小型舞蹈机器人的驱动系统设计

　　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。

　　舞蹈机器人之所以能完成各种流畅的动作，在于它身体各运动部位都装有相应的动力源(驱动电机)。目前在舞蹈机器人中常用的电机有三类：直流电机、舵机和步进电机。其中直流电机功耗低、力矩大，通常用于闭环控制系统;舵机控制精确、力矩较小;步进电机控制精确、功耗较大、力矩较小，通常用在开环控制系统。根据上述比赛规则要求，本文介绍的机器人选用了直流电机和舵机两类电机，文中重点讲述了这两类电机驱动系统的设计方法。

　　1 系统构成

　　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。图1是本驱动系统的原理框图。

　　2　主要模块的硬件设计

　　本驱动系统主要由信号隔离模块、舵机驱动模块、直流电机驱动芯片和降压模块等部分组成。

　　2.1 信号隔离模块

　　常见的信号隔离方法有光电耦合和变压器隔离等，本系统采用光电耦合方式对电机控制信号进行隔离，以消除模拟信号对数字信号的干扰。使用的光耦型号为TLP521-2及TLP521-4。信号隔离最重要的一点就是将数字与模拟或强电与弱电部分在供电上要完全隔开，否则就不能达到真正意义上的隔离。实际中，光耦两侧使用了两组不同的电源。本系统需要隔离的信号为舵机控制信号、直流电机启停信号及其正/反转信号。其实现电路如图2所示。图中，VCC为光耦前的数字电路电源，VCC1是光耦后的数字电路电源，GND1是模拟地。

　　2.2 驱动模块

　　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(VCC)和地(GND)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P0.0和P0.1用光耦隔离输出便可直接控制两路舵机，图2中的521-2即用于实现这部分功能。