《机器人技术》实验指导书
《机器人技术》 实验指导书
适用专业: 机械电子工程 课程代码: 150106379 学时: 4 学分: 编写单位: 机械工程学院 编 写 人: 杨 强 审 核 人: 审 批 人:
《机器人技术》实验指导书
实验一 CDS5516舵机实验
一、实验目的和任务
1. 掌握CDS5516舵机的工作原理； 2. 掌握CDS5516舵机的总线通讯协议；
3. 了解掌握CDS5516舵机的编程调试环境 Robot Servo Terminal； 4. 掌握CDS5516舵机ID号、波特率以及查找模式的设置方法。
5. 完成舵机位置变化（150-700），速度变化（230-330）时的位置、目标位置时间变化曲线，以及位置、速度时间变化曲线。
二、 实验仪器、设备及材料
1. 多功能调试器（含USB AB线）一套；
2. 舵机（任意 ID号）一个、舵机线两条；
3. 12V电源一个；
4. PC机一台。
三、实验原理
CDS5516数字舵机是“卓越之星”的主要执行器，它易用，可靠，并且适用于各种构型。CDS 系列
机器人舵机属于一种集电机、伺服驱动、总线式通讯接口为一体的集成伺服单元，主要用于微型机器人的关节、轮子、履带驱动，也可用于其他简单位置控制场合。CDS5516的实物如图1.1所示。
图1.1 CDS5516 数字舵机实物图
1．总线通讯的特点
CDS5516 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255254个的 CDS5516。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，并且需要步伐协调，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
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在如下几个要求。
（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，其他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，就唧唧喳喳地成了一锅粥了。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，步伐协调，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。CDS5516的半双工串行异步总线的物理线路是舵机线、UART接口等。
（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，其他的带队老师是从机，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 255254个方阵也不一定。在 CDS5516 的总线上，“创意之星”控制器就是主机，发布 CDS5516 需要执行的命令，比如 ID 为 1 的舵机转 50°，其他舵机不动。CDS5516就是从机，这个总线可以串联很多 CDS5516，如图 1.1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 CDS5516 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，但从机只响应和自己ID匹配的命令。CDS5516都有自己的ID号，出厂默认都是1，可以使用 Robot Servo Terminal软件进行修改，具体操作请查阅《Robot Servo Terminal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
CDS5516工作在上述两种模式，这是由总线协议规定的，可以给1号CDS5516下达转 50°的命令，给
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2号舵机下达转 30°的命令，然后下达一个命令让所有总线上的 CDS5516同时开始执行刚才发布的命令，详细协议可以查阅《CDS5516数据手册》。
通过上述的例子应该已经了解了 CDS5516 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，只能直接连到控制器上，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。但总线式舵机不一样，只有一个 CDS5516接口，理论上就能控制 255254 个CDS5516。为什么说是理论上呢？CDS5516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255254个舵机的话，同时工作起来，总线上的电流将达到500A的可怕程度。实际上，我们也不可能搭建一个具有255254个舵机的构型。
2．CDS5516的使用
CDS5516 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，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。出厂的CDS5516默认 ID 为 1，在“卓
越之星”包装盒里有 CDS5516 ID 编号的不干胶，设好ID后请将不干胶粘贴到舵机后盖上，避免遗忘。
CDS5516有专用的调试环境 Robot Servo Terminal，在这个环境下，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。
CDS5516采用总线式通讯，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，我们需要把 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。CDS5516让我们摆脱了这种窘境，我们可以将“六足爬虫”每条腿上的 3个 CDS5516串联在一起，
再连到控制器上。我们也可以将机械手的6个关节串联成一串，最后用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 CDS5516需要使用不同 ID；每串 CDS5516的数量不能太多，最好是6个以
下。正常工作下单个CDS5516的电流可能达到500mA～1A，堵转电流可达到2.5A，单组6个CDS5516
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CDS5516 可能因为沿途舵机线的分压而导致工作电压过低，CDS5516在电压过低时会出现复位、数据通讯不正常等状况。
3．CDS5516的自我保护
CDS5516还有其他的功能，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，负载远远高于机械手爪。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。如表 1-1所示，
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表1-1 CDS5516 保护状态说明表
名称 0 指令错误 过载 校验和错 指令超范围 过热 角度超范围 过压欠压 详细说明 - 收到一个未定义的指令或ACTION前未收到REG WRITE指令 位置模式运行时负载大于最大输出扭矩 指令校验和错误 指令超过指定范围 温度超过指定范围 角度超过设定范围 电压超过指定范围 CDS5516定义了 7种错误、危险的工作状态，您可定义 CDS5516对这7种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，我们可以将其理解为“切断扭矩输出”。CDS5516卸载进入保护模式，意思是CDS5516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。
我们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CDS5516的目的。主要
有以下 4个方面。
（1）角度限制。CDS5516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，我们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，就需要将角度限制设置为0～682 控制量682对应角度200°），当我们的控制指令在0～682之间，舵机能够按照给
定的指令运动；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。
（2）电压限制。我们可以设置CDS5516的工作电压范围，由于硬件设计的限制，CDS5516的工
作电压是 6.5V～10.5V，低于 6.5 V CDS5516 将不能正常工作，高于10.5V会烧毁CDS5516。设定
好电压限制之后，当CDS5516上的加载电压高于或低于此范围舵机将会置位于错误标志位，软件的“电
压超范围”指示灯会点亮。
（3）温度限制。CDS5516能够检测自身工作温度，温度过高可能会烧毁舵机。我们可以设置正
常工作温度范围，当 CDS5516检测到温度过高后，舵机将会强制卸载停止工作。
（4）转矩限制。“转矩限制”限制了CDS5516的最大工作电流，起到限制CDS5516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，可以让机械手爪能够抓起草莓，而又不会将草莓捏碎。
4．CDS5516的调试设置软件
CDS5516 的基础参数设置、保护参数调节、性能测试等都可以通过 Robot Servo Terminal软件（如
图1.2所示）来实现。
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