移動(dòng)教學(xué)機(jī)器人設(shè)計(jì)

陳震宇，錢 樺

（北京林業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100035）

0 引言

當(dāng)前國(guó)內(nèi)用于教學(xué)的機(jī)器人普遍為輪式機(jī)器人，其有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便等特點(diǎn)，易于初學(xué)者接觸學(xué)習(xí)，多用于巡線避障等實(shí)驗(yàn)。但是，由于其功能比較單一，在競(jìng)賽方面，輪式移動(dòng)機(jī)器人的適用范圍比較狹窄，除了在早期的比賽中有所展示之外，漸漸地退出了競(jìng)賽范圍。多自由度的機(jī)械臂也普遍被應(yīng)用在機(jī)器人教學(xué)項(xiàng)目里，被用來(lái)演示一定空間范圍內(nèi)物體的抓取，用以運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的教學(xué)。這種機(jī)械臂的優(yōu)點(diǎn)在于由一臺(tái)專門的上位機(jī)控制，可通過(guò)相應(yīng)的軟件直接進(jìn)行機(jī)械臂空間位置的調(diào)整。但是，其缺點(diǎn)也很明顯，一般都是位置固定的，而且普遍為封閉的，不用于拆卸。

本文針對(duì)開放式教學(xué)的特點(diǎn)，結(jié)合教學(xué)實(shí)際，設(shè)計(jì)了一套基于本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)用的輪臂式教學(xué)機(jī)器人，搭建了具有較高的開放性、通用性和關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)的微型機(jī)器人的教學(xué)平臺(tái)。

1 機(jī)器人整體設(shè)計(jì)方案

圖1為機(jī)器人系統(tǒng)總設(shè)計(jì)框圖。本教學(xué)用機(jī)器人的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)以控制系統(tǒng)模塊化為主，采用嵌入式系統(tǒng)為主要控制技術(shù)?？刂葡到y(tǒng)主要由AVR核心模塊、驅(qū)動(dòng)電路模塊、左右輪直流電機(jī)、超聲波傳感器模塊、擴(kuò)展插槽模塊、紅外及其他傳感器模塊、關(guān)節(jié)型機(jī)械臂機(jī)構(gòu)和直流電源模塊等組成。

主控器以ATmega 128嵌入式微處理器為核心，在機(jī)器人智能控制中起主導(dǎo)作用。超聲波傳感器模塊用于機(jī)器人避障，利用超聲波傳感器采集反饋信息后，將采集信號(hào)傳送給ATmega128處理器，通過(guò)嵌入式軟件的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的識(shí)別避障。同時(shí)，紅外傳感器模塊一方面用來(lái)彌補(bǔ)超聲波傳感器模塊的盲區(qū)，另一方面可以采集路面信息，收集尋跡信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)黑線或白線的尋跡。無(wú)線攝像頭用于圖像的采集。

圖1 機(jī)器人系統(tǒng)總設(shè)計(jì)框圖

行走機(jī)構(gòu)使用四輪結(jié)構(gòu)，包括車身、車架以及4個(gè)車輪。其中ATmega128核心板、控制器擴(kuò)展板以及驅(qū)動(dòng)板等總共3層電路板固定在移動(dòng)機(jī)器人的車身上。供電電源為直流12V，采用鋰電充電電池。

主控器的控制軟件基于AVR嵌入式開發(fā)環(huán)境，使用相關(guān)的C應(yīng)用程序開發(fā)。機(jī)器人通過(guò)無(wú)線模塊向PC上位機(jī)發(fā)送超聲波傳感器、紅外傳感器以及其他傳感器反饋的數(shù)據(jù)，然后與無(wú)線攝像頭得到的信息進(jìn)行融合計(jì)算之后得到合適的決策。

2 機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

教學(xué)機(jī)器人主要由移動(dòng)平臺(tái)與機(jī)械手臂2大部分組成，圖2為機(jī)器人的移動(dòng)平臺(tái)布局，由2個(gè)主動(dòng)輪帶動(dòng)2個(gè)從動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)，且在底板前方及左、右兩側(cè)安裝傳感器，中部位置固定機(jī)械手臂。

該機(jī)器人需精確地將機(jī)械手移動(dòng)到給定點(diǎn)，由末端夾持機(jī)構(gòu)開始工作，完成抓取動(dòng)作?；诖艘?，整個(gè)機(jī)械手臂設(shè)計(jì)為一個(gè)具有5自由度的關(guān)節(jié)型機(jī)械手臂，各關(guān)節(jié)處皆有舵機(jī)控制，如圖3所示。其中，1，2，3號(hào)關(guān)節(jié)控制機(jī)械手臂，起機(jī)械手的定位作用，1號(hào)關(guān)節(jié)連接旋轉(zhuǎn)臺(tái)和大臂，做原地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；2號(hào)關(guān)節(jié)連接大臂和小臂，做上下起俯運(yùn)動(dòng)；3號(hào)關(guān)節(jié)連接小臂和下端手腕（4，5號(hào)關(guān)節(jié)）部分，做上下起俯運(yùn)動(dòng)。4，5號(hào)關(guān)節(jié)模擬腕關(guān)節(jié)功能，4號(hào)關(guān)節(jié)做左右擺動(dòng)，5號(hào)關(guān)節(jié)做原地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)連接末端夾持機(jī)構(gòu)。

圖2 移動(dòng)平臺(tái)整體布局

圖3 機(jī)械臂關(guān)節(jié)

3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控制器

主控制器分為ATmega128核心電路板和附屬的擴(kuò)展主板兩部分，核心板通過(guò)雙排插針與主板進(jìn)行電氣連接。

3.2 超聲波傳感模塊

超聲波傳感器抗干擾能力強(qiáng)、體積小、使用便捷、實(shí)用性強(qiáng)。采用超聲波傳感器進(jìn)行避障和路徑規(guī)劃時(shí)使用渡越時(shí)間法可測(cè)量傳播距離。超聲波發(fā)生器運(yùn)行時(shí)開始計(jì)時(shí)，傳播時(shí)遇到障礙物會(huì)發(fā)生反射形成回波傳遞到接收端，停止運(yùn)行并記錄時(shí)間。最終超聲波傳感器依據(jù)記錄的時(shí)間以及路徑計(jì)算出障礙物的距離，確保避障及時(shí)。

3.3 紅外傳感器模塊

紅外傳感器普遍采用的測(cè)量原理為三角測(cè)量原理和PSD測(cè)距法，其三角測(cè)量原理如圖4所示。紅外發(fā)射器按照一定的角度發(fā)射紅外光束，當(dāng)遇到物體以后，光束會(huì)被反射回來(lái)。反射回來(lái)的紅外光線被CCD檢測(cè)器檢測(cè)到以后，會(huì)獲得一個(gè)偏移值L，利用三角關(guān)系，在得知發(fā)射角度a、偏移值L、中心距X以及濾鏡的焦距f后，傳感器到物體的距離D就可以通過(guò)幾何關(guān)系計(jì)算得出。

PSD測(cè)距采用SHARP的GP2Y0A02YK0F傳感器模塊，內(nèi)置有紅外LED和PSD（position sensitive detector）檢測(cè)器模塊，可將傳感器前面放置物體的距離變換為直流電壓輸出。

圖4 三角測(cè)量原理

3.4 驅(qū)動(dòng)電路

功放驅(qū)動(dòng)電路采用雙極H橋型的集成電路L298N，它是由SGS公司生產(chǎn)的高性能脈寬調(diào)制功率放大器，具有體積小、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。內(nèi)部包含兩個(gè)H橋高電壓大電流橋式驅(qū)動(dòng)器，單片即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)全橋動(dòng)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)。

3.5 電源電路

機(jī)器人運(yùn)行時(shí)不需交流電源，采用1組鋰電池供電，電壓約12V。除舵機(jī)和傳感器供電需要電源模塊直接供電之外，電源模塊還須給控制器及控制器的外圍設(shè)備供電，因此必須對(duì)電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由于本設(shè)計(jì)中所用的大部分芯片的工作電壓是5V，因此采用電壓轉(zhuǎn)換芯片LM7805將12V的電源電壓轉(zhuǎn)換成5V。另外，如果舵機(jī)同時(shí)工作，電流較大，為增大穩(wěn)壓模塊的最大負(fù)載電流，本設(shè)計(jì)將5個(gè)LM7805并聯(lián)后負(fù)責(zé)給舵機(jī)及舵機(jī)驅(qū)動(dòng)板供電，一個(gè)LM7805給最小系統(tǒng)板和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板供電。

通過(guò)對(duì)教學(xué)機(jī)器人的設(shè)計(jì)、制作、組裝、測(cè)試和運(yùn)行，機(jī)器人能通過(guò)避障方式穩(wěn)定行駛，并且能準(zhǔn)確抓取目標(biāo)。教學(xué)機(jī)器人實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 教學(xué)機(jī)器人實(shí)物圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的移動(dòng)教學(xué)機(jī)器人通過(guò)最后的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了避障、巡線、抓取等功能，證實(shí)了方案的可行性和合理性，并且在之后的大學(xué)生機(jī)器人興趣小組上進(jìn)行了詳實(shí)的教學(xué)，極大地提高了學(xué)生對(duì)于機(jī)械、電子和自動(dòng)控制等多門機(jī)器人相關(guān)課程的認(rèn)識(shí)及動(dòng)手能力。

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