琚靈釗，蒯蘇蘇，費鋮邦，沈志豪，謝靜，吳佰慧

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Arduino草方格鋪設機器人創(chuàng)新設計的研究＊

琚靈釗1，蒯蘇蘇1，費鋮邦1，沈志豪1，謝靜2，吳佰慧3

（1.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.鎮(zhèn)江市第一人民醫(yī)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 3.江蘇大學 理學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

研制了一種Arduino草方格鋪設機器人，創(chuàng)建了UG栽插麥草曲柄增力機構虛擬樣機，仿真分析曲柄增力機構中關鍵部件滑塊的位移、速度、加速度曲線，驗證了曲柄增力機構能夠完成在沙丘坡面插入沙層內約20～25 cm的草方格。創(chuàng)新設計了“計算機、 MegaPi Pro控制器、RJ25擴展板、Me_電機驅動模塊、Me_傳感器模塊和2.4 G無線手柄”的控制體系結構，在集成機器人硬件的基礎上，軟件程序設計包括Arduino—MegaPi Pro主程序、驅動程序、避障程序、送料程序、栽插程序、沙埋程序、手柄遙控程序，實現(xiàn)高層次分級控制，實現(xiàn)機器人行走、避障、送料、栽插、沙埋、計數(shù)等功能。

草方格；曲柄增力機構；全向輪；MegaPi Pro程序

1 引言

針對草方格鋪設機器人的工作環(huán)境和運動要求，本文提出，先在沙丘上劃好機器人用的全向輪行走路徑方格網線，再將修剪均勻整齊的麥草或稻草等材料由送料機構橫放在方格線上，用曲柄增力機構工具置于鋪草料中間，用力插下去，插入沙層內約20～25 cm，使草的兩端翹起，直立在沙面上，露出地面的高度約10～15 cm。再用氣動鏟斗擁沙埋掩草方格沙障的根基部，使之牢固。根據(jù)試驗，草方格沙障的規(guī)模以1 m×1 m的正方形效果最好。

2 Arduino機器人行走軌跡規(guī)劃

Arduino草方格鋪設機器人主要由行走系統(tǒng)、送料系統(tǒng)、栽插系統(tǒng)、沙埋機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。Arduino草方格鋪設機器人底部結構由鋁合金組件組合而成，安裝全向輪后，通過4個大功率編碼直流電機驅動4個全向輪轉動，使用Arduino IDE控制電機驅動模塊驅動大功率編碼直流電機轉動，機器小車按照指令運行，安裝在對角線的①、③號全向輪，朝同一個方向運動，②、④號全向輪不動，小車沿方向行走，或①、③號全向輪不動，②、④號全向輪朝另外一個方向運動，小車沿方向行走。

對于機器人在沙漠中自移動功能，采用循跡行駛算法：根據(jù)位置狀態(tài)對控制量進行調整，采用PIT定時中斷，對AD進行一個連續(xù)序列的轉換，以保證機器小車沿正方形方格網線行駛。小車在自控階段走直線時由于兩個輪子在行進過程中，分別遇到的阻力不一樣，兩輪的轉速會發(fā)生偏差，解決的方法是通過編碼電機進行速度與方位的精確控制，通過Arduino軟件編程調控大功率編碼直流電機M1、M2、M3、M4的PID參數(shù)，采用不同輪子不同速度的方式來解決不同輪子摩擦力不同的問題，使它能在不同環(huán)境下達到最佳工作狀態(tài)。當小車避障時，用超聲波傳感器檢測到機器人接近了相關障礙物體10 cm時，自動調整方向，避障或繞障行走。使小車執(zhí)行前進、后退，左轉、右轉、停止和速度切換動作，實現(xiàn)機器人自移動、橫走、豎直走、零半徑轉彎的功能。

圖1 Arduino草方格鋪設機器人

3 曲柄增力機構UG建模

3.1 增力比

由圖1可知，送料系統(tǒng)、栽插系統(tǒng)、沙埋機械系統(tǒng)中，麥草被送料機構鋪在沙子表面，設計了一種能在規(guī)定時間內將草料用力插下去的曲柄增力機構，如圖2所示，曲柄增力機構由曲柄搖桿機構（1，2，3，6） 和搖桿滑塊機構（3，4，5，6）組合而成。

1—曲柄；2，4—連桿；3—搖桿；5—滑塊；6—機架。

3.2 UG仿真分析

對曲柄增力機構的UG建模采用自底向上的裝配方式，即預先設計好部件幾何模型，再將模型添加到裝配中，通過定義固定鉸鏈，創(chuàng)建連桿，添加運動副、施加力和驅動，創(chuàng)建解算方案，查看NX8.5運動仿真曲線和動畫，對曲柄增力機構運動參數(shù)ANALYSIS_位移、速度、加速度曲線進行分析。利用拉伸的命令繪制4個桿件，長度分別為=40 cm、=120 cm、=50 cm、=100 cm，機架位置=30 cm、=120 cm，滑塊導軌=150 cm，建立滑塊，厚度設為3 cm，完成拉伸的創(chuàng)建。新建一個asm文件，將上述的4個桿件通過接觸對齊自動判斷中心軸，和首選接觸裝配在一起，并將滑塊導軌為固定機架，Ctrl+B隱藏約束的線條。點擊應用模塊中的運動。在運動導航器右擊asm文件，新建仿真文件，定義連桿，其中即長度為150 cm為固定，=120 cm為固定，其他的連桿不勾選固定。定義運動副、移動副和旋轉副。最后就是環(huán)境方案和求解了，設置步數(shù)1 000和時間60 s，完成后點擊求解，點擊動畫，點擊播放，UG仿真曲柄增力機構運動過程如圖3所示。施加約束后的曲柄增力機構關鍵部件滑塊的位移、速度和加速度曲線如圖4所示。

圖3 施加約束后的曲柄增力機構虛擬樣機

圖4 曲柄增力機構滑塊的位移、速度、加速度曲線

從圖4（a）看到滑塊的工作行程達31 cm，控制曲柄初始位置使麥草能夠在沙丘坡面插入沙層內約20～25 cm；從圖4（b）可以看出，滑塊在工作行程內最大速度可以達到22 cm/s；圖4（c）表示滑塊在工作行程內加速度值逐漸增大，最大加速度達到29 cm/s2，軌跡范圍有足夠的栽插深度，機構尺寸符合工程固沙要求。

4 Arduino草方格鋪設機器人控制系統(tǒng)

4.1 MegaPi Pro控制器硬件電路

MegaPi Pro是一個基于ATmega2560微主控板，完全兼容Arduino編程的控制器硬件電路。通過對驅動接口的封裝，Me_傳感器等電子模塊可以方便地驅動編碼電機、直流電機、步進電機、氣泵電機。由任務要求及機器人工作的軟硬體設計了計算機、Arduino的開源電子平臺，圖5表示了草方格鋪設機器人的控制系統(tǒng)硬件結構。

自控階段：機器人通過 MegaPi Pro控制器、四個大功率直流編碼電機以及超聲波傳感器，讓機器人四個全向輪小車實現(xiàn)自主行走。在機械系統(tǒng)中，設計了直流編碼電機1驅動曲柄增力機構，直流編碼電機2，3驅動送料機構，氣泵電機1，2驅動氣動鏟斗機構，完成鋪草、栽插和沙埋過程。直接利用控制器進行計數(shù)統(tǒng)計，由Me_數(shù)碼管顯示。

手柄遙控階段：自定義手柄按鍵功能，撥碼開關與板子上電機驅動模塊地址相互對應，乘以1.5電機靈敏系數(shù)，動力從手柄上對應按鍵按下時采集得到，將手柄與2.4 G模塊配對成功，手柄遙控機器小車。

圖5 Arduino草方格鋪設機器人的硬件電路

4.2 程序設計

機器人控制系統(tǒng)軟件設計在搭接機器人硬件的基礎上，按照功能要求，程序設計包括Arduino—MegaPi Pro主程序、驅動程序、避障程序、送料程序、曲柄增力機構栽插程序、氣動鏟斗沙埋程序以及手柄遙控程序，實現(xiàn)高層次分級控制。 機器人部分程序如下。

MegaPi Pro超聲波避障程序如圖6所示，機器小車行走主程序如圖7所示。

圖6 超聲波避障程序

圖7 機器人自移動行走程序

5 結束語

研制了一種Arduino草方格鋪設機器人，對曲柄增力機構進行了運動學仿真，用UG繪制出曲柄增力機構滑塊部位的位移、速度、加速度參數(shù)曲線，避免了繁冗的動力學、運動學計算，從而直接獲得各個零部件的準確位置，為物理樣機的設計和制造提供參數(shù)依據(jù)。

創(chuàng)新設計了“計算機、 MegaPi Pro控制器、RJ25擴展板、Me_電機驅動模塊、Me_傳感器模塊和2.4 G無線手柄”的控制體系結構，在集成機器人硬件的基礎上，按照功能要求，實現(xiàn)高層次分級控制，以實現(xiàn)機器人行走、避障、送料、栽插、沙埋、計數(shù)等功能。對更新產品開發(fā)過程、縮短開發(fā)周期，降低成本、提高產品質量具有重要的理論和實踐意義。

［1］蒯蘇蘇，沈志豪，王震，等.基于Arduino葡萄套袋智能機器人的設計［J］.精密制造與自動化，2018（2）.

［2］鄒慧君.機械運動方案設計手冊［M］.上海：上海交通大學出版社，1994.

［3］孫術發(fā)，劉晉浩，葉郁.防風固沙草方格鋪設機器人橫向割斷機構的動力學分析［J］.中國沙漠，2011，31（5）.

［4］羅善明.曲柄增力機構的模擬設計［J］.機械科學與技術，2002，21（3）.

［5］蒯蘇蘇.基于Matlab7.0 / SimMechanics的曲柄搖桿機構建模與仿真［C］//第五屆中國系統(tǒng)建模與仿真技術高層論壇論文集，北京：總裝備部仿真技術專業(yè)組，2010.

2095－6835（2018）20－0045－03

TP242

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.20.045

江蘇大學工業(yè)中心2017大學生創(chuàng)新實踐基金項目立項（編號：ZXJG201726）資助

琚靈釗（1997—），男，浙江衢州人，主要從事機械設計、軟件技術研究。

蒯蘇蘇（1958—），女，江蘇吳江人，江蘇大學高級實驗師，從事機械原理及設計實驗教學，機械創(chuàng)新設計、智能機器人研究。

〔編輯：嚴麗琴〕