全地形工程越野機器人設計

姜明慧 劉文芝 鄭培珍 梁業淇

摘? 要：工程越野機器人屬于機構及控制結合的機械創新實驗設計項目，該裝置的設計不僅要滿足機構的動作要求，而且需要結合控制及編程技術，以最簡單的機構實現能順利通過不同場地障礙物的要求。文章在主要零部件不超出“探索者”模塊化機器人組件設備要求的范圍內，經原型設計、裝配、調試、運作，設計并完成了無任何形式的遠程控制干預，靠自主控制能順利通過十種不同特點、不同難度的障礙物的機器人小車。

關鍵詞：全地形;工程越野機器人;機構;控制

中圖分類號：TP242.3? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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

隨著現代科技的發展，機器人及相關技術不斷被完善，各類機器人層出不窮地被應用到了諸多領域。車輛機器人在各類運輸和探尋工作中發揮著重要作用，它可以在特殊環境工況中開展人類幾乎無法開展的工作，如：在沙漠、沼澤、叢林等惡劣環境下迅速掌握情報、快速做出應對策略;在地震、洪水、泥石流等特殊救援中快速輸送救災人員和物資，在廢墟中行進并快速探尋被困人員;也可在極溫環境中進行運輸探查工作，如南、北極科考工作等。

本文針對“2017年中國工程機器人大賽暨國際公開賽”中“工程越野賽全地形項目”的要求，利用“探索者”模塊化機器人組件設備設計全地形機器人。結合比賽進行全地形工程越野機器人機構創新實驗設計的總體設計思路：（1）機器人小車設計與制造。（2）機器人小車過模擬全地形障礙實驗。

1 基本原理

全地形工程越野機器人主要由車輛主體機構、傳感器及控制系統組成;為了達到用最簡單的機構實現復雜的功能的目的，車輛前、后輪轉向機構采用平行雙曲柄機構，可以使車輛在既定速度下運行的同時緩沖吸震;控制系統采用ARM7 LPC2138芯片主控板，無任何形式的遠程控制干預，靠自主控制能順利通過十種不同特點、不同難度的障礙物。

平行雙曲柄機構是一種應用廣泛的連桿機構，可獨立應用，也可串聯應用。前者如機車車輪連動裝置，后者如剪義放大機構[1]。

全地形機器人運用探索者套件做出平行雙曲柄機構使得相對桿始終保持平行，且兩連桿的角位移、角速度和角加速度也始終相等，所增加的驅動輪即相當于所增加的平行桿，它既能幫助渡過運動不確定位置，又能增加最大啟動牽引力。并且多個平行雙曲柄機構疊加使用可起到放大位移的作用[2]。

2 機器人結構設計

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

（2）驅動裝置。驅動采用4個M06雙軸直流電機的4個A17 1：10模型輪胎，實現全地形機器人小車的前進、后退、左轉及右轉。

3 電路控制部分設計

（2）主控板。主控板是整機的核心原件，采用ARM7 LPC2138芯片主控板，電腦上用TKstudio進行編程，Launch LPC210x_ISP.exe進行燒錄， ARM7 LPC2138芯片主控板上有端口和串口，通過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，實現全地形機器人小車的運行。

（3）傳感器。傳感器運用探索者套件的3個黑標。

4 全地形機器人小車過模擬全地形障礙效果驗收

在主要零部件不超出“探索者”模塊化機器人組件設備要求的范圍內，經分析、原型設計、裝配、調試、運作，主體轉向裝置采用兩組正平行雙曲柄機構疊加，同時用直流電機驅動， ARM7 LPC2138芯片控制，設計并完成了無任何形式的遠程控制干預，靠自主控制能順利通過十種不同特點、不同難度的障礙物的機器人小車，如圖3所示。

該機器人小車經過測試，噪音小，速度快及運行平穩，自動尋線并能順利通過柵格地形、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、窄橋等十個不同場地、不同形狀和尺寸的障礙物。如下為機器人小車通過障礙物時的照片：

5 該全地形工程越野機器人的創新點

（1）簡易的設計。該機器人小車的平行四邊形機構底盤組裝簡易并適用于多種地形;動力系統采用4個直流電機供給，采用電機驅動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;控制系統使ARM7 LPC2138芯片主控板，完成了無任何形式的遠程控制干預，靠自主控制能順利通過十種不同特點、不同難度的障礙物的機器人小車。機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，并且構件可以在拆卸后繼續使用。

（2）可實現性高。機器人小車整體設計簡易，現有的全地形工程越野機器人多為履帶式和專門設計的輪胎，不易投入現實生產中;該機器人小車運用的零件是模擬現實中已有的零件，容易制造成品運用于現實社會。

（3）實現多學科的配合。該機器人小車涉及機械設計、三維軟件建模、機械原理、自動化、傳感器、電路控制、C語言編程、計算機模擬、材料分析等現代技術，是多學科綜合運用的結果。

6 結論

本設計通過利用平行雙曲柄機構實現可通過十余種特殊地形的越野車輛機器人。鋁鎂合金質量輕，制作簡單;直流電機驅動模擬輪胎，動作靈活;ARM7 LPC2138芯片主控板，可實現自主探路自主控制;經過現實實驗，可成功通過模擬障礙。經實際應用和改進，該機器人優化空間更大，對全地形工程越野機器人的更替進步具有重要的意義。

工程越野機器人創新實驗設計，涉及到機構、機械、動力學、控制及編程等多項內容。通過機器人的創新實驗設計，還可以綜合應用先修課程的知識如：理論力學、材料力學、計算機等，不僅提高課堂教學的有效性，同時保證教學的外延性，即把理論學習過程進一步演化成“做”的過程，“做中學”、“學中用”，從而較為全面地提高我們分析問題、解決問題的意識及能力;通過對組成機器人的機構原型創新實驗，把設計、裝配、調試、運作相結合，進一步培養我們的思維創新、團隊協作及綜合應用能力。

參考文獻：

[1]苗志懷，姚燕安，田耀斌.4U平行四邊形機構的一類新用途——整體設計為兩足步行機構[J].機器人，2011，07.

[2]百度百科.平行四邊形機構[Z].