴线垂直,所以定子不能产生转动,只能沿着轴线方向运动。下图1是螺旋轮式微型管道机器人的三维设计图。
转子部分主要由底座、支撑臂、弹簧、小轮以及连接机构等组成。三个支撑臂均匀分布于底座,相互之间成120°。每个支撑臂的外端固定四个小轮,小轮的轴线与管轴线成15°倾角。内端则为圆柱销,销在底座的导程槽内可以沿管道的法线方向自由移动。同时,在支撑臂上安装一个弹性系数适当的弹簧。这样,当管内径在一定范围内变化时,支撑臂就可以始终保证机器人与管壁保持适当的压紧力。使整体在电机的驱动下,可以产生足够的静摩擦力,从而沿管道轴线方向前后移动。
为了保证整体与管壁具有适当的弹性和足够的摩擦力,在小轮的外侧套用了O型圈。下图2为拆掉了端盖的转子实物图。
定子部分同样由底座、支撑臂、弹簧、小轮及其连接机构等组成,在三个滑动轮的作用下,将只允许机器人沿平行于管轴线的方向运动。
万向节在前后两部分之间不仅起到连接的作用,更重要的是电机的转动通过万向节传递到机器另一部分,起到传动作用。总体上我们采用单个电机驱动万向节传动的攀爬机构,万向节采用双联十字轴万向节。结构如图4。
机器人在管道中运动时,可以分为直管运动与弯曲管道中的运动,下面分析这两种情况:(1)当在直管状态时,万向节为等速传动。电机驱动万向节主动轴,带动从动轴等速转动。所以两个驱动轮转速相同。从而带动整个机器人沿管前进。(2)当处于管的转弯处时,万向节的轴受管道内壁压力影响,自动调整以适应管道轴线曲率的变化。由于中间一节的长度非常小,则可以使主动轴与中间轴的夹角α和从动轴与中间轴的夹角β相等。从而使主动轴与从动轴的转速相同。带动整个机器人沿管的中心线前进。
2 电路驱动部分设计
管道机器人整体的运行性能,很大程度上取决于电池系统和电机驱动系统。为了达到搭载负载的目的,机器人的电机驱动系统必须具有高转矩重量比、高可靠性的特点。
驱动系统主要由控制器、功率变换器及电机三个部分组成。电机选用的是直流电机,电机驱动电路使用H型全桥式电路,这种驱动电路可以很方便地实现直流电机的四象限运行,分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。其基本原理如图5。
全桥式驱动电路的4只开关管都工作在斩波状态,S1、S2为一组,S3、S4为另一组,两组的状态互补,一组导通则另一组必须关断。当S1、S2导通时,S3、S4关断,电机两端加正向电压,可以实现电机的正转或反转制动;当S3、S4导通时,S1、S2关断,电机两端为反向电压,电机反转或正转制动。
图6为机器人的电路驱动图,选用AT89C52作为系统的控制器,AT89C52是一个低电压、高性能CMOS 8位单片机,片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM),可大大减小外围电路的复杂性,降低开发成本。另外,开关管的选择对驱动电路的影响很大,为了使电路简化,本系统使用集成有桥式电路的电机专用驱动芯片L298,性能稳定可靠。
3 试验及改进
在试验过程发现,由于电机在正常工作时对电源的干扰很大,如果只用一组电源,会影响单片机的正常工作。所以机器人选用双电源供电。一组5V给单片机和控制电路供电,另外一组9V给电机供电。在控制部分和电机驱动部分之间用光耦隔开,以免影响控制部分电源的品质。
为了避免直流电机在正反转切换时所产生的开关管的死区问题,本系统通过软件来避免直通短路,在突然换向的时候,插入一个延时的环节,待开关管关断之后,再开通应该开通的开关管,操作简单,控制灵活。
通过弯管测试表明,该微型机器人可以通过曲率半径最小为300mm的弯管。通过带负载测试表明,该机器人能够带载0.2kg进行作业。
4 总结
螺旋轮式微型管道机器人本身可以十分简单地实现前进、后退、调速功能。并且可以自动适应管曲率的变化,通过调整姿态攀爬具有一定弯度的管。
机器人通过支撑臂的自动调整可以适应一定范围内的管径变化以及细小的障碍物。同时,该机器人不仅可以爬水平管,对于倾斜甚至竖直的管道也可以顺利通过。该机器人还具有速度快、稳定性高等特点。
参考文献
[1]张雁雁,陈晓明,章碧野,张慧.细小管道机器人爬行驱动装置[J].机电工程,2007,24(4):7-9.
[2]TAKAHSHI M,HAYASHI I.The development of an in-pipe micro robot applying the motion of an earthworm[J].Journal of Precision Engineering,1995,61(1):91-94.
[3]ShigeoHirose,Hidetakaohno,TakeoMitsui,KiichiSuyama.Design of in-pipe Inspection Vehicles for#25,#50,#150Pipes[C]//IEEE International Conference on Robotics&Automation,1999(12):310-317.
[4]HayashiI,Wwatsuki NI,Washina SI.The RunningCharacteristics of a Screw-Principle Micro Robot in a small Bent Pipe[C]//IEEE Sixth International Symposium on Micro Machine and Human science,1995:225-228.
[5]张永顺.国外微型管内机器人的发展[J].机器人,2000,22(6):506-513.
微型机器人 篇4
微型机器人能进入人类和宏观机器人所不能及的空间内进行检修、装配、运输等作业,具有广阔的应用前景。开展仿生微型机器人的运动机理、控制原理、驱动能源等方面的研究,开发不同驱动机理、不同结构的仿生微型机器人具有重要意义。
尺蠖是一种以屈伸步态移动的软体动物。本文根据SMA驱动方式的特点提出并设计了一种新型偏动式双程SMA微型驱动器,以此驱动器为基础研发出了一种新型尺蠖式仿生微型机器人,在该机器人中首次提出用四杆机构与SMA弹簧构成一种靠交替摩擦自锁方式行走的新型腿来替代关节型腿,这种四杆机构腿能有效改变微型驱动器输出力方向,也能通过改变其各杆的比例来改变步幅的大小。在我们所能查阅的资料和所掌握的综合行业信息中,尚没发现与本文结构相同的SMA尺蠖机器人,特别是没发现用四杆机构作为行走腿的微型机器人。
1 机器人基本结构和运动机理
微型机器人结构见图1[1],用矩形截面的60Si2Mn弹性弧杆做偏置元件,它与SMA主驱动弹簧构成偏动式双程SMA微型驱动器。SMA主弹簧在通电加热过程中收缩,当SMA弹簧变为奥氏体状态时屈服应力最大,驱动器处于高温力平衡态。SMA主弹簧在断电冷却过程中复原,弹性弧杆提供回复力,SMA主弹簧变为马氏体状态时屈服应力最小。表1列出了该机器人一个运动周期内各元件的加热时序[1],其中,A表示加热状态,B表示保温状态,C表示冷却状态。
驱动器及各弹簧的运动规律与周期见图2[1]。图2的原点表示SMA弹簧9开始加热;t1表示SMA弹簧9加热完成并保温,此时主驱动SMA弹簧6开始加热;t2表示SMA弹簧6加热完成并保温,此时SMA弹簧2开始加热,SMA弹簧9开始冷却;t3表示SMA弹簧2加热完成并保温;t4表示SMA弹簧9冷却完成,此时SMA簧6开始冷却;t5表示SMA弹簧6冷却完成,此时SMA弹簧2开始冷却;t7表示SMA弹簧2冷却完成。在t6时刻再次加热SMA弹簧9,开始下一个运动周期。l2和l3分别表示普通弹簧7和SMA弹簧9的输出位移,l1和l4分别表示普通弹簧4和SMA弹簧2的输出位移,l5表示SMA弹簧6和弹性杆弧5的输出位移。
1.主驱动(SMA)弹簧6的变化规律 2.前脚上驱动(SMA) 弹簧9的变化 3.前脚上复位(普通)弹簧7的变化规律 4.后脚上驱动(SMA)弹簧2的变化规律 5.后脚上复位 (普通)弹簧4的变化规律
2 主要部件的结构及工作原理
2.1 机械手结构及工作原理
文献[2]研究了一种悬臂梁式电热微机械手,本文对其改进后的基本结构及尺寸见图3。
微机械手由两个夹持臂构成,每个夹持臂包括由三根平行的矩形变截面硅梁构成的驱动臂,其顶端由连接梁相连,末端为硅基板。给不同的硅梁通电可实现通电张开或通电闭合的双向夹持运动。扩展臂依据具体夹持对象设计成相适应的形状。把原型的单硅基板改为两个上下平行硅基板结构,给不同的硅基板通电可实现机械手的上下摆动。文献[2]中,三个平行梁是等截面梁,硅基底板为实心基板。本文在每个梁的体积和质量均不变的前提下,将驱动臂改为三个不等截面但轴线相互平行的三平行梁结构,改善了驱动臂的受力条件,并使驱动臂重心向基板方向偏移。在基板质量不变的前提下,调整结构尺寸将实心硅基底板改为空心基板,提高硅基板的刚度。
2.2 四杆机构结构和工作原理[1]
图4所示为前刚性脚上四杆机构。普通弹簧CF与常温的SMA脚弹簧CE保持平衡,使四杆机构为原始态。CE弹簧加热收缩时克服CF弹簧阻力驱动四杆机构运动;CE弹簧冷却时拉力逐渐减小,在CF弹簧作用下四杆机构逐渐回复原始态。杆AC与刚性脚FE的初始夹角为75°,在CE弹簧拉力作用下先逆时针转18°使CD杆触地,再继续转57°将刚性脚FE抬起约0.83mm。在三角形ACE中,∠CAE=105°,由图4所示关系和余弦定理得
当杆AC的转角达到θ=75°时,∠C″AE=30°,由余弦定理可求C″E长度。因此,可以求出SMA脚弹簧CE的原始长度和被加热相变后的变形量。
后刚性脚上四杆机构在驱动器处于伸展状态时工作,因此,后刚性脚上四杆机构某些杆长和夹角不同于前脚,如图5所示。后脚上杆AC与刚性脚的初始夹角为60°,在SMA脚弹簧CE加热收缩拉力作用下逆时针旋转75°后将刚性脚抬起0.83mm。可见,后脚上杆CD触地时与地面的倾角小于前脚上杆CD触地时与地面的倾角,保证了后脚上的四杆机构有一定的传动角而机构自身不会发生传动自锁。
(a)四连杆自锁机构 (b)四连杆运动状态
3 机器人运动的摩擦自锁分析[1]
3.1 驱动器收缩过程受力分析
收缩过程如图6、图7所示。图7中,G为机器人重力;N为法向反作用力。用T1、T2表示前后脚阻力;f1、f2表示前后脚摩擦力。SMA弹簧6加热,由马氏体向奥氏体转变而收缩,驱动力FSMA渐增,FSMA与Ti(i=1,2)的垂直分量很小而水平分量大,摩擦力fi(i=1,2)小。当FSMA水平分量大于Ti水平分量及摩擦力fi时,前脚沿地面左滑移而后脚沿地面右滑移。驱动条件为
FSMAcos α>fi+Ticos βi i=1,2 (2)
式中,α为SMA主弹簧作用力与水平面夹角;β为弹性弧杆作用力与水平面夹角。
(a)后脚组件受力 (b)前脚组件受力
SMA弹簧6加热时,前脚SMA弹簧CE也加热收缩,克服普通弹簧CF阻力驱动四杆机构,CD杆触地后使前脚抬起,此时后脚四杆机构不动。随着α和β的增大,FSMA与Ti的水平分量减小而垂直分量增大,CD杆摩擦阻力f1增大而后脚摩擦阻力f2减小。当f1增至使CD杆绕其触地点转动而不向左滑移时,后脚在FSMA水平分量作用下克服f2力继续向右滑。CD杆自锁条件为
FSMAcos α≤T1cos β1+f1 (3)
3.2 驱动器舒张过程受力分析
舒张过程如图8、图9所示。SMA弹簧6冷却,由奥氏体向马氏体转变舒张,驱动力FSMA渐减。前脚SMA弹簧CE冷却使其CD杆抬起而前脚触地,此时后脚SMA弹簧CE被加热驱动四连杆,其CD杆触地使后脚抬起。舒张初期弹性弧杆5回复力T4与FSMA的垂直分量增大,当摩擦力f4增至使CD杆摩擦自锁时,CD杆绕触地点转动而不向左滑,受力状态为
fSMAcos α+f4≥T4cos β4 (4)
此时前脚摩擦力f3减小,在T3水平分量作用下前脚向右滑移。舒张后期α角减小,后脚CD杆摩擦自锁条件被破坏,前后脚同时舒展,但后脚向左滑移的距离小于前脚向右滑移的距离,此时机器人整体仍是前进运动。
上述两个过程的四个滑动摩擦力可表示为
i=1,2,3,4;j=1,2
式中,fi为刚性脚或连杆与地面的滑动摩擦力;μi为脚或杆与地面滑动摩擦阻尼系数;G为微机器人及夹持物的总重量。
(a)后腿分离体受力图 (b)前腿分离体受力图
式(5)中,当i取2、3时j取1,当i取1、4时j取2;当i为1、4时取“+”,i为2、3时取“-”。
为增大CD杆与地面摩擦因数以利于摩擦自锁,需在其端部镀高摩擦因数材料涂层(如橡胶[3])。为利于脚(图4中FE杆)沿地面滑移,需在脚底镀低摩擦因数材料涂层(如聚四氟乙烯)[4]。
SMA主弹簧6拉力与弹性弧杆5变形的关系非线性,因此,前后脚的摩擦自锁不一定一直出现在某一特定位置状态之后的持续状态,可能会出现某些断续状态的摩擦自锁,但这只影响机器人步伐精度,不影响机器人总体运动状态和前行趋势。
4 SMA驱动弹簧设计
4.1 SMA弹簧特性和基本参数
与普通弹簧相比,SMA弹簧有如下特性[5]:①载荷、位移、温度三者间为复杂非线性关系;②电阻率ρ和比热容c在相变中非常数,在完全马氏体和完全奥氏体状态,c基本不随温度改变;③在一个很窄的温度范围内,SMA材料的弹性模量变化较大,因此,形状恢复的动作很突然;④加载、卸载和升温、降温时存在滞后。
SMA弹簧结构为螺旋型,材料为TiNi合金,奥氏体、马氏体时弹性模量分别为EH=108GPa,EL=40GPa;高温时载荷FH=1.2N,行程Δδ=3.5mm;作用循环次数为20000～30000。基本设计过程如下:
(1)确定最大剪切应变γmax。对于NiTi合金,令γL为马氏体时剪切应变量;γmax与循环寿命成反比,选其值为1.5%。马氏体剪切弹性模量较小,在同样载荷下其应变大,则取
γmax=γL
(2)确定奥氏体时剪切应变γH。如果已知奥氏体时的弹簧位移量δH,由于γ正比于δ,此时的剪切应变γH由
(3)确定高温(奥氏体)时的剪切应力τH。由τH=γHEH得τH=0.56%×108GPa=0.6048GPa。
(4)选择弹簧指数C,计算应力修整系数k。本文选取C=4,则由
(5)计算弹簧丝直径d和弹簧中径D。弹簧丝直径为
弹簧中径为
D=Cd =6×0.16=0.96mm,取D=1mm。
(6)计算弹簧的有效圈数n。由
式中,Δδ为弹簧在高低温时的位移(变形)之差,也即弹簧的有效工作行程。
将Δγ=γL-γH代入上式可求得n值。因Δγ=γL-γH=1.5%-0.56%=0.94%,则得
同理可求:前脚四杆机构SMA脚弹簧丝直径为0.05mm,弹簧中径为0.25mm,有效圈数为9;后脚四杆机构SMA脚弹簧丝直径为0.05mm,弹簧中径为0.25mm,有效圈数为10。
4.2 SMA弹簧的温度响应分析[1,6]
SMA弹簧的响应时间是驱动器的重要性能参数,通过ANSYS瞬态分析得到在12V电压作用下,SMA弹簧的响应时间如图10所示。SMA弹簧温度达到327.7K所需的时间为4.7s,也即驱动器的响应时间为4.7s。在t=4.7s时SMA弹簧的温度场如图11所示,温度场基本满足弹簧内部温度均匀的假设。
由于SMA弹簧降温时只需降到马氏体相变结束的温度(304.5K),无需降到室温,所以,在后继的加热过程中,考虑从马氏体相变结束温度加热到马氏体逆相变结束温度,由图10可得响应时间是1.7s。驱动电压对机器人的响应时间影响较大,机器人响应时间随驱动电压的变化规律如图12所示。
SMA弹簧冷却到马氏体相变结束温度所需的时间为4.8s,如图13所示,也即SMA弹簧完成一次加热—冷却过程的时间为9.5s。同理可求出四杆机构上SMA弹簧CE的响应时间为2.5s。在此后的加热—冷却循环中,微型机器人的响应时间是6.5s。
5 结语
对新型尺蠖式微型机器人进行了整体结构和新型偏动式双程SMA驱动器设计。介绍了由SMA弹簧驱动的四杆机构与刚性化脚相配合产生的交替触地运动形式,分析了四杆机构摩擦自锁机理。确定了SMA弹簧的设计参数,分析了SMA弹簧在加热—冷却过程的相变力学特性,求解出微型机器人的响应时间和回复时间,确定了微型机器人的稳态运动条件。
由于新型偏动式双程SMA驱动器具有输出位移大、功重比高、机构简单、驱动电压低、能以自身为回馈等特点,使新型尺蠖式仿生机器人具有步幅大、攀爬力强、转向方便、承载力强等优势。
参考文献
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微型机器人 篇5
1 微型机器人驱动和无线控制系统原理
1.1 微型机器人驱动原理
理论分析表明,当带有螺旋槽的圆柱体在有粘液的人体内腔中运转时,将迫使粘液产生轴向运动,从而产生反作用力将推动微型机器人沿轴向前进。另外,当微型机器人在充满粘液的人体内腔中运转时会产生动压效应,并建立一层动压润滑粘液膜,使机器人处于悬浮状态不与内腔壁发生直接接触,避免对人体有机组织的损伤,减轻对患者的不适和痛苦。
如图1所示是微型机器人的驱动机构示意图。他由带有矩形螺旋槽的外壳体和内壳体构成,其中内壳体内部装载微型步进电机、摄像头、纽扣电池、LED驱动模块、无线收发模块和MSP430F22x4单片机控制电路板等,而外壳体安装在步进电机的转动轴上。微型机器人外壳体直径24 mm,总长度为35 mm。螺旋设计成矩形螺纹,螺纹线数为6,螺纹升角为45°,螺旋槽深为0.5 mm。螺旋槽槽面宽度与螺旋槽槽底宽度加槽面宽度之比为0.1。内壳体直径为20 mm[3]。
1.2 无线控制系统原理
微型机器人无线控制系统原理框图如图2所示,微型机器人无线控制系统分为2个部分:控制命令无线发射部分和微型机器人控制部分。控制命令无线发射部分是通过PC工作站串口发送机器人的控制指令(方向,加速减速等命令)。微型机器人控制部分通过接收控制命令改变步进电机的通电脉冲逻辑和频率,实现微型机器人的运动控制。
2 微型机器人无线控制系统硬件设计
2.1 MSP430F2234和nRF24L01芯片简介
TI公司MSP430F2234是一种超低功耗混合信号微控制器,片内具有16位定时器,通用串行通讯接口、10位A/D转换器和通用运放。32个I/O端口;灵活的时钟源可以使器件达到最低的功率消耗;数字控制的振荡器(DCO)可使器件从低功耗模式迅速唤醒,在少于1 μs的时间内激活到活跃的工作方式;由于MSP430F2234采用了JTAG技术,FLASH在线编程技术等,开发时不需要仿真器和编程器。
Nordic公司的nRF24L01是一个集成接收、发射器的芯片,工作频率范围为全球开放的2.4～2.5 GHz频段。芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制解调器等模块。芯片能耗非常低,以-6 dBm的功率发射时,工作电流只有9.0 mA,接收时工作电流只有12.3 mA。nRF24L01有4种工作模式:接收模式、发射模式、空闲模式和关机模式。nRF24L01有2种信息包处理方法ShockBurstTM和增强型 ShockBurstTM。其中增强型ShockBurstTM 使得双向链接协议执行容易,更高效。nRF24L01使用增强型ShockBurstTM处理接收包应答和重发丢失包不需要微控制器的参与。nRF24L01配置十分简单,所有的配置都是通过SPI定义配置寄存器值实现。本文设计无线收发模块信息包描述如图3所示:
2.2 无线控制命令发射部分硬件设计
无线控制命令发射部分主要是利用MSP430F2234单片机的通用串行通信模块与PC机工作站的串口通信发送控制命令。单片机需要经过电平转换电路再和串口连接。硬件电路设计如图4所示,本设计采用232芯片,完成3～5 V电平的双向转换。
2.3 微型机器人控制电路硬件设计
微型机器人控制电路硬件主要包括无线接收模块、单片机控制器和步进电机驱动模块等,电路如图5所示。由于步进电机运转的方向和通电脉冲的逻辑有关,若正逻辑时电机正转,则负逻辑时电机便反转。并且步进电机的转速和通电脉冲的频率成正比。微型机器人控制电路主要的功能就是根据接收到的控制命令控制步进电机的通电脉冲逻辑和频率。实现前进、后退、加速、减速等运动控制。
3 微型机器人无线控制系统软件设计
微型机器人无线控制系统软件设计主要有无线控制命令发射部分和微型机器人控制2个部分。无线控制命令发射部分为PC工作站和MSP430F22x4单片机串口通讯,并通过无线发射模块发送控制命令软件设计。微型机器人控制部分为无线收发模块接收控制命令并通过单片机对微型步进电机控制软件设计。系统采用模块化编程的方案,既有利于编程,又有利于软件功能扩展。
3.1 无线控制命令发射部分软件设计
上位机的功能主要通过PC机工作站串口发送控制命令经过单片机由无线发射电路把控制命令发送出来。PC上软件设计利用VC++ 6.0中串口MSCOMM控件设计,单片机通过串口中断和PC机通讯,而后把控制命令传送到无线发送模块。单片机与PC串口通讯中断程序流程如图6所示,单片机接收串口信息并通过无线发射模块发送控制命令的主程序如图7所示。
3.2 微型机器人控制软件设计
微型机器人控制软件功能很简单,主要是通过外中断服务程序接收无线控制信号,并通过定时器(TimerA)中断控制微型步进电机驱动电路,实现微型机器人的前进、后退、加速、减速等工作状态。TimerA工作在增计数模式,捕获/比较寄存器CCR0定义定时器的计数周期。微型机器人下位机控制主程序流程图如图8所示,定时器中断服务程序流程图如图9所示。
4 实验与结论
实验结果表明无线微型机器人控制系统具有很好的稳定性,快速性和准确性。本文提出了基于MSP430F2234 微型机器人无线控制系统,成功地实现了PC机工作站无线控制微型机器人加速、减速、前进和后退运行。
参考文献
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