04第4章 电机和舵机的控制Word格式文档下载.docx
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底板的上面开了许多孔，用以方便安装其它部件。
底板的一面是光滑的，另一面是不光滑的，安装部件时应尽可能装在光滑的一面上。
底板图片
舵机结构件：
是专用的舵机安装构件，用来安装舵机并把舵机固定到底板或其它构件上。
舵机结构件图片
连接件：
步骤1：
安装底盘和舵机架
用连接件连接底板和舵机结构件，如图。
3.4CDS5500数字舵机
机器人之所以有“人”字，是因为人们希望这种新的人造物能够像人一样，除了有聪慧的大脑、敏感的知觉外、还要有灵活的活动能力，从而能够代替人完成人们所不期望亲力亲为的事情。
机器人常用的运动驱动部件有直流有刷电机、直流无刷电机、步进电机、舵机等。
下面我们将重点讨论创意之星配置的机器人专用舵机——CDS5500数字舵机（电机）。
ProMOTIONCDS系列机器人舵机属于一种集成电机、伺服驱动、总线式通讯接口为一体的集成伺服单元，既可以当作电机作用，也可以当作舵机使用。
当用作电机时它可以360度不停的旋转，控制它的参数为速度和时间，当用途舵机时，它只能旋转300度，控制它的参数为速度和角度，主要用与微型机器人的关节、轮子、履带驱动，也可以用于其它简单位置控制场合。
图2.35CDS5500机器人舵机
CDS5500的特点如下：
◆大扭矩：
10Kgf
cm的持续转动输出扭矩，大于20Kgf
cm位置保持扭矩
◆位置伺服控制模式下转动范围0-300°
◆高转速：
最高0.16s/60°
输出转速
◆在速度控制模式下可连续旋转，调速
◆DC6.5V～8.4V宽电压范围供电
◆总线连接，理论可串联254个单元
◆0.32°
位置分辨率
◆高达1M通讯波特率
◆双端输出轴，适合安装在机器人关节
◆0.25KHz的伺服更新率
◆高精度全金属齿轮组，双滚珠轴承
◆兼容RobotisDynamixel通讯协议
◆连接处O型环密封，防尘防溅水
◆具备位置、温度、电压、速度反馈
步骤2：
安装舵机
先按照图所示，将舵机架装到底板上（安装时注意舵机架不能装反，原因是舵机架的两端长度不统一）。
再将舵机装入舵机架中用螺丝钉固定（注意：
舵机不能装反，安装两侧舵机要对称）。
3.5轮子
在我们现实生活中，我们能够看到各种各样的轮式车辆，他们是我们设计轮式机器人的参考。
实际上，轮式机器人底盘就是把现实的轮式车辆进行缩微和简化而已。
除了摩托车、自行车，各种轮式车辆一般至少有3个轮子同时着地，这样能够让车辆在任何时候都能保持平衡。
同样，在这里我们也不应该选择两轮的构型，控制两轮机器人保持平衡是很困难的，您在第八章能体会得到。
表4.1常见轮子底盘结构对照表
序号
结构类型
说明
1、
后面两个独立驱动的轮子，前面一个转弯用无驱动轮子。
2、
后面两个无动力轮子，前面一个有动力的转向轮。
3、
前面两轮驱动，后面两轮从动，前后都带差速器。
4
前后都是驱动轮，带差速器。
越野车的驱动方式。
5
四轮独立驱动，模型四驱车的驱动方式。
6
中间两个独立驱动的轮子，前后各有一个万向轮。
7
前面一个万向轮，后面两个独立驱动的轮子。
注：
有动力的驱动轮，
无动力的随动轮，
万向轮。
上表我们列出了7种常见的，轮式机器人底盘上经常用到的结构类型。
由于“创意之星”标准版没有万向轮和差速器，我们排除3、4、6、7构型。
1、2构型需要有比较大的转弯半径，5构型的四个轮子可以单独驱动控制，具有很强的机动能力，并且动力比较强劲，所以我们采用构型5。
我们控制四个电机，让机器人能够灵活运动，四个电机转动输出和机器人平台的方向对应关系如表4.2所示。
之后我们需要根据机器人前方的障碍物情况，控制机器人的方向。
表4.2电机与底盘的运动关系对照表
状态
驱动方式
前进和后退
给左右两边的轮子同样向前或向后的电机转速，底盘就会前进或者后退。
有转弯半径的转向
左边的轮子给较高的转速，右边的轮子给较低的转速，底盘就会向右前方转向。
无转弯半径的转向
左右两个给一样的速度，但不同方向的电机转动，底盘就会原地转向。
至此，我们已经清楚我们需要什么样子的轮式小车来完成本次实验。
创意之星里的轮子及连接件主要有
橡胶轮LG和LTLZ4
可以选择其中的一种作为机器人的轮子。
步骤3：
安装橡胶轮
用连接组件橡胶轮连接起来，并用螺丝钉固定。
再将控制板等上层组件与上层底板连接，最后将上下两个底板连接到一块。
组建成完整的小车。
3.6舵机ID
1总线通讯的特点
CDS5500采用半双工串行异步总线通讯，控制器可以通过一个UART接口，控制多达255个的CDS5500。
这是什么意思呢？
我们借用现实中的一个例子来解释。
某学校接到上级要来视察工作的通知，校长为了给领导留个好印象，决定举行一个隆重的欢迎仪式。
他让宣传部编排了一些欢迎动作，这些欢迎动作需要10个方阵的学生共同表演，并且需要步骤协调，每个方阵由一个老师带领，所有的方阵由宣传部长指挥。
带队老师和部长都发一个对讲机，校长要求：
1、部长的对讲机调在讲话模式，带队老师的对讲机调在接听模式。
2、部长统一发布方阵的动作指令，比如A方阵下蹲、B方阵摇手、C方阵站立等。
每个带队老师都能听到这些命令，A方阵带队老师只关心与A方阵有关的命令，不理会和B方阵有关的命令，否则动作就乱套了。
同样，其它方阵的老师也只关心自己方阵的命令，除了要求所有方阵都执行的指令之外。
3、命令只能由部长发布，任何带队老师不能给其他带队老师发布动作命令。
4、带队老师不能随便将对讲机调为讲话模式，向部长咨询事情，否则大家都调为讲话模式，就唧唧咋咋的成了一锅粥了。
只有在部长要求回答的时候才能回答，回答完毕后立刻将对讲机调回接听模式。
某个风和日丽的日子，领导终于来了。
部长按照剧本对方阵老师下命令：
所有方阵听指令，我先发布各个方阵的动作，各个方阵记住自己的动作之后先不执行，等我说执行，所有方阵一起执行。
现在开始，A方阵向前走5步，B方阵摇手，C方阵放气球……，现在所有方阵执行动作。
欢迎仪式动作整齐，配合默契，步骤协调，获得了领导的大加赞赏。
总线是指能为多个功能部件服务的一组信息传输线，它是计算机中系统与系统之间、或者各部件之间进行信息传送的公共通路。
它由一定的物理线路和接口、数据协议规范所构成。
1、部长和各个带队老师的对讲机就是这样的物理线路，它让指挥者和执行者之间的通信成了可能。
校长发布的几个规定就是总线协议，这个协议让总线不会出现冲突、紊乱，让通信能够正常完成。
CDS5500的半双工串行异步总线的物理线路是舵机线、UART接口等，CDS5500也有一套总线协议，您可以在《CDS5500数据手册》里看到具体描述。
2、部长发布命令，其他带队老师只能接受命令，不能发布命令，因此我们可以称部长为主机，其它的带队老师是从机，这个总线上只能有一个主机，否则多人发布命令会导致带队老师（从机）不知道听谁的命令好。
从机可以有很多，现在有10个方阵，如果欢迎仪式的剧本复杂点，可能需要255个方阵也不一定。
在CDS5500这个总线上，“创意之星”控制器就是主机，发布CDS5500需要执行的命令，比如ID为1的舵机转50°
，其它舵机不动。
CDS5500就是从机，这个总线可以串联很多CDS5500，如图2.35所示。
3、这个总线是半双工总线，部长在说的时候，带队老师只能听，带队老师要说话必须将接收机调为讲话模式，部长需要调成收听模式，带队老师说完之后需要立刻切换为收听模式，否则会影响部长发布命令。
“创意之星”控制器作为主机，发布CDS5500的动作指令，舵机在控制器要求应答时才发送应答数据，发送完成后立刻将自己的接口状态调整为接收状态。
4、每个方阵都有自己的代号，这就是从机的ID（地址），主机发布的命令所有从机都可以接收到，但某从机只响应和自己ID匹配的命令。
CDS5500都有自己的ID号，出厂默认都是1，您可以使用RobotServoTerminal软件进行修改，具体操作请查阅《RobotServoTerminal使用说明》。
5、部长可以让带队老师逐个执行动作，比如让A方阵先转向，再让B方阵蹲下，也可以让所有的方阵记住他们要执行的动作，然后同时执行，这样效果会比较整齐。
“创意之星”控制器也可以让CDS5500工作在上述两种模式，这是由总线协议规定的，您可以给1号CDS5500下达转50°
的命令，2号舵机转30°
的命令，然后下达一个命令让所有总线上的CDS5500同时开始执行刚才发布的命令，详细协议可以查阅《CDS5500数据手册》。
通过上述的例子您应该已经了解了CDS5500的半双工异步串行总线的意思及其特点。
那么总线式的机器人舵机和R/C舵机相比有什么优点呢？
我们再用上述例子来说明。
R/C舵机不是总线式的，只能直接接到控制器上，并且占用一个专有端口。
这就要求部长必须长10张嘴，拿着10个对讲机才能给10个方阵下命令。
我们如果要控制20个R/C舵机，则您设计的控制器必须具备20个R/C舵机接口。
“创意之星”控制器有8个R/C舵机接口，能够同时控制8个R/C舵机。
但总线式舵机不一样，只有一个CDS5500接口，理论上就能控制255个CDS5500。
为什么说是理论上呢？
CDS5500是需要消耗电能的，在工作的时候最高可能有2000mA的电流需求，如果在这个总线上接入255个舵机的话，同时工作起来，总线上的电流将达到400A的可怕程度。
实际上，我们也不可能搭建一个具有255个舵机的构型。
2CDS5500的使用
CDS5500采用半双工串行异步总线进行控制，每个舵机都有自己单独的ID号，您在机器人构型搭建时需要对ID号进行配置，以免机器人的某些关节的ID号重叠。
博创出厂的CDS5500默认ID为1，在“创意之星”包装盒里有CDS5500ID编号的不干胶，您设好ID后请将不干胶粘贴到舵机后盖上，避免遗忘。
CDS5500有专用的调试环境RobotServoTerminal，在这个环境下，您可以设置舵机ID、波特率、工作模式、速度限制、角度限制、电压限制等等。
CDS5500采用总线式通讯，您可以串联使用。
使用R/C舵机时我们一直很苦恼，如果我们设计的构型有20个舵机，我们需要接20根线都接到控制器，整个机器人会被长短不一、颜色各异的线所包围缠绕。
CDS5500让我们摆脱了这种窘境，我们可以将6足爬虫每条腿上的3个CDS5500串联在一起，再连到控制器上。
我们可以将机械手的六个关节串联成一串，最后一根线接到控制器上，整个走线非常简单、清晰，可靠性也高很多。
需要注意的是：
每个CDS5500需要使用不同ID；
每串CDS5500的数量不能太多，最好是6个以下。
正常工作下单个CDS5500的电流可能达到500mA~1A，堵转电流可达到2.5A，单组6个CDS5500的工作电流可能达到3-8A。
这样的电流会让舵机线发热，并产生比较大的电压降，最后一个CDS5500可能因为沿途舵机线的分压而导致工作电压过低，CDS5500在电压过低时会出现复位、数据通讯不正常等等状况。
图2.36CDS5500机器人舵机的串联使用
3CDS5500的自我保护
CDS5500还有其它的功能，诸如角度限制、扭矩限制等。
在您搭建机器人过程中，这些功能很是重要，某些时候您需要根据构型进行重新配置。
在使用传统R/C舵机时，我们经常遇见舵机长时间卡死，导致过热烧毁的现象，这是舵机自我保护功能不完善的一种表现。
在实际使用过程中，每一个舵机的使用条件都是不一样的，有些舵机的使用环境非常良好，有些则是工作条件恶劣。
比如机械手根部关节（图2.36的
、
关节），负载远远高于机械手爪（图2.36的
关节）。
CDS5500会实时检测工作电流、负载、温度，借此判断各种工作状态。
当出现过载、过热、过压、指令错误等就会发出报警信息，甚至直接卸载以保护舵机。
如下表所示，CDS5500定义了7种错误、危险的工作状态，您可定义CDS5500对这7中工作状态的应对措施，比如报警、指示灯闪亮、卸载等。
注意：
上文提到的“卸载”这个概念，您可以将其理解为“切断扭矩输出”。
CDS5500卸载进入保护模式，意思是CDS5500由于出现错误工作状态，进入保护模式，切断舵机的扭矩输出，舵机处于没有力量的状态。
卸载这个概念在接下去的章节里还会重复出现。
表2.6CDS5500保护状态说明
名称
详细说明
---
指令错误
如果收到一个未定义的指令或收到ACTION前未收到REGWRITE指令
过载
位置模式运行时负载大于最大输出扭矩
校验和错
指令校验和错误
指令超范围
指令超过指定范围
过热
温度超过指定范围
角度超范围
角度超过设定范围
过压欠压
电压超过指定范围
您可以对以上的保护措施进行参数调节，以达到适合使用条件又能保护CDS5500的目的。
主要有以下四个方面：
●角度限制
CDS5500在舵机模式下，有效角度控制范围是0-300°
，对应控制量为0-1023。
在某些运用场合，您可能需要限制舵机的转角，比如舵机转过200°
之后可能出现卡死，您需要将角度限制设置为0-682（控制量682对应角度200°
），当您的控制指令在0-682之间，舵机能够按照您的指令运动；
您的指令如果超过682，舵机将保持到682位置，不会往更高角度运转。
●电压限制
您可以设置CDS5500的工作电压范围，由于硬件设计的限制，CDS5500的工作电压是6.5V-10.5V，低于6.5VCDS5500将不能正常工作，高于10.5V会烧毁CDS5500。
您设定好电压限制之后，当CDS5500上的加载电压高于或低于此范围舵机将会置位错误标志位，软件的“电压超范围”指示灯会点亮。
●温度限制
CDS5500能够检测自身工作温度，温度过高可能会烧毁舵机。
您可以设置正常工作温度范围，当CDS5500检测到温度过高后，舵机将会强制卸载停止工作。
●转矩限制
“转矩限制”限制了CDS5500的最大工作电流，起到限制CDS5500的最大输出扭矩的作用。
在机器人手掌关节或需要长时间堵转的场合常常用到这个功能，默认为最大值1023，即为最大扭矩输出。
通过限制扭矩大小，您可以让机械手爪能够抓起草莓，而又不会将草莓捏碎。
4CDS5500的调试设置软件
CDS5500的基础参数设置、保护参数调节、性能测试等都可以通过RobotSevoTerminal软件来实现。
图2.37RobotSevoTerminal
步骤4：
ID号的查询/修改及电机模式设置
取出多功能调试器，电源，安装好。
查询串口号
填入串口号
查询ID
修改ID
修改电机舵机模式
舵机/多功能调试器/电源接线图
将四个轮子的ID设置为左前1，右前2，左后3，右后4
3.7机械手
机械手组件是创意之星专为安装机械手设计的，
它主要包括如下六件：
它与舵机一起使用组成一个完整的机械手。
其与舵机安装好后的效果图
它可以张开到mm，可以夹持直径mm，重量g的物品
步骤5：
机械手安装
将机械手的三个舵机ID设置为机械手端5，第一个关节6，第二个关节7
把安装好的机械手装在另外一个底板上。
三自由度机械手图片
步骤6：
安装其它零部件
安装声强传感器，控制器，和LED灯到上底板上，如图所示。
最后把上下两个底板安装到一起。
最终完成的搬运车图片
步骤7：
接线
红外
声强
LED灯
电机
舵机
多功能调试器
电源
3.8舵机的两种模式
我们刚才在搭建机器人的时候，轮子用的是舵机，机械手用的也是舵机，那它们之间有什么区别，应该如何使用？
其实，我们所使用的舵机有两种模式，即电机模式和舵机模式，也就是说一个舵机即可以当电机使用，进行连续旋转，也可以当舵机使用，在300度的范围内转动。
想如何使用舵机，就得在“工程设置”时的“舵机设置”中进行模式设置。
如图。
这个窗口会在新建文档时出现，也可在建完文档后点击设置/工程设置来进行。
步骤8：
新建工程及参数设置
新建工程，进入舵机设置界面，在“当前构型的舵机个数”中填入7。
在“当前构型的舵机列表”中，将前四个“mode”设置为“电机模式”。
单击下一步进入AD设置，这一步不作设置，单击下一步进入IO设置界面。
IO设置
单击完成进入主界面。
步骤9：
增加while循环控件
拖入一个while控件，放在start和end之间，组成一个死循环，这样可以使程序永远处于控制之中。
3.9条件判断if语句和break语句
If语句位于程序模块中，它总是与ENDIF语句成对出现，如图
在if语句图标上有两个向下的前头，也就是说有个走向，左边黄色箭头表示判断为真时的分支，右边蓝色前头表示判断为假时程序的走向。
步骤10：
增加启动开关
拖入一个while控件，两个数字输入控件，一个if控件，一个break控件，一个variable控件，组成一个开关。
该开关与声强传感器相对应，可以实现拍手启动机器人。
最后连线的效果图如图所示
各图标的属性设置如下：
Variable：
变量，int，io11.
Digitalinput：
通道11，io11.
While：
1
If（）：
io11==0
生成的开关程序代码如下：
#include"
background.h"
intmain（intargc,char*argv[]）
{
intio11=0;
//定义函数
MFInit（）;
MFSetPortDirect（0x000007FF）;
io11=MFGetDigiInput（11）;
//读取io11口的值
while
（1）
{
if（io11==0）//判断是否有声音
break;
//有声音跳出循环，执行后面的程序，相当于一个开关
}
//没有声音，继续读取io11口的值
//跳出开关之后的程序
}
3.10舵机控件—servo（N）
1电机模式
功能模块中的第一个控件就是舵机控件，把它拖入主界面后双击它可以对其进行属性设置，其意义与其它控件相似。
1注释框的使用方法与其它控件相同。
2属性框中，其四个标签的意义如下：
意义
取值范围
舵机模式
电机模式
ServoID
0-30
Angle
0-1023
不可用
Speed
-1023-1023
Mode
电机模式/舵机模式
属性框中还有
设置全部：
属于一种快捷设置方式。
当我们需要把所有的舵机或电机数值设置为同一个值时，可以更改位置或速度的值，然后点击设置全部，可以把所有ID的舵机或电机相应的值同时设置为同一个值，默认值为512.。
执行动作：
调试时使用，目前是灰色的不可用。
3选定舵机操作
在属性框中，我们可以对舵机的角度值和速度值直接进行修改。
也可以通过本框单独进行操作。
当我们在属性框中选中某个舵机时，其ID号会出现在标签上，角度和速度的拖拉条同时也显示目前的值，我们可以拖动拖拉条来设置其值。
当在电机模式角度拖拉条不可用。
中位：
角度拖拉条后面有中位按钮，其作用是让舵机直接复中位，512.
停止：
直接让舵机的速度为0.
调试和卸载在调试状态下可用。
4舵机位置，在舵机模式时使用。
2小车的运动
安装好硬件后，我们就得让小车运动，那么如何让小车前进和转弯呢？
首先我们得了解电机的转向问题。
把舵机拿在手上，输出轴面向我们，如图，当我们给电机一个正值时，其转向是逆时针的。
当为0时，停止转动，当值为负值时，转向为顺时针，并且值其绝对值越大，其转速越快。
其取值范围是-1023—1023.当取值为1023时，其每分钟的转速约为转/分钟。
舵机转向图片
步骤11：
小车前进
从上面的分析可知，左边的轮子为正值时向前转，右边的轮子为负值时，向前转。
拖入一个舵机控件，设置属性如下，1，3轮为左前和左后，设置其值为512，2，4右前和右后，设置其值为-512.
拖入一个delay控件，延时设置为5000.
步骤12：
小车左转和前进
步骤13：
小车停止
3舵机模式
步骤14：
增加开关，等待夹持物的到来
步骤15：
张开机械手
3.11舵机调试
3.12再谈delay
步骤16：
后退5秒
步骤17：
左转，前进，回到原处
松开机械手恢复原状
步骤18：
编译/下载
3.13编辑代码
使用流程图进行编辑是northstar软件的优点，如果有人习惯于使用手写编辑代码，不习惯于使用流程图，或者觉得流程图不灵活，那么就可以在在流程图编辑过程中，或生成代码后，从Tools菜单或者工具栏点击EditCode，软件就会切换到代码编辑模式，如图2.65所示。
此时可在前面生成流程图生成的代码基础上进行编辑，或手动输入新代码，然后编译，下载，即可运行程序。
可以通过File菜单下的SaveCode将代码窗口的代码保存成.c或者.cpp文件，或者通过LoadCode来加载代码文件到代码窗口。
但要注意，如果切换到代码窗口进行了修改，就不要再切换回流程图窗口了，因为如果再切换回去，代码窗口的内容就会被流程图所生成的代码重新覆盖！
步骤19：
编辑代码
点击代码命令，进入代码窗口，
3.14程序调试
调试
把机器人放
升级会员 