西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 鄭冰欣 陳天海 劉宇森

0 引言

機(jī)器人技術(shù)涉及到機(jī)械、電子、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域，是多種高新技術(shù)發(fā)展成果的綜合集成，代表著現(xiàn)在乃至未來高新技術(shù)的發(fā)展方向。同時(shí)，伴隨著它在人類生活應(yīng)用領(lǐng)域中的不斷擴(kuò)大，引起了各國對機(jī)器人技術(shù)的開發(fā)熱潮。

目前，對機(jī)器人的研究日新月異，研究的方向越來越廣闊，而人們對于平衡機(jī)器人的關(guān)注度也逐漸提高。球動(dòng)式平衡機(jī)器人是一種相對穩(wěn)定性很強(qiáng)的機(jī)器人。它的整個(gè)結(jié)構(gòu)由一個(gè)球形的底座來支撐，整個(gè)機(jī)器僅有球面上的一點(diǎn)與地面接觸，所以不能保持絕對的穩(wěn)定，但這個(gè)機(jī)器人會(huì)同時(shí)通過球形底座進(jìn)行不斷的“微調(diào)”保持著移動(dòng)和相對的平衡。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用STM32F103系列單片機(jī)作為核心控制器控制器，輔之以MPU6050對陀螺儀及加速度計(jì)等各類傳感器反饋的信號進(jìn)行姿態(tài)解算并輸出相應(yīng)的動(dòng)作指令，使得步進(jìn)電機(jī)得以啟動(dòng)并執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。同時(shí)，本設(shè)計(jì)還可在智能終端上使用藍(lán)牙通信方式，從而實(shí)現(xiàn)對球式平衡機(jī)器人進(jìn)行相應(yīng)的操作，如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 MPU-6050傳感器

MPU-6050為一種6軸運(yùn)動(dòng)處理組件，內(nèi)部集成了陀螺儀和加速度計(jì)，具有采集3軸加速度信息和3軸角速度的功能，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)信息的采集，在本項(xiàng)目中主要用來監(jiān)測機(jī)器人傾斜角和傾斜角的變化速度，根據(jù)這些信息控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.2 藍(lán)牙模塊及智能終端

本設(shè)計(jì)智能終端選用Android 手機(jī)并安裝Minibalance APP。在機(jī)器人藍(lán)牙模塊與手機(jī)藍(lán)牙連接并配對成功后，可通過APP對機(jī)器人進(jìn)行波形的顯示及參數(shù)在線調(diào)試。其中，波形顯示界面可以顯示三軸姿態(tài)和電量百分比，并以曲線的形式直觀明了的呈現(xiàn)出三軸模擬數(shù)值。而在線調(diào)試界面則可對PID參數(shù)進(jìn)行查看與修改。

3 軟件設(shè)計(jì)

如圖2所示為基于MCU球動(dòng)式平衡機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì)流程圖。主要是機(jī)器人的動(dòng)作部分，電機(jī)執(zhí)行動(dòng)作的過程。其中，我們主要根據(jù)以下公式進(jìn)行速度分解，從而演算出各電機(jī)速度與機(jī)器人加速度、角速度的關(guān)系。

圖2 軟件流程圖

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)主要是選用了藍(lán)牙技術(shù)將機(jī)器人與智能終端相連接，從而控制球動(dòng)式平衡機(jī)器人靈活移動(dòng)的設(shè)計(jì)。其通過濾波算法對各個(gè)傳感器所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，再經(jīng)過PID算法對機(jī)器人姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，從而構(gòu)成機(jī)器人平衡系統(tǒng)核心。內(nèi)部軟件擬用以MCU編程為基礎(chǔ)，結(jié)合不同的算法來操控硬件。該機(jī)器人具有體積小、占地面積小、移動(dòng)靈活方便、行動(dòng)平穩(wěn)高效、性能穩(wěn)定、質(zhì)量輕，成本較低等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的市場研發(fā)價(jià)值。

[1]周牡丹,康愷,蔡普郎等.兩輪自平衡機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2014,33(10):4-8.

[2]李磊,葉濤,譚民等.移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)研究現(xiàn)狀與未來[J].機(jī)器人,2002,24(5):475-480.

[3]徐國華,譚民.移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2001(3):7-14.

[4]阮曉鋼,任紅格.兩輪自平衡機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模及其平衡控制[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2009,26(1):99-101.