一種can總線技術機器人底盤設計

珠海科技學院 劉頌陽 陳汝杰 林志彥 李思翰

近年來機器人廣泛應用在各種不同的領域中，移動機器人在軍事、服務業以及高校教育等領域都有著重要應用。而目前大部分的機器人構形有較大的局限性。為了簡化機器人設計、減少結構構件和降低機器人成本的同時，增強機器人系統性能、增加機器人功能和結構的多樣性，本文采用CAN總線技術進行模塊化設計，實現全方位移動的方案、運行性分析、定位系統以及硬件設計等方面講述一款多功能基于CAN總線模塊化的機器人底盤，增加機器人的適應能力，在復雜多變環境中也能實現全方位移動。

近年來，隨著世界科技的發展進步，機器人底盤的智能化程度得到大幅度提高，但也存在一些不盡如人意的地方。如：精度不夠，無法處理不規則形狀物體，柔性控制欠缺等。本人基于CAN總線技術，實現全方位移動的方案的機器人底盤，增加適應能力，在復雜多變環境中也能實現全方位移動。

1 底盤結構

產品模塊化設計的定義就是將目標產品的功能進行分析，再將這些特殊的要素組合構成單個具有目標功能的子系統，通過將這個子系統作為通用性的模塊與其他子系統進行多種組合從而構成新的系統。

而機器人的整個底盤系統本身就是隸屬機器人的一個子模塊，本課題設計的通用底盤就是將底盤系統劃分為獨立的懸掛系統模塊、驅動模塊和車架模塊。而目前適用于麥克納姆輪獨立驅動的輪組模式設計機構主要有橫臂式懸掛機構、縱臂式懸掛機構、斜臂式懸掛機構以及柔性連接機構。橫臂式懸掛能讓車輪在上下運動時能自動改變外傾角并且減少輪距變化減少對輪子的摩擦，并且也能自適應路面，輪子貼地性好。由于Mecanum輪的耐磨性較差，所以橫臂式懸掛系統更適合四輪獨立驅動Mecanum輪結構的底盤，懸掛系統的可以調節減震器的角度來實現不同阻尼適應更多的底盤。針對不同的工作環境和需求，驅動模塊可以更換不同的型號的電機匹配更多的底盤。車架模塊則是安裝電源、一些控制板、傳感器和可二次開發的接口，如圖1所示。

圖1 獨立懸掛式四輪底盤機器人

2 控制系統的硬件實現和can總線

2.1 控制器

機器人底盤是由驅動模塊、車架模塊等組成，機器人底盤要實現分布式控制，所以選用STM32F407IGHx作為主控制器。控制器利用CAN總線發送給電機所需要的的速度，利用PID比例算法讓4個電機的速度相同，再然后用一定的定時器頻率進行中斷，使PID算法能在合理的頻率下計算，令機器人可以進行直線運動。

2.2 CAN線協議控制器

can總線屬于現場總線的范疇，也是近年來運用的較為廣泛的總線技術之一。由于can總線技術的可靠性強，抗干擾能力強以及成本低廉，廣泛應用在工業控制領域。在設計控制系統時運用模塊化拆分結構和功能的設計方法，使用TJA1044GTK/3做為CAN的收發器。如圖2所示。

圖2 CAN協議控制器

2.3 穩壓模塊

穩壓芯片選用TPS54540，TPS54540是由8個引腳組成，引腳1和引腳8之間需要一個自舉電容器。如果該電容器上的電壓低于最小值需要操作高端MOSFET，輸出被關閉，直到電容器被刷新。引腳2是給芯片供電；引腳3是欠壓鎖使能引腳；引腳4接定時電阻用于控制開關頻率的；引腳5是電壓反饋引腳，引腳5的反饋回路接在輸出和地之間通過改變反饋回路與輸出還有反饋回路與地之間的阻值比，來調節輸出電壓。引腳6是頻率補償引腳用于補償芯片內部的開關電流；引腳7和引腳9都是接地，引腳9同時還起到散熱的作用；引腳8接的是開關MOS的輸出；使用TI官方設計工具可得24V轉5V的部分電路設計參數。如圖3所示。

圖3 穩壓模塊電路設計圖

3 結論

在日常生活逐漸智能化的今天，各類機器人進入了我們的生活之中，對于機器人的功能要求也不斷增加，工作情況也不斷復雜。然而，就傳統的機器人設計而言，設計、生產、制造以及后期維護升級等過程的成本不斷變高。本文采用CAN總線技術進行模塊化設計，實現全方位移動的方案、運行性分析、定位系統以及硬件設計等方面講述一款多功能基于CAN總線模塊化的機器人底盤，增加機器人的適應能力，在復雜多變環境中也能實現全方位移動。