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”美国匹兹堡市卡内基·

麦农大学机器人研究所主任麦克欧·

卡纳德如是说。

目前，我国的机器人发展正在以一种迅猛的趋势在追赶发达国。

目前机器人上广泛使用舵机控制。

所以舵机的控制对机器人的各种性能有着致关重要的作用。

因此，对机器人舵机控制方法的研究就显得很有必要。

本论文的主要任务是分析现有舵机特点和控制方法的基础上，使用计算机仿真的方法，对舵机控制系统进行仿真分析，研究机器人用舵机的控制方法，使用单片机做控制器，完成控制电路设计、制作，完成软件编程，构成舵机控制系统，实现对舵机的控制。

在完成相关实验的基础上，寻找适合特定要求的控制方法，确定控制参数，构成舵机控制系统。

二、调研资料

1、机器人的简述

机器人是一种可编程和多功能的操作机；

或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。

从它的定义上我们可以看出，它既可以运行预先编排的程序，还可以根据以人工智能技术制定的原则行动。

机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。

它的任务是协助或取代人类的一些危险或是重复繁琐的工作。

2、机器人的组成部分机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。

执行机构是机器人最终完成动作的部件。

执行机构即机器人本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副（转动副或移动副）常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。

根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。

出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部（夹持器或末端执行器）和行走部（对于移动机器人）等。

驱动装置是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行动作。

它输入的是电信号，输出的是线、角位移量。

机器人使

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用的驱动装置主要是电力驱动装置，如步进电机、伺服电机等。

市面上常见的机器人主要使用伺服电动机对机械臂进行控制，所以伺服电动机对于机器人的研发起到重要的作用，因此对于伺服电动机的研究就显得非常的重要。

这正是该论文的重要性。

3、机器人中的舵机

随着机器人技术的发展，机器人的驱动装置中诞生了一个新的词汇，那就是舵机，在各式各样的机器人中，舵机逐渐变成了最关键、使用最多的部件。

（1）舵机的定义

依据控制方式的特点，舵机应该称为微型伺服马达。

早期在模型上使用最多，主要用于控制模型的舵面，所以俗称舵机。

用作自动控制装置中执行元件的微特电机，又称执行电动机。

其功能是将电信号转换成转轴的角位移或角速度。

（2）舵机的结构

舵机由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。

舵机的外壳：

一般是塑料的，特殊的舵机可能会有铝合金外壳。

金属外壳能够提供更好的散热，可以让舵机内的电机运行在更高功率下，以提供更高的扭矩输出。

金属外壳也可以提供更牢固的固定位置。

齿轮箱：

有塑料齿轮、混合齿轮、金属齿轮的差别。

塑料齿轮成本底，噪音小，但强度较低；

金属齿轮强度高，但成本高，在装配精度一般的情况下会有很大的噪音。

小扭矩舵机、微舵、扭矩大但功率密度小的舵机一般都用塑料齿轮，如Futaba3003，辉盛的9g微舵。

金属齿轮一般用于功率密度较高的舵机上，比如辉盛的995舵机。

995在和3003一样体积的情况下却能提供13KG的扭矩。

Hitec甚至用钛合金作为齿轮材料，其高强度能保证3003大小的舵机能提供20几公斤的扭矩。

混合齿轮在金属齿轮和塑料齿轮间做了折中。

（3）工作原理

舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。

其工作原理是：

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。

（4）舵机的控制

目前现有的控制方法有：

PID控制、自适应控制、滑膜变结构控制、模糊控制PID控制：

在以往传统的控制策略中，经典PID控制作为代表，具有结构简单、稳定性好、

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可靠性高等优点，所以在伺服控制系统中得到了广泛地应用。

然而经典PID控制只适合于有精确数学模型的控制系统，当系统中存在未知或随机变化量时，这种控制方式就不能取得良好的控制效果，甚至会引起系统的不稳定。

自适应控制：

针对伺服系统结构与参数变化、各种非线性的影响，于是出现自适应控制[6]。

现在控制对象便得越来越复杂，当人们不知道被控对象的动态特性或者被控对象发生了某些不可预测的变化时，为了得到高性能的控制器。

从而提出了这种控制方法。

自适应的控制的控制目的是：

使被控对象的运动状态或轨迹符合预定的要求。

面对客观存在的各种不确定性，它能在控制过程中，进行不停的测量系统本身的输入量、状态量、输出量、或者各种动态性能参数，逐渐的掌握被控对象的各种信息，并根据从系统中获得的参数，根据特定的方法，得出控制决策来改变控制器的结构、参数和控制作用，一般在某个性能指标下，使控制效果达到最优或近似最优。

自适应控制的优点：

具有能适应坏境变化和满足系统要求的能力；

学习能力；

在内部参数失败时，有恢复的能力；

良好的鲁棒性。

然而自适应控制也存在一定的弊端，如：

数学模型和运算繁琐，使控制系统复杂；

辨识和校正都需要一个过程，所以对一些参数变化较快的系统，会因为来不及校正而难以产生很好的效果。

滑模变结构控制：

伺服系统的另一种控制方法—滑模变结构控制。

这种控制方法本质上是一类特殊的非线性控制，其非线性体现在控制方法的不连续性。

这种控制策略与其他控制策略的不同之处是控制系统的结构不固定，在动态过程中，根据系统当前的状态有目的地进行不断变化，迫使系统运动在预定的滑模面上。

因为滑动模态能够进行设计，被控对象参数的变化也与其无关，所以变结构控制具有很多优点，如能快速响应输入、参数变化及给予扰动对其控制影响比较慢等优点。

而且滑模变结构控制系统不需要在线辨识，而且控制实现比较简单。

然而滑膜变结构控制也有它的缺点：

当状态轨迹到达滑模面后，就不能严格的沿着滑模面运动向平衡点，而可能使其在滑模面的两侧来回穿越，这样就产生了震荡。

这种震荡不但会影响控制的精度，增加资源消耗，而且会很容易激发出系统中的高频未建模动态特性，进而破坏系统的动态性能，甚至使系统失稳，损坏控制器部件。

因此，关于变结构控制信号抖振消除的研究成为变结构控制研究的首要问题。

模糊控制：

由于以上两种控制方法的缺陷，于是又出现了模糊控制。

模糊控制属于智能控制，模糊控制有三个基本组成部分：

模糊化、模糊决策、精确化计算。

模糊控制过程简单的可以描述为：

把被控对象的测量值从数字量转化为模糊量，然后对模糊量按给定的模糊逻辑推理规则进行模糊推理，得出模糊控制器控制输出的推理结果，再把推理输

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出结果的模糊量转化为实际系统能够接受的精确数字量或者模拟控制量

（5）模拟舵机

在现在发展的机器人舵机当中，一般普遍应用模拟舵机。

模拟舵机是一个微型的伺服控制系统，具体的控制原理可以用下图表示：

工作原理是控制电路接收信号源的控制脉冲，并驱动电机转动；

齿轮组将电机的

速

度

成

大

倍

数

缩小，并将电机的输出扭矩放大响应倍数，然后输出；

电位器和齿轮组的末级一起转动，测量舵机轴转动角度；

电路板检测并根据电位器判断舵机转动角度，然后控制舵机转动到目标角度或保持在目标角度。

模拟舵机需要一个外部控制器产生脉宽调制信号来告诉舵机转动角度，脉冲宽度是舵机控制器所需的编码信息。

舵机的控制脉冲周期20ms，脉宽从0.5ms-2.5ms，分别对应-90度到+90度的位置。

虽然模拟舵机采用反馈控制系统，但它还是存在一定的缺点。

模拟舵机由于使用模拟器件搭建的控制电路，电路的反馈和位置伺服是基于电位器的比例调节方式。

由于电位器线性度的影响、精度的影响、个体差异性的问题，会导致控制匹配不了比例电压，比如我期望得到2.5V的电压位置，但第一次得到的是2.3V，经过1个调节周期后，电位器转到的位置已经是2.6V了，这样控制电路就会给电机一个方向脉冲调节，电机往回转，又转过头，然后又向前调节，以至于出现不停的震荡，这就是所谓抖舵现象。

为了避免模拟舵机所带来的缺点，人们正在研究一种新形势的舵机，那就是数字舵机。

（6）数字舵机

数字舵机区别于传统的模拟舵机，模拟舵机需要给它不停的发送PWM信号，才能让它保持在规定的位置或者让它按照某个速度转动，数字舵机则只需要发

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送一次PWM信号就能保持在规定的某个位置。

因此数字舵机的出现得以实现48路舵机控制器的实现.按照舵机的转动角度分有180度舵机和360度舵机。

180度舵机只能在0度到180度之间运动，超过这个范围，舵机就会出现超量程的故障，轻则齿轮打坏，重则烧坏舵机电路或者舵机里面的电机。

360度舵机转动的方式和普通的电机类似，可以连续的转动，不过我们只可以控制它转动的方向和速度，不能调节转动角度。

数字舵机从根本上颠覆了舵机的控制系统设计。

数字和模拟舵机相比在两个方面有明显的优点：

1是防抖

2是响应速度快

数字舵机可以以很高的频率进行调节，这个周期和角度会变得非常小，并且由于PID调节方式的存在，能够在以很适当的PID参数进行调节，能够让舵机有很高的响应速度，且不会出现超调。

三、毕设初步设计设想

目前，对舵机的控制方法有以下几种。

可以使用FPGA、模拟电路、单片机构成舵机的控制器，但FPGA成本高且电路复杂。

模拟电路中，常用的一种方法是采用调制信号获取有源滤波后的直流电压，但是需要50Hz（周期是20ms）的信号，这对运放器件的选择有较高要求，从电路体积和功耗考虑也不易采用，5mV以上的控制电压的变化就会引起舵机的抖动，电源和其他器件的信号噪声都远大于5mV，所以滤波电路的精度难以达到舵机的控制精度要求。

本次设计采用单片机产生PWM信号对舵机进行控制，由于单片机系统是一个数字系统，其控制信号的变化完全依靠硬件计数，所以受外界干扰较小，整个系统工作可靠。

基于单片机的舵机控制方法具有简单、精度高、成本低、体积小的特点，并可根据不同的舵机数量加以灵活应用。

单片机系统实现对舵机输出转角的控制，必须完成两个任务：

首先是产生基本的PWM周期信号，本设计是产生20ms的周期信号；

其次是脉宽的调整，即单片机模拟PWM信号的输出，并且调整占空比。

当系统中只需要实现一个舵机的控制，采用的控制方式是改变单片机的一个定时器中断的初值，将20ms分为两次中断执行，一次短定时中断和一次长定时中断。

这样既节省了硬件电路，也减少了软件开销。

选择用单片机做为舵机的控制器控制舵机的输出角度，那么该以什么样的控制规律来控制舵机，以满足机器人运动性能的要求，就需要找到一种合适的控制方法。