全地形工程越野機(jī)器人設(shè)計(jì)

姜明慧 劉文芝 鄭培珍 梁業(yè)淇

摘? 要：工程越野機(jī)器人屬于機(jī)構(gòu)及控制結(jié)合的機(jī)械創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，該裝置的設(shè)計(jì)不僅要滿足機(jī)構(gòu)的動(dòng)作要求，而且需要結(jié)合控制及編程技術(shù)，以最簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)能順利通過(guò)不同場(chǎng)地障礙物的要求。文章在主要零部件不超出“探索者”模塊化機(jī)器人組件設(shè)備要求的范圍內(nèi)，經(jīng)原型設(shè)計(jì)、裝配、調(diào)試、運(yùn)作，設(shè)計(jì)并完成了無(wú)任何形式的遠(yuǎn)程控制干預(yù)，靠自主控制能順利通過(guò)十種不同特點(diǎn)、不同難度的障礙物的機(jī)器人小車。

關(guān)鍵詞：全地形;工程越野機(jī)器人;機(jī)構(gòu);控制

中圖分類號(hào)：TP242.3? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）08-0041-03

Abstract： The engineering off-road robot belongs to the mechanical innovation experiment design project which combines the mechanism and the control. The design of the device should not only meet the action requirements of the mechanism， but also need to combine the control and programming technology， so as to achieve the requirements of smooth passage through obstacles in different sites with the simplest mechanism. In this paper， with the main parts not exceeding the requirements of the "seeker" modular robot component equipment， through prototype design， assembly， debugging， and operation， designs and completes remote control intervention without any form.This robot car that can successfully pass through ten obstacles with different characteristics and difficulties by autonomous control.

Keywords： all terrain; engineering off-road robot; mechanism; control

引言

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)不斷被完善，各類機(jī)器人層出不窮地被應(yīng)用到了諸多領(lǐng)域。車輛機(jī)器人在各類運(yùn)輸和探尋工作中發(fā)揮著重要作用，它可以在特殊環(huán)境工況中開展人類幾乎無(wú)法開展的工作，如：在沙漠、沼澤、叢林等惡劣環(huán)境下迅速掌握情報(bào)、快速做出應(yīng)對(duì)策略;在地震、洪水、泥石流等特殊救援中快速輸送救災(zāi)人員和物資，在廢墟中行進(jìn)并快速探尋被困人員;也可在極溫環(huán)境中進(jìn)行運(yùn)輸探查工作，如南、北極科考工作等。

本文針對(duì)“2017年中國(guó)工程機(jī)器人大賽暨國(guó)際公開賽”中“工程越野賽全地形項(xiàng)目”的要求，利用“探索者”模塊化機(jī)器人組件設(shè)備設(shè)計(jì)全地形機(jī)器人。結(jié)合比賽進(jìn)行全地形工程越野機(jī)器人機(jī)構(gòu)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)思路：（1）機(jī)器人小車設(shè)計(jì)與制造。（2）機(jī)器人小車過(guò)模擬全地形障礙實(shí)驗(yàn)。

1 基本原理

全地形工程越野機(jī)器人主要由車輛主體機(jī)構(gòu)、傳感器及控制系統(tǒng)組成;為了達(dá)到用最簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能的目的，車輛前、后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用平行雙曲柄機(jī)構(gòu)，可以使車輛在既定速度下運(yùn)行的同時(shí)緩沖吸震;控制系統(tǒng)采用ARM7 LPC2138芯片主控板，無(wú)任何形式的遠(yuǎn)程控制干預(yù)，靠自主控制能順利通過(guò)十種不同特點(diǎn)、不同難度的障礙物。

平行雙曲柄機(jī)構(gòu)是一種應(yīng)用廣泛的連桿機(jī)構(gòu)，可獨(dú)立應(yīng)用，也可串聯(lián)應(yīng)用。前者如機(jī)車車輪連動(dòng)裝置，后者如剪義放大機(jī)構(gòu)[1]。

全地形機(jī)器人運(yùn)用探索者套件做出平行雙曲柄機(jī)構(gòu)使得相對(duì)桿始終保持平行，且兩連桿的角位移、角速度和角加速度也始終相等，所增加的驅(qū)動(dòng)輪即相當(dāng)于所增加的平行桿，它既能幫助渡過(guò)運(yùn)動(dòng)不確定位置，又能增加最大啟動(dòng)牽引力。并且多個(gè)平行雙曲柄機(jī)構(gòu)疊加使用可起到放大位移的作用[2]。

2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。全地形機(jī)器人底盤主體由“探索者”模塊化機(jī)器人組件組成，因該機(jī)器人小車需要過(guò)多種地形，必須要保證整體質(zhì)量輕，而構(gòu)件全部由鋁鎂合金材料制成，質(zhì)量輕且強(qiáng)度高有效的保證了機(jī)器人具有良好的越野性能。機(jī)器人小車的前后各有一個(gè)與地面垂直的平行雙曲柄機(jī)構(gòu)。平行雙曲柄機(jī)構(gòu)所用的桿件之間均用螺釘、軸套和螺母固定。其兩長(zhǎng)桿之間共四個(gè)短桿，其中間兩個(gè)短桿分別連接兩條長(zhǎng)桿用以連接兩個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)構(gòu)成全地形機(jī)器人小車的底盤。

（2）驅(qū)動(dòng)裝置。驅(qū)動(dòng)采用4個(gè)M06雙軸直流電機(jī)的4個(gè)A17 1：10模型輪胎，實(shí)現(xiàn)全地形機(jī)器人小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)及右轉(zhuǎn)。

3 電路控制部分設(shè)計(jì)

（2）主控板。主控板是整機(jī)的核心原件，采用ARM7 LPC2138芯片主控板，電腦上用TKstudio進(jìn)行編程，Launch LPC210x_ISP.exe進(jìn)行燒錄， ARM7 LPC2138芯片主控板上有端口和串口，通過(guò)輸入輸出接口線連接主控板與電池、主控板與傳感器、主控板與電機(jī)，實(shí)現(xiàn)全地形機(jī)器人小車的運(yùn)行。

（3）傳感器。傳感器運(yùn)用探索者套件的3個(gè)黑標(biāo)。

4 全地形機(jī)器人小車過(guò)模擬全地形障礙效果驗(yàn)收

在主要零部件不超出“探索者”模塊化機(jī)器人組件設(shè)備要求的范圍內(nèi)，經(jīng)分析、原型設(shè)計(jì)、裝配、調(diào)試、運(yùn)作，主體轉(zhuǎn)向裝置采用兩組正平行雙曲柄機(jī)構(gòu)疊加，同時(shí)用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)， ARM7 LPC2138芯片控制，設(shè)計(jì)并完成了無(wú)任何形式的遠(yuǎn)程控制干預(yù)，靠自主控制能順利通過(guò)十種不同特點(diǎn)、不同難度的障礙物的機(jī)器人小車，如圖3所示。

該機(jī)器人小車經(jīng)過(guò)測(cè)試，噪音小，速度快及運(yùn)行平穩(wěn)，自動(dòng)尋線并能順利通過(guò)柵格地形、減速帶、小型階梯、石塊地形、U型隧道、凹形隧道、防滑帶、柔軟草地、大樓梯、窄橋等十個(gè)不同場(chǎng)地、不同形狀和尺寸的障礙物。如下為機(jī)器人小車通過(guò)障礙物時(shí)的照片：

5 該全地形工程越野機(jī)器人的創(chuàng)新點(diǎn)

（1）簡(jiǎn)易的設(shè)計(jì)。該機(jī)器人小車的平行四邊形機(jī)構(gòu)底盤組裝簡(jiǎn)易并適用于多種地形;動(dòng)力系統(tǒng)采用4個(gè)直流電機(jī)供給，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)模擬輪胎的行走方式極大地提高了減震性能和電能的供給;控制系統(tǒng)使ARM7 LPC2138芯片主控板，完成了無(wú)任何形式的遠(yuǎn)程控制干預(yù)，靠自主控制能順利通過(guò)十種不同特點(diǎn)、不同難度的障礙物的機(jī)器人小車。機(jī)器人小車的零部件之間的連接都采用可拆卸的連接方式，方便替換維修，并且構(gòu)件可以在拆卸后繼續(xù)使用。

（2）可實(shí)現(xiàn)性高。機(jī)器人小車整體設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易，現(xiàn)有的全地形工程越野機(jī)器人多為履帶式和專門設(shè)計(jì)的輪胎，不易投入現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中;該機(jī)器人小車運(yùn)用的零件是模擬現(xiàn)實(shí)中已有的零件，容易制造成品運(yùn)用于現(xiàn)實(shí)社會(huì)。

（3）實(shí)現(xiàn)多學(xué)科的配合。該機(jī)器人小車涉及機(jī)械設(shè)計(jì)、三維軟件建模、機(jī)械原理、自動(dòng)化、傳感器、電路控制、C語(yǔ)言編程、計(jì)算機(jī)模擬、材料分析等現(xiàn)代技術(shù)，是多學(xué)科綜合運(yùn)用的結(jié)果。

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)通過(guò)利用平行雙曲柄機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)可通過(guò)十余種特殊地形的越野車輛機(jī)器人。鋁鎂合金質(zhì)量輕，制作簡(jiǎn)單;直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模擬輪胎，動(dòng)作靈活;ARM7 LPC2138芯片主控板，可實(shí)現(xiàn)自主探路自主控制;經(jīng)過(guò)現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)，可成功通過(guò)模擬障礙。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用和改進(jìn)，該機(jī)器人優(yōu)化空間更大，對(duì)全地形工程越野機(jī)器人的更替進(jìn)步具有重要的意義。

工程越野機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，涉及到機(jī)構(gòu)、機(jī)械、動(dòng)力學(xué)、控制及編程等多項(xiàng)內(nèi)容。通過(guò)機(jī)器人的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，還可以綜合應(yīng)用先修課程的知識(shí)如：理論力學(xué)、材料力學(xué)、計(jì)算機(jī)等，不僅提高課堂教學(xué)的有效性，同時(shí)保證教學(xué)的外延性，即把理論學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)一步演化成“做”的過(guò)程，“做中學(xué)”、“學(xué)中用”，從而較為全面地提高我們分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的意識(shí)及能力;通過(guò)對(duì)組成機(jī)器人的機(jī)構(gòu)原型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，把設(shè)計(jì)、裝配、調(diào)試、運(yùn)作相結(jié)合，進(jìn)一步培養(yǎng)我們的思維創(chuàng)新、團(tuán)隊(duì)協(xié)作及綜合應(yīng)用能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]苗志懷，姚燕安，田耀斌.4U平行四邊形機(jī)構(gòu)的一類新用途——整體設(shè)計(jì)為兩足步行機(jī)構(gòu)[J].機(jī)器人，2011，07.

[2]百度百科.平行四邊形機(jī)構(gòu)[Z].