Stable球系統(tǒng)研究設(shè)計

蔡志凱，張福鼎

(江蘇第二師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，江蘇南京，211222)

0 引言

目前市場已出現(xiàn)智能運輸機(jī)器人、送餐機(jī)器人、醫(yī)院送物送藥機(jī)器人等。這些機(jī)器人的誕生說明人工智能在未來市場會占據(jù)很大一部分的優(yōu)勢，以及說明智能運輸、售賣系統(tǒng)并不是天方夜譚，實用且可實施。但這些機(jī)器都有一個共同的缺點：人形態(tài)或者支架形態(tài)都容易發(fā)生損壞、碰撞、翻到等意外情況的發(fā)生。針對這一情況，球形態(tài)就可大大避免發(fā)生此類問題。

現(xiàn)如今雖然這些機(jī)器人能完成基本的配送，但是無法保證配送東西的完好，所以本次項目想通過保持重心的穩(wěn)定來使得物體在運輸過程中受到碰撞和傾斜后仍保持物體不傾斜。目前已出現(xiàn)無人駕駛勘探機(jī)器人、以及針對疫情防控發(fā)明的防疫、消毒、消殺機(jī)器人以及紅外測溫機(jī)器人等，同樣的也會出現(xiàn)此類問題。近些年出現(xiàn)的深水以及地底勘探機(jī)器人，容易受到強(qiáng)大的壓強(qiáng)作用，球形態(tài)可以最大程度分散表皮所受到的壓力。市場上的智能外賣保溫箱，雖說保溫，卻容易出現(xiàn)泄露，碰撞，翻倒，從而影響菜品的質(zhì)量，而stable球系統(tǒng)可以解決此類問題。

近年來，機(jī)械運動對穩(wěn)定性方面的追求越來越重視，國際上有關(guān)運輸類機(jī)器人技術(shù)的探究應(yīng)用，都迅速成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點。穩(wěn)定性領(lǐng)域的主要研究課題是如何運用電機(jī)驅(qū)動器、穩(wěn)定器等外接設(shè)備在外界干擾的狀態(tài)下始終保持穩(wěn)定（平穩(wěn)）。經(jīng)過初步調(diào)研,該方面市場運用場景非常廣泛，尤其在新崛起的智能運輸機(jī)器人方面，創(chuàng)新運用種類繁多，無不體現(xiàn)科學(xué)魅力。

目前國外市場已經(jīng)出現(xiàn)智能運輸機(jī)器人，送餐送貨機(jī)器人等[2-3]。如Starship Technologies里的自動駕駛機(jī)器人，Starship具有完整的避障功能，可以完全自動執(zhí)行任務(wù)。而此前在亞馬遜進(jìn)行測試取得配送機(jī)器人Scout，它由電池進(jìn)行驅(qū)動，行駛速度與人類步行速度接近，因此在配送過程中不容易出現(xiàn)物品的側(cè)翻及泄漏；丹麥的MIR公司生產(chǎn)的MIR機(jī)器人，是倉儲機(jī)器人[4]，可以360度全方位識別障礙物，實現(xiàn)穩(wěn)定；國外的AXTER公司生產(chǎn)的叉車式AGV，該機(jī)器配有能360度障礙物檢測的激光安全掃描儀，當(dāng)遇到障礙物接近時，能自動減速停車，達(dá)到平穩(wěn)行駛的目的，使得配送的物品保持穩(wěn)定而不會傾倒。

目前國內(nèi)的研究程度來看，隨著群眾生活水平的提高，對于物質(zhì)的需求更加的大，從以前的只能手工完成一些笨重且危險的活，到現(xiàn)在的有了相應(yīng)的機(jī)器人去完成。從之前的僅能完成一些基本動作的機(jī)器人到現(xiàn)在智能系統(tǒng)的出現(xiàn)，機(jī)器人也變得智能化了，尤其是送餐送貨機(jī)器人的研發(fā)。國內(nèi)無人物流配送以京東的研究投入最為突出[5-6]，2016年9月，其自主研發(fā)的國內(nèi)受輛無人配送車開始實施路測，2017年6月，京東無人車在中國人民大學(xué)順利完成首單配送任務(wù)。近幾年來，菜鳥、美團(tuán)和蘇寧等有著強(qiáng)大物流體系背景的公司也同樣致力于無人配送技術(shù)的研究，其中最主要致力解決的問題就是物流運輸過程中保持運輸物品的完整。北京的極智嘉公司生產(chǎn)的極智機(jī)器人，屬于倉儲機(jī)器人具有舉升搬運、導(dǎo)航避障、智能調(diào)度等功能，這些功能在很大的程度上能夠保證物品的完整，不會導(dǎo)致?lián)p壞；我國的美團(tuán)公司生產(chǎn)的無人配送車，使用超聲波、激光雷達(dá)等傳感器融合方案，可在室外低速安全平穩(wěn)地運輸食物。雖然在低速運動下能夠保證配送物品保持相對穩(wěn)定，但是遇到突然剎車或者被其他物品碰撞就會導(dǎo)致食物側(cè)翻從而導(dǎo)致配送失敗。

1 Stable球系統(tǒng)設(shè)計

STC89C51是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有4K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程Flash,使得STC89C51在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。而本項目stable球系統(tǒng)電路主要靠STC89C51中央控制器完成對整個電路的控制，供電系統(tǒng)通過STC89C51中央控制器控制電機(jī)驅(qū)動模塊從而完成對升降電機(jī)的驅(qū)動。壓敏傳感器屬于傳感器的一種，通常用于感受壓力信號，它不但能夠感受壓力信號而且還能夠有規(guī)律的將壓力信號轉(zhuǎn)換成可以使用的電信號。壓敏傳感器通常由壓力敏感元件和信號處理單元組成，在工業(yè)實踐中最為常用，其廣泛運用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、電力等眾多行業(yè)，而壓敏傳感器在本電路中主要用于控制電路電壓，在檢測到壓力時，電路電壓減小，從而影響電路的通斷。

電機(jī)驅(qū)動電路既可以通過繼電器或功率晶體管驅(qū)動，也可利用可控硅或功率型MOS場效應(yīng)管驅(qū)動。而電機(jī)驅(qū)動器可以通過控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和運轉(zhuǎn)速度，以此來實現(xiàn)對占空比的控制，來達(dá)到對電機(jī)怠速控制的方式。而在本電路中，主要運用了L298N電機(jī)驅(qū)動芯片，L298N，是一款接受高電壓的電機(jī)驅(qū)動器，直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)都可以驅(qū)動。一片驅(qū)動芯片可同時控制兩個直流減速電路做不同動作，在以12V左右為范圍的一個基礎(chǔ)內(nèi)，提供2安培的電流，并且具有過熱自斷和反饋檢測功能。L298N可對電機(jī)進(jìn)行直接控制，通過主控芯片的I/0輸入對其控制電平進(jìn)行設(shè)定，就可以為電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)驅(qū)動，穩(wěn)定性好、操作簡單，可以滿足直流電機(jī)的大電流驅(qū)動條件。

ULN2003A是一個7路反向器電路，即當(dāng)輸入端為高電平時ULN2003A輸出端為低電平，當(dāng)輸入端為低電平時ULN2003A輸出端為高電平。由于ULN2003A是集電極開路輸出，為了讓這個二極管起到續(xù)流作用，必須將COM引腳（pin9）接在負(fù)載的供電電源上，只有這樣才能夠形成續(xù)流回路。也可以作為一些器件，如步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路。

Stable球系統(tǒng)的主要框架由兩個同心球面完成，設(shè)想是通過在兩個同心球面之間的間隙填充大小合適，質(zhì)量適宜，潤滑度高的滾珠（類似于軸承的制作原理），使得該系統(tǒng)外表皮和內(nèi)核相互隔開卻又緊密聯(lián)系。滾珠也是隔離帶的一種，同時，這種設(shè)計并不一定止步于雙層，若是運送比較重的物品，加厚加層可以更好的保障物品和機(jī)器的安全，并且通過鋪加多層的滾珠，使內(nèi)核更加不易受到外界環(huán)境的影響，從而達(dá)到外界晃動，但內(nèi)核依舊保持原狀態(tài)相對靜止的目的。

本項目Stable球系統(tǒng)電路可分為重心保持模塊，電機(jī)驅(qū)動模塊，主單片機(jī)電路板，制動模塊等。重心保持模塊用于實現(xiàn)穩(wěn)定和測控，目前設(shè)計方案是：主要框架由兩塊平行電路板完成，設(shè)想是通過在兩塊平行電路板之間的間隙填充大小合適，質(zhì)量適宜，潤滑度高的金屬球體，存放在底層電路板重心摳出的一個凹槽處，并在底層方形電路板的四端設(shè)置四個空心的導(dǎo)電貼片，倘若整體產(chǎn)生一定傾斜角度，金屬球體則會從凹槽中滾出，滾動到相對位置較低的貼片一端，由于金屬球可以導(dǎo)電，則可利用金屬球?qū)▽?yīng)電機(jī)驅(qū)動模塊，相當(dāng)于可移動開關(guān)，從而導(dǎo)通相對應(yīng)的電機(jī)電路，實現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動，達(dá)到制衡的目的，同時，這種設(shè)計并不一定止步于雙層，若是運送比較重的物品，加厚加層可以更好的保障物品和機(jī)器的安全。本設(shè)計Stable球系統(tǒng)電路板主要是使用單片機(jī)控制電機(jī)，從而使框架保持平衡這樣的一個系統(tǒng)，然后使運輸物品達(dá)到平衡和安全的效果。

圖1 Stable系統(tǒng)硬件模型

本項目的電源輸入主要采用直流電源，由于電機(jī)驅(qū)動模塊的輸入電壓是12V，需采用5號電池組提供直流電源。使用杜邦線導(dǎo)通至中央控制模塊。本項目使用的傳感器是壓力傳感器。用于控制電路的通斷，當(dāng)金屬球觸碰到壓力傳感器時，壓力產(chǎn)生變化，電路電壓隨即產(chǎn)生變化，控制對應(yīng)電機(jī)工作，從而達(dá)成控制電路的目的。

主單片機(jī)電路板用于控制整體電路的供電和線路設(shè)計，采用STC89c51單片機(jī)，元件置放于頂層板，實現(xiàn)基礎(chǔ)的電路供應(yīng)的同時不影響底層平衡系統(tǒng)的運行。STC89C51是一種低功耗、高性能CMOS，8位微控制器。具有4K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用ATMEL公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單片機(jī)上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash,使得STC89C51在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

采用STC89C51單片機(jī)作為中央控制模塊的核心部件，用作處理電路的開關(guān)通斷、外設(shè)連接等，并控制動力模塊中的電器驅(qū)動模塊，而且承載著電源模塊的供電，為整個系統(tǒng)提供電能。中央控制模塊的STC89C51單片機(jī)控制處理來自總線的各類信息，并可燒錄相關(guān)程序代碼控制零部件的工作，例如控制電機(jī)的頻率電壓，達(dá)到調(diào)速、運行、停止、步進(jìn)、勻速等目的。各電路中的信息也可由單片機(jī)系統(tǒng)檢測診斷并控制，從而排除故障。

L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率為25W。該芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)。也可以驅(qū)動兩臺直流電機(jī)。

ULN2003A是一個7路反向器電路，即當(dāng)輸入端為高電平時ULN2003A輸出端為低電平，當(dāng)輸入端為低電平時ULN2003A輸出端為高電平。由于ULN2003A是集電極開路輸出，為了讓這個二極管起到續(xù)流作用，必須將COM引腳（pin9）接在負(fù)載的供電電源上，只有這樣才能夠形成續(xù)流回路。也可以作為一些器件，如步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路。

本模塊主采用電機(jī)驅(qū)動模塊，接通電源后可以控制電機(jī)的運行：調(diào)速、運行、停止、步進(jìn)、勻速等操作。一塊電機(jī)驅(qū)動模塊電路板可以驅(qū)動兩個電機(jī)運動，本項目預(yù)計兩塊電機(jī)驅(qū)動模塊板，從而完成四個電機(jī)的驅(qū)動。制動模塊主要由電機(jī)和轉(zhuǎn)輪構(gòu)成，由于只能控制正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，則可控制整體一側(cè)的上升或下降，通過電路設(shè)計達(dá)到平衡。升降機(jī)原理是指提升設(shè)備控制兩缸的運動方向，從而實現(xiàn)貨物提升的目的。本模塊主要指電機(jī)運作，本項目預(yù)計采用四個升降電機(jī)，放在系統(tǒng)板的四端，通過系統(tǒng)電路，控制電機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的平穩(wěn)。

Stable球系統(tǒng)電路板主要是由驅(qū)動模塊，主單片機(jī)板和制動模塊共同運作導(dǎo)通相對應(yīng)的電機(jī)電路，實現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動，達(dá)到制衡的目的，電機(jī)驅(qū)動電路的作用指通過控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和運轉(zhuǎn)速度，以此來實現(xiàn)對占空比的控制，來達(dá)到對電機(jī)減速控制的方式。主單片機(jī)電路板用于控制整體電路的供電和線路設(shè)計。

2 總結(jié)與展望

基于本論文對Stable球系統(tǒng)電路板研究說明，接下來我們還需要在以下幾個方面對其進(jìn)行研究和分析討論：本論文結(jié)合機(jī)電一體化設(shè)計、傳感技術(shù)、電子電路、機(jī)械傳動技術(shù)，實現(xiàn)智能化、自動化、人性化、安全化。該系統(tǒng)未來升級由Arduino單片機(jī)為核心實現(xiàn)智能化控制。Stable球系統(tǒng)電路板在軟件上如何實現(xiàn)，但并未有具象的物體設(shè)計出來并且運用到生活中，所以接下來可能還需要設(shè)計一個運用到Stable球系統(tǒng)電路板的物品，使其便利我們的生活。代碼在測試過程中還不夠完善，后續(xù)可能需要完善代碼，編寫更多的功能完善我們的Stable球系統(tǒng)電路板。