可變執行機構智能教學移動機器人系統原型及應用

張國亮， 王展妮， 王田， 趙一霖， 吳昊

(華僑大學 計算機科學與技術學院， 福建 廈門 361021)

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可變執行機構智能教學移動機器人系統原型及應用

張國亮， 王展妮， 王田， 趙一霖， 吳昊

(華僑大學 計算機科學與技術學院， 福建 廈門 361021)

摘要：提出一種基于BASIC Stamp2的可變執行機構移動教學機器人設計方案.通過在同一機器人底架上設計不同的行走機構，使功能擴展與制造成本之間取得平衡，系統各項功能測試驗證了軟硬件設計的可行性.結果表明:所建立的系統不僅豐富了傳統教學機器人的功能，同時有效降低了重復設計不同運動機構的成本.

關鍵詞：教學機器人； BASIC Stamp2； 履帶機器人； 多足機器人

近年來，在全國高等教育教學實踐環節中，以教學機器人為平臺的創新教學活動日益增多[1]，對教學機器人的應用研究提出了更高的要求.目前，國內外多家研究機構和公司對此展開了廣泛深入的研究[2-7].這些機器人產品各具特色，從某一方面滿足了教育研究的用途.然而，教學適用性強、性價比高的產品仍比較匱乏.首先，從機構特點上看，90%以上的教學機器人采用雙輪或四輪機構，少量的系統采用履帶結構[8-9].輪式機構構造簡單，在光滑平整的路面上具有良好的機動能力，但在粗糙不平的崎嶇路面上卻無法正常運行，導致多數的教育機器人只能適用于實驗室環境，無法在野外自然環境下進行研究測試.其次，一些教育研究機器人價格高昂，如Pioneer雖然功能非常強大，但高達上萬元的價格與教育和教學研究的應用需求相去甚遠.另外，目前市場上的機器人多針對某一固定應用，開放性和擴展性較差.因此，研究具有機構靈活、成本低廉、適用于教學活動的機器人，對建立具有開放性和創新性的綜合實踐課程意義重大.本文選擇功耗低、性價比優異的BASIC Stamp2[10](BS2)作為核心器件，采用與工業機器人類似的軟硬件控制體系，在附加輪式、履帶和多足3種不同執行機構的前提下，控制整個系統成本在千元以內，滿足了一般教學機器人教育研究的需求.

1系統結構

以BS2微控制器及控制承載母板作為主控模塊，包括車架、直流電機及驅動、環境感知探測、運動執行機構、電源及外圍電路等.機器人系統設計框圖,如圖1所示.BS2在綜合承載母板上的各類傳感器信息后，通過避障算法形成運動指令，發送至運動控制系統，經脈寬調變(PWM)控制后發送至左右電機，實現指定操作.

圖1　機器人系統結構Fig.1　Structure of robot system

1.1　BS2微控制器及控制承載母板

BS2 微處理器,如圖2所示.BS2是美國Parallax公司推出的24引腳DIP封裝微控制器，芯片上集成了一塊PIC16C57單片機、EEPROM、5 V直流電源穩壓和串行接口.與其他微控制器相比，BS2的優勢是在ROM中，內建了一套小型的PBASIC編程語言直譯器，使具備BASIC編程語言撰寫能力的設計者，能夠用其開發出嵌入式系統所用的控制應用程序，大幅降低了嵌入式設計的技能學習門檻.PBASIC內已備齊了一般微控制器的功能，包括PWM輸出、I2C的串行通訊和LCD驅動等.

圖2　BS2 微處理器Fig.2　BS2 microprocessor

連接BS2，外部電源及串口通訊的承載板BS2-Boad，如圖3所示.借助BS2-Boad，可以方便地進行程序復位、下載及雙機通訊，同時將BS2 I/O與面包板相連，可隨時改變主控模塊與外部傳感器、電機等接口元件的控制結構，便于系統擴展.

圖3　BS2 承載板Fig.3　BS2 boad

1.2　機架及可變執行機構

機器人機架，如圖4所示.機器人機架由輕質鋁合金材料構成，整體呈字母U形(圖4(a),(b)).在底盤底部留有導線通路孔，兩側置有電機安裝孔和執行機構安裝用導軌.在U形機架內部后側放置直流電機，前端放置電池盒，使電機驅動和電源部件整體置于機架內部，電源及驅動線從導線通路孔引出，連接至BS2-Boad，四周配置4根3.5 cm立柱，用于放置BS2-Boad(圖4(c),(d)).

(a) 機器人底架 (b) 中心孔導線 (c) 電機裝配 (d) 電池盒裝配 圖4　機器人機架Fig.4　Robot framework

輪式、履帶和六足爬行3種機器人行走機構,分別如圖5～7所示.輪式結構采用后輪雙輪驅動，前輪為球形從動輪.為增加摩擦力，在后輪外部罩上橡膠皮套.履帶結構由一個驅動鏈輪和4個空轉鏈輪構成.驅動鏈輪直接與電機輸出軸連接，輸出動力(圖6).在機器人尾部大輪放置較大的空轉輪，保證履帶能與路面緊密貼合，而在前部放置較小的空轉輪，從而使履帶前部與地面呈30°，能夠適應一些坡形路面，下部的兩個小輪起支撐和載重作用.

圖5　輪式結構 圖6　履帶式結構Fig.5　Robot wheel structure Fig.6　Robot track structure

從圖7中可見：六足爬行機構在機架兩側各布置三足，中間足與電機輸出連接(圖7(a))，另外兩足通過兩根推動臂與中間足連接(圖7(b))，當中間足運動時，帶動另外兩足一起運動，從而實現多足爬行運動.

(a) 兩側中心桿機構 (b) 三足連接機構 (c) 雙側六足裝配 (d) 六足爬行機器人　圖7　六足爬行式結構Fig.7　Robot six footed structure

1.3　傳感器環境的檢測

傳感器是機器人感知外部環境信息的主要途徑，對機器人的導航和避障等功能具有至關重要的作用.考慮到系統運行的成本和效率，系統采用紅外和觸須兩種傳感器作為機器人環境監測的主要器件.

紅外傳感器是一種利用紅外線傳遞信息的光電轉換元件，由發射器和接收器兩部分組成.在系統中，發射器利用紅外LED將電信號調制成不同頻率的紅外線信號向空中發射，照射到障礙物反彈回來后，由紅外接收器接收此光信號并還原成電信號，發送給BS2控制器.紅外探測,如圖8所示.在已標定好距離的10個區域內(L1～L5，R1～R5)，2個紅外發射器發射5個不同頻率的信號，發射信號遇到障礙后，由接收器進行檢測.由于接受信號的頻率與距離事先已匹配，故利用檢測的頻率可推算出機器人與目標障礙之間的距離，實現測距和避障等機器人規劃策略.考慮到紅外可能存在一定的盲區和不足，在機器人前部加入一對觸須進行小范圍觸覺避障.將一對3pin公-公接頭連接在BS2-Boad的可調式控制板上，金屬絲狀觸須后端與接頭相距3 mm.金屬觸須可看成一種具有機械延展性的常開、單極、單閘開關；當給定的觸須未受壓時，連接至觸須的BS 2I/O引腳的電壓是5 V；當觸須受受壓時，I/O引腳的電壓是0 V.

圖8　紅外探測Fig.8　IR detection

1.4　通信及控制

機器人傳感及電機控制結構示意圖,如圖9所示.圖9中：左側字母P及后面數字表示連接至微控制器BS2的端子；P12和P13對應機器人機架兩側的電機；LED1和LED2用于伺服信號監測；P5和P7對應觸須檢測電路；BS2通過編程檢測10 kΩ電阻上的電壓確定觸須是否受壓；P0，P1和P8，P9分別對應紅外發生器和紅外接收器，用于機器人紅外避障.考慮到BS2遇到電壓不足時，會禁用處理器和程序存儲功能，使程序重啟.為避免機器人行為混亂，將端子P4與壓電揚聲器連接，在每次打開電源或者每次電壓過低導致復位時，利用揚聲器產生聲音警示.

圖9　機器人傳感及電機控制Fig.9　Robot sensing and motor control

2實驗測試

為驗證機器人軟硬件系統的可行性，分別進行紅外避障、觸須脫離墻角和不同路面運行3項測試.

2.1　紅外避障

在實驗室環境下，移動機器人自主漫游避障的實驗場景，如圖10所示.由圖10可知：在設定的閾值范圍內，利用紅外傳感方式，機器人在開闊的空間能夠有效地避開障礙.

2.2　機器人陷入墻角時觸須避障策略

與紅外檢測范圍較大不同，觸須導航主要在小范圍內進行實施避障.一般情況下，機器人以40 Hz的頻率監測觸須狀態，當感知到觸須受壓后朝相反方向避障.然而，當機器人處于非凸形狀障礙時，直接利用觸須導航可能會出現“峽谷效應”問題.以進入墻角為例，當機器人左須觸墻，向右轉動；經過右旋后，右須觸墻，則再次左轉.如此反復，機器人將陷入在墻角峽谷中無法脫離.

通過分析峽谷效應可以發現，直接觸須避障產生問題在于行為之間采取了互反性操作，導致行為之間的惡性循環.因此，考慮在行為中增加狀態變量記憶之前所采取的動作，防止進行相反操作，其避障策略流程有如下4個步驟.1) 定義觸須交替接觸的次數狀態變量.2) 采用狀態變量,記住每個觸須在上次壓下時所處的狀態，并和當前壓下的狀態比較.3) 如果狀態相反，計數加1.4) 如果累計計數超過了程序中預先定義的閾值，表明陷入墻角，做U型轉彎(先倒退，然后原地旋轉90°，前進一段距離脫離墻角，再旋轉90°保持向目標方向)，并把觸須交替計數器復位.

按照以上策略，利用觸須進行機器人觸覺導航的場景，如圖11所示.

圖10　紅外避障 圖11　墻角觸須壁障　　　Fig.10　Obstacle avoidance with IR Fig.11　Obstacle avoidance with whiskers at corner

2.3　不同路面的運行測試

將機器人配置不同的執行機構后，在不同的路面測試的實驗場景，如圖12所示.不同運行機構的路面通過情況，如表1所示.在光滑平整的路面上，機器人可以充分發揮輪式結構運動效率高，運行平穩的特性，速度最快，但在后兩種路面情況難以通過或不可通過.履帶式機構能在機動性和運動平穩性之間取得很好的平衡，不僅可以順利通過光滑路面，也能通過毛毯或一定斜坡的路面，但不可通過碎石路面.六足爬行式機構雖然速度最慢，但可同時通過3種路面.

(a) 光滑路面 (b) 斜坡及地毯路面

(c) 雜草及碎石路面圖12　可變執行機構通過不同路面測試Fig.12　Variable motion mechanism through different pavement test

由圖12可知：文中建立的機器人可變執行機構對不同路面具有很好的適應性.通過選擇不同的執行機構，可以有針對性地對移動機器人展開不同地形情況下的路徑規劃和避障等研究工作.

表1　不同運行機構路面通過比較

3結束語

教育機器人是開展教育和科研的良好載體，但是，目前這一領域應用的機器人或者結構復雜、價格昂貴，或者功能單一、開放性和適應性較差.文中以BASIC Stamp2微控制器作為機器人控制系統核心，一方面利用在母版上搭建直接面向用戶的電子電路，提高了傳統教學機器人的交互性和靈活性；另一方面，通過在同一機器人底架上設計不同的行走機構，構建了具有可變執行機構的教學實驗平臺，豐富了傳統教學機器人的功能，降低了重復設計不同運動機構的成本.

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(責任編輯： 黃曉楠 英文審校： 吳逢鐵)

Prototype and Application Research of Intelligent Teaching

Mobile Robot System Based on Variable Motion Mechanism

ZHANG Guoliang, WANG Zhanni, WANG Tian,

ZHAO Yilin, WU Hao

(College of Computer Science and Technology, Huaqiao University, Xiamen 361021, China)

Abstract：The design scheme of robot is presented based on variable motion mechanism with BASIC Stamp2. A balance is achieved between function expansion and manufacturing cost by design different walking mechanism with the same robot chassis. The function tests of robot system verified the feasibility of the hardware and software design. The experimental results show that the established system not only enriches function of the traditional teaching robot, but also effectively reduces the repeated design cost of different movement mechanism.

Keywords：teaching robot; BASIC Stamp2; track robot; multi-legged robot

基金項目：國家自然科學基金資助項目(61202299); 福建省自然科學基金資助項目(2013J050901); 華僑大學高層次人才科研啟動項目(11BS107); 華僑大學省級大學生創新創業訓練項目(2015年度)

通信作者：張國亮(1978-)，男，講師，博士，主要從事機器人視覺伺服、機器人遙操作的研究.E-mail:zgl0227@sina.com.

收稿日期：2015-04-18

中圖分類號：TP 242

文獻標志碼：A

doi:10.11830/ISSN.1000-5013.2016.01.0098

文章編號：1000-5013(2016)01-0098-05