基于探索者平臺(tái)的全地形機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄭靈潔,胡曉軍,陳靜儀,朱 麗,韓 婧

(湖州師范學(xué)院 工學(xué)院,浙江 湖州 313000)

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國(guó)在機(jī)器人技術(shù)、信息技術(shù)、制造技術(shù)等領(lǐng)域取得了較大突破.機(jī)器人可以替代人進(jìn)行信息采集、山地救援、救火救災(zāi)等，發(fā)展勢(shì)態(tài)良好，應(yīng)用前景廣泛[1-4].近年來(lái)，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展能為我們的生活、工作帶來(lái)何種便利已成為研究熱點(diǎn).如何有效地設(shè)計(jì)一款機(jī)器人結(jié)構(gòu)和控制程序，以提高其適應(yīng)復(fù)雜地形的能力成為首要的研究方向.目前對(duì)全地形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要有履帶式、輪式、仿生式等[5]，但這些設(shè)計(jì)都不能達(dá)到預(yù)期的效果.如履帶式機(jī)器人運(yùn)行平穩(wěn)，但爬坡性能差；輪式機(jī)器人行走效率高，但越障性能差；仿生式機(jī)器人行走能力突出，能夠適應(yīng)不同地形，但設(shè)計(jì)復(fù)雜，運(yùn)行效率低等.本文依據(jù)探索者工具箱提供的零部件，通過(guò)分析現(xiàn)有的全地形機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)，提出一種新型的雙履帶連桿全地形機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案.該機(jī)器人運(yùn)行平穩(wěn)，可通過(guò)連桿變換機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)重心調(diào)整，能較好地適應(yīng)坡道、管道、柵格等復(fù)雜地形.

1 機(jī)器人行走原理設(shè)計(jì)

為使機(jī)器人適應(yīng)多種地形，且能輕松越障，選擇運(yùn)動(dòng)能力強(qiáng)和爬坡、翻越障礙能力突出的雙履帶結(jié)構(gòu)；為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人重心的前后轉(zhuǎn)移，設(shè)計(jì)采用前后兩節(jié)長(zhǎng)短不一的履帶和車身后部加裝連桿的方法抬升結(jié)構(gòu).設(shè)計(jì)原理見圖1.

圖1 機(jī)器人設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Sketch of the overall design of the robot

在平坦的陸地運(yùn)行時(shí)，連桿放下，雙履帶與地面接觸，機(jī)器人平穩(wěn)運(yùn)行.當(dāng)遇到坡道時(shí)，連桿結(jié)構(gòu)[6]帶動(dòng)后輪抬起，并在中輪驅(qū)動(dòng)力的作用下，前輪隨坡度抬起迫使后輪著地.爬坡時(shí)，前輪與坡度面接觸，后輪與地面接觸，有效提高機(jī)器人的抓地能力，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)爬坡.當(dāng)爬至坡頂時(shí)，連桿帶動(dòng)前輪放下，前輪與坡頂平面接觸，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人坡頂?shù)钠椒€(wěn)過(guò)渡.機(jī)器人下坡的原理與上坡類似，本文不再贅述.當(dāng)遇到柵格、路障等較低障礙物時(shí)，機(jī)器人首先抬起前輪，后輪驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)至障礙物處，連桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)前輪做上下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)“滾動(dòng)+爬行”的方式帶動(dòng)機(jī)器人爬上障礙物，然后連桿放下，雙履帶與障礙物表面接觸，機(jī)器人平穩(wěn)通過(guò)障礙物.

2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

探索者工具箱包含傳動(dòng)軸、墊片、舵機(jī)雙折彎板、大輪、小輪、履帶、支架、連桿、U形架等百余種組件.機(jī)器人結(jié)構(gòu)模型主要采用16片小輪、4條履帶、4根連桿、33塊連接板、2塊孔平板、4臺(tái)電機(jī)、4個(gè)支架和其他連接部件制成；動(dòng)力系統(tǒng)由4臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)、1臺(tái)舵機(jī)和電源組成.

2.1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人車身采用“承載式”方案設(shè)計(jì)，即車身不包含車架，僅由連桿、懸架、前后骨架等模塊構(gòu)成.機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)、裝配[6]見圖2，實(shí)物模型見圖3.底板由2塊70 mm×110 mm×3 mm孔平板通過(guò)拼接方式構(gòu)成；底板上部采用折彎T形板和U形板構(gòu)成電池固定架，底板上部空置區(qū)用于安裝控制電路板.前輪和中輪的懸架主要由L形板和折彎T形板構(gòu)成，且懸架結(jié)構(gòu)一端與底板下部連接，另一端與車輪連接.后輪懸架由2塊U形板并排連接，并通過(guò)中心軸與后輪連接.前骨架主要由連桿、L形板和折彎T形板等部件構(gòu)成，并固定在底板前端，用于固定灰度傳感器和碰撞傳感器.后骨架主要由梯形板和U形板構(gòu)成，并固定在底板后端，用于固定活動(dòng)連桿的動(dòng)力部件.活動(dòng)連桿主要由L形板和折彎T形板構(gòu)成，其中L形板與后骨架中的動(dòng)力部件連接，折彎T形板與后懸架連接.前、中、后車輪分別由小輪片和支柱構(gòu)成，前輪與中輪、中輪與后輪分別通過(guò)履帶連接，且后輪通過(guò)連桿、中心軸等部件與中輪支撐系統(tǒng)連接，為后輪提供旋轉(zhuǎn)支撐.

圖2 三維模型Fig.2 3D model

圖3 實(shí)物模型Fig.3 Physical model

2.2 機(jī)器人動(dòng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人行走結(jié)構(gòu)由4條履帶和帶輪組成，并由4臺(tái)直流電機(jī)分別驅(qū)動(dòng).采用規(guī)格相同的前后帶輪帶動(dòng)履帶運(yùn)行，前后履帶的交接部位采用直流電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)，可使機(jī)器人穩(wěn)定、快速地行走.前履帶設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為后履帶設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的2/3，可使連桿抬起后重心落在后輪，機(jī)器人以后履帶著地、前履帶抬起的狀態(tài)完成越障和爬坡.

機(jī)器人的承載結(jié)構(gòu)由4個(gè)電機(jī)支架、8個(gè)L型支架和2塊孔平板組成.電機(jī)支架與直流電機(jī)連接作為主要支撐部件；L型支架相互堆疊組成U型支架，一邊與電機(jī)支架連接，另一邊與孔平板連接.機(jī)器人的后輪結(jié)構(gòu)采用傳動(dòng)軸和2塊雙折面板組成，既可保證后輪安裝的穩(wěn)定性，又可固定連桿.

機(jī)器人重心變換結(jié)構(gòu)主要由1臺(tái)舵機(jī)、4根連桿組成.舵機(jī)通過(guò)舵機(jī)支架與雙足腳連桿連接在孔平板上；舵機(jī)主軸與直連桿直接相連，并通過(guò)機(jī)械手指連桿和L型連桿連接在后輪結(jié)構(gòu)上.機(jī)器人抬起連桿就可通過(guò)控制后輪改變機(jī)器人的重心.

3 機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)原理分析、結(jié)構(gòu)分析和地形分析，全地形機(jī)器人控制系統(tǒng)可分為芯片系統(tǒng)、信號(hào)反饋系統(tǒng)、行走系統(tǒng)3個(gè)模塊.本設(shè)計(jì)將Basra主控板與BigFish 2.1控制板結(jié)合作為主控芯片系統(tǒng)，見圖4；由3個(gè)灰度傳感器和1個(gè)觸碰傳感器組成信號(hào)反饋系統(tǒng)，見圖5；由可充電式鋰電池提供動(dòng)力并驅(qū)動(dòng)4臺(tái)直流電機(jī)帶動(dòng)機(jī)器人行走.

圖4 控制卡Fig.4 Control card

圖5 傳感器Fig.5 Sensor

3.1 機(jī)器人控制方案設(shè)計(jì)

在起點(diǎn)打開開關(guān)，依靠灰度循黑線前進(jìn)，檢測(cè)循線是否準(zhǔn)確(避免上臺(tái)階偏轉(zhuǎn)).在前進(jìn)中過(guò)坡橋時(shí)，觸發(fā)傳感器，引發(fā)舵機(jī)程序，繼而抬起連桿，使后履帶輪抬升，重心移至后輪，前輪抬起，爬上坡后放下連桿，使重心重新移至前輪，前輪繼續(xù)前進(jìn)，完成爬坡動(dòng)作.下坡后檢測(cè)到黑線，降低速度，緩慢調(diào)節(jié)位置，重新循跡通過(guò)管道.出管道后重新調(diào)整車身位置，當(dāng)遇到柵格時(shí)，觸發(fā)傳感器，引發(fā)舵機(jī)程序，繼而抬起連桿，使后履帶輪抬升，重心移至后輪，前輪抬起，進(jìn)入柵格后，放下連桿，使重心重新移至前輪，前輪繼續(xù)前進(jìn)，駛出柵格.重新檢測(cè)黑線后停止輔助輪舵機(jī)動(dòng)作，前進(jìn)到終點(diǎn)，結(jié)束全部動(dòng)作.機(jī)器人控制流程見圖6.

圖6 機(jī)器人控制流程圖Fig.6 Robot control flow chart

3.2 機(jī)器人控制程序設(shè)計(jì)

因機(jī)器人控制程序較復(fù)雜，本文僅列出舵機(jī)運(yùn)動(dòng)控制程序段，具體程序如下：

#include

Servo myservo;

int time1=0;

void setup() {

myservo.attach(8);} ∥引腳

void loop() {

if(time1==0){

myservo.write(180); ∥初始位置180度

delay(16000);

time1=1;}

if(time1==1){

myservo.write(180); ∥初始位置180度

delay(1500);

myservo.write(115);∥過(guò)柵格65度

delay(2000);}}

4 結(jié) 語(yǔ)

全地形機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，國(guó)內(nèi)外對(duì)全地形機(jī)器人的研究還在不斷深入，尤其是全地形機(jī)器人在太空探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用[8].本文以探索者工具箱為基礎(chǔ)，通過(guò)分析機(jī)器人的運(yùn)行原理，分別對(duì)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì).經(jīng)過(guò)多次優(yōu)化設(shè)計(jì)和程序完善，該雙履帶結(jié)構(gòu)機(jī)器人可平穩(wěn)地在路面上行走，經(jīng)過(guò)窄橋、柵格時(shí)，可通過(guò)重心轉(zhuǎn)換將前履帶抬起，平穩(wěn)跨越障礙；配合灰度傳感器，機(jī)器人可沿著預(yù)定軌跡穩(wěn)定行走.該全地形機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)用，控制系統(tǒng)可靠，運(yùn)行高效，可適應(yīng)復(fù)雜地形.