輪組式爬樓機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李正中，張青松，鄧 翱，盧 陽，董培武

LI Zheng-zhong, ZHANG Qing-song, DENG Ao, LU Yang, DONG Pei-wu

（重慶科技學(xué)院 自動(dòng)化系，重慶 401331）

1 爬樓機(jī)器人結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有輪式機(jī)器人具有較好的水平移動(dòng)能力，但其越障性能較差，難以滿足現(xiàn)場工作的復(fù)雜環(huán)境要求。為了使爬樓機(jī)器人能自主探知障礙，并調(diào)整運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其硬件系統(tǒng)應(yīng)包括以下功能模塊：主控模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、障礙檢測模塊、電源模塊等。爬樓機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。本系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為控制核心，通過紅外傳感器探測爬樓機(jī)器人周圍有無障礙以及車體離障礙的距離等信息，經(jīng)CPU處理后產(chǎn)生行進(jìn)控制信號和爬樓控制信號，分別實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的行進(jìn)PWM調(diào)速控制和步進(jìn)電機(jī)的爬樓越障控制[1,2]。

圖1 爬樓機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 爬樓機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輪組式爬樓機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)由兩部份組成，包括位于機(jī)器人中問部位由兩個(gè)輪組驅(qū)動(dòng)的主車架，及輪組機(jī)構(gòu)。主車架由一根車軸及輔助支撐部分組成。機(jī)器人的控制部分固定于主車軸四周的支撐機(jī)構(gòu)上，移動(dòng)時(shí)和主軸一起同步旋轉(zhuǎn)。輪組結(jié)構(gòu)由兩個(gè)雙層的”Y”型鋁制支架構(gòu)成，三個(gè)等長的輪輻互成120o夾角，如圖2所示。主軸和用于越障的步進(jìn)電機(jī)分別位于固定于輪輻的交點(diǎn)的內(nèi)外側(cè)。車輪的傳動(dòng)部分位于各輪輻的端點(diǎn)處，由大減速比的直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)輪子運(yùn)動(dòng)。從而通過輪組的翻轉(zhuǎn)與步進(jìn)電機(jī)的配合實(shí)現(xiàn)機(jī)器人水平運(yùn)動(dòng)及爬樓動(dòng)作。

圖2 輪組結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 控制電路設(shè)計(jì)

該電路采用STC89C52單片機(jī)作為控制芯片，各控制部分使用模塊化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。為了提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，其輸入部分采用無線輸入控制與鍵盤輸入控制兩種形式相結(jié)合的方式。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

本機(jī)器人輪輻處使用直流減速電機(jī)，采用集成芯片L298來驅(qū)動(dòng)左右兩組直流減速電機(jī)。L298驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖3所示。其中，控制器產(chǎn)生的兩路PWM信號分別接于L298的ENA和ENB引腳，用于調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。同時(shí)IN1、IN2、IN3、IN4端口是L298邏輯控制端口，通過IN1到IN4電平的高低不同控制OUT1、OUT2電機(jī)的動(dòng)作。

圖3 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

為了增大機(jī)器人樓爬越障時(shí)的力矩，提高其越障的成功率。因此輪組軸心處采用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)爬樓及越障功能。所用步進(jìn)電機(jī)為四相步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直流電源供電。對步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電，使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。通過控制驅(qū)動(dòng)模塊ULN2003芯片10～13引腳電平的高低變化，控制CON1輸出端口的通電時(shí)序來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)正傳、反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動(dòng)角度。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器原理圖如圖4所示。

圖4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

2.4 無線控制電路設(shè)計(jì)

爬樓機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中可接受按鍵信號和無線信號，用以控制直流、步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在水平面的直線、轉(zhuǎn)彎等運(yùn)動(dòng)以及爬樓越障等動(dòng)作。該無線信號控制模塊采用NRF24L01模塊，該模塊可工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段，內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊,其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。無線控制模塊接線圖如圖5所示。

圖5 無線控制電路圖

2.5 傳感器電路

樓梯檢測采用紅外測距傳感器模塊，用以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主檢測障礙、翻越障礙的能力。紅外測距模塊利用紅外對管發(fā)射與接收紅外線，判斷機(jī)器人與障礙物之間的間距，為機(jī)器人下一步的運(yùn)動(dòng)方式提供依據(jù)[3,4]。采用霍爾傳感器可實(shí)現(xiàn)測速功能，將檢測到的數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)經(jīng)校正算法處理后輸出校正信號。為了減少傳感器之間的相互干擾，傳感器的打開與關(guān)閉用處理器控制，確保不出現(xiàn)兩個(gè)以上傳感器同時(shí)打開的情況，消除相互干擾。紅外測距及測速電路接線圖如圖6所示。

圖6 測距及測速電路圖

2.6 電源電路設(shè)計(jì)

電源的設(shè)計(jì)采用了電池組和電壓轉(zhuǎn)換電路來實(shí)現(xiàn)不同元器件對電壓的要求。處理器、傳感器、運(yùn)放處理電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片供電均采用5V供電，而對于電機(jī)則直接用可充電鋰電池組供電，電機(jī)兩端最大電壓可以達(dá)到11V，在電機(jī)的承受范圍內(nèi)，并且能夠提高電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速。電源部分的電路如圖7所示。

圖7 電源模塊

3 爬樓機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)爬樓機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡和控制要求，系統(tǒng)的控制程序要包括控制主程序、樓梯檢測子程序和爬樓子程序等。主程序流程圖如圖8所示。運(yùn)動(dòng)控制主程序完成運(yùn)動(dòng)過程處理、數(shù)據(jù)信息采集與處理，樓梯檢測子程序通過紅外測距系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)樓梯的識別，并調(diào)用爬樓子程序完成機(jī)器人的爬樓運(yùn)行過程，其流程圖如圖9所示。

圖8 控制系統(tǒng)主程序

圖9 爬樓控制子程序

4 結(jié)束語

完成設(shè)計(jì)之后，對爬樓機(jī)器人進(jìn)行了整體測試和實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示基本達(dá)到預(yù)期效果。在機(jī)器人正常行駛過程中，固定在Y型支架頂端的直流電動(dòng)機(jī)在PWM技術(shù)控制下實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的變速行走。若前方有樓梯則控制固定在Y型支架中心軸上的步進(jìn)電機(jī)，使Y型支架旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的爬樓運(yùn)行。同時(shí)這種結(jié)構(gòu)模式也能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人翻越各種類型障礙物，適合在各種不規(guī)則區(qū)域行走。具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1]李菊葉.小型機(jī)器人避障的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].北華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012.13(2).

[2]殷春武.主從履帶復(fù)合式機(jī)器人越障研究[J].計(jì)算機(jī)工程,2012.38(23).

[3]雷艷敏,朱齊丹,等.基于激光測距儀的障礙物檢測的仿真研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2012.33(2).

[4]丁偉,李海波.一種移動(dòng)機(jī)器人避障與追蹤技術(shù)研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2012.34.