王 梟，王超星，劉淑晶

(1.北京市大興區(qū)第一中學(xué)，北京 102600；2.三河市職教中心，河北 三河 065200；3.北京石油化工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，北京 102617)

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人除了廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造領(lǐng)域外，還應(yīng)用于資源勘探、搶險(xiǎn)救災(zāi)、醫(yī)療服務(wù)、軍事和巡檢等其他領(lǐng)域。巡檢機(jī)器人作為一種特種設(shè)備，可以代替人工在復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境下完成巡檢作業(yè)任務(wù)。目前，主流的巡檢機(jī)器人有履帶式、輪式和混合式等，其中以履帶式為主[1]。從20世紀(jì)80年代起，國外就對小型履帶式機(jī)器人展開了系統(tǒng)性研究，比較有影響的是美國的PackBot[2]機(jī)器人，URBOT、NUGV和TALON[3]機(jī)器人，其中，TALON系列機(jī)器人是一種傳統(tǒng)的小型雙履帶式機(jī)器人，該機(jī)器人可根據(jù)任務(wù)的不同安裝不同的任務(wù)模塊，主要應(yīng)用于執(zhí)行偵察、危險(xiǎn)品操作和救援等領(lǐng)域。此外，英國研制的Supper Wheelbarrow排爆機(jī)器人、加拿大布魯克大學(xué)研制的AZMUT機(jī)器人[4]、日本的Helios V機(jī)器人[5]都屬于履帶式機(jī)器人。日本東京工業(yè)大學(xué)的T.Kamegawa等提出了一種搜救機(jī)器人，該機(jī)器人由多節(jié)雙履帶式模塊車連接而成，能夠進(jìn)入狹窄的空間，相鄰模塊之間由2個(gè)主動(dòng)自由度關(guān)節(jié)連接或3個(gè)隨動(dòng)自由度關(guān)節(jié)連接，所以該機(jī)器人結(jié)構(gòu)形式具有很好的地面適應(yīng)能力和越障能力[6]。

我國對履帶式機(jī)器人的研究也取得了一定的成果，如沈陽自動(dòng)化研究所研制的CLMBER機(jī)器人[7]、北京理工大學(xué)研制的四履腿機(jī)器人[8]以及北京航空航天大學(xué)研制的可重構(gòu)履腿機(jī)器人等。沈陽自動(dòng)化研究所研制的可變形搜救機(jī)器人采用了三履帶式模塊化結(jié)構(gòu)，該機(jī)器人可根據(jù)不同地形環(huán)境進(jìn)行變形，變形出直線形、并排形和三角形等多種形狀，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性[9-10]。中國礦業(yè)大學(xué)研制了我國第1臺(tái)CUMT—1型機(jī)器人，該機(jī)器人能夠檢測井內(nèi)的一氧化碳、瓦斯等有害氣體體積分?jǐn)?shù)，可通過攝像裝置傳回井內(nèi)的實(shí)時(shí)圖像和聲音，了解生還者的健康狀況，并可攜帶救援物資幫助生還者進(jìn)行逃生和自救。今后，搜救機(jī)器人的研究方向主要朝多種技術(shù)融合化和多智能體網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展[11-12]。

本文通過對多種典型障礙物的物理特性進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)一款越障能力突出的履帶式越障機(jī)器人(下述簡稱越障機(jī)器人)。首先，制定了越障機(jī)器人的整體系統(tǒng)方案，并搭建了越障機(jī)器人機(jī)械本體結(jié)構(gòu)；其次，基于BASRA主控板搭建越障機(jī)器人控制系統(tǒng)，并編寫控制系統(tǒng)程序；最后，進(jìn)行了越障性能試驗(yàn)。

1 越障機(jī)器人系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

常見的障礙物包括柵格地形、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、窄橋和高臺(tái)等。對于機(jī)器人而言，越障難度最高的是臺(tái)階式障礙物，因此本文以150 mm高度的3層臺(tái)階等垂直障礙為越障目標(biāo)，對越障機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)及分析。

越障機(jī)器人基于BASRA主控板及BigFish擴(kuò)展版控制算法進(jìn)行相應(yīng)路線運(yùn)行，利用灰度傳感器對黑色路線的檢測進(jìn)行循跡。越障機(jī)器人前端分布3個(gè)傳感器，在前進(jìn)過程中分別根據(jù)傳感器采集的不同信息，對其姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整；同時(shí)，其前端有舵機(jī)及碰撞傳感器，當(dāng)遇到障礙時(shí)，觸發(fā)碰撞傳感器，通過控制舵機(jī)來實(shí)現(xiàn)越障機(jī)器人的越障。

越障機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要分為主控系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和供電系統(tǒng)等6個(gè)部分。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 越障機(jī)器人機(jī)械本體設(shè)計(jì)

從設(shè)計(jì)角度的簡便性、穩(wěn)定性及可靠性出發(fā)，結(jié)合功能要求，完成履帶式越障機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。越障機(jī)器人的外形尺寸為290 mm×172 mm×135 mm(長×寬×高)，履帶輪中心距為150 mm。

圖2 越障機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡圖

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

越障機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括越障機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)。

越障機(jī)構(gòu)主要由舵機(jī)、連桿、小輪及橡膠圈組成(見圖3)。當(dāng)障礙觸發(fā)碰撞傳感器時(shí)，電平信號(hào)使舵機(jī)旋轉(zhuǎn)一定角度，并在程序中調(diào)整合適的延時(shí)時(shí)間，使小輪支承起越障機(jī)器人前端，當(dāng)越過障礙時(shí)，舵機(jī)向回旋轉(zhuǎn)一定角度，放平越障機(jī)器人，此時(shí)越障機(jī)器人繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)。越障時(shí)，為防止小輪被障礙卡住，在小輪與連接軸間添加了套筒，在翻越障礙時(shí)，小輪可以圓滑轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)，為了增加小輪與障礙接觸面的摩擦力，在小輪圓周添加了橡膠圈。

圖3 越障機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)為履帶式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(見圖4)。這種行走機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是與地面接觸面積大，對地形的適應(yīng)性強(qiáng)。越障機(jī)器人采用雙履帶，分別分布在機(jī)器人的兩側(cè)，其中履帶行走機(jī)構(gòu)的后履帶輪為驅(qū)動(dòng)輪，為越障機(jī)器人的行走和越障提供動(dòng)力。

圖4 履帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

2.2 整體布局

圖5 越障機(jī)器人整體布局圖

越障機(jī)器人采用2個(gè)直流電動(dòng)機(jī)和1個(gè)舵機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，采用3個(gè)灰度傳感器及1個(gè)碰撞傳感器。其整體布局如圖5所示。圖5中，①、②和③為灰度傳感器，可以檢測到黑線，并根據(jù)傳感器檢測到黑線的不同位置，實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)器人位姿進(jìn)行巡線；④為碰撞傳感器，當(dāng)遇到障礙時(shí)，觸發(fā)碰撞傳感器，此時(shí)舵機(jī)開始工作，實(shí)施越障；⑤和⑥為2個(gè)直流電動(dòng)機(jī)，分別安裝在越障機(jī)器人后側(cè)；⑦為舵機(jī)，安裝在越障機(jī)器人前，并通過連接臂完成越障。電動(dòng)機(jī)連接輪胎處安裝履帶，利用履帶越障能力和地形適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，來完成各種地形的行駛。

3 越障機(jī)器人越障過程分析

越障機(jī)器人越障過程模型可以簡化為二維平面模型(見圖6)。

圖6 越障機(jī)器人越障過程

整個(gè)越障過程可以分為如下2個(gè)階段。

1)懸架連桿擺動(dòng)，越障輪接觸障礙物。當(dāng)越障機(jī)器人向前行駛，傳感器檢測到障礙物后，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)懸架連桿順時(shí)針擺動(dòng)，連桿帶動(dòng)越障輪向下運(yùn)動(dòng)，使越障輪與障礙物表面接觸(見圖6a)。障礙物對越障輪有垂直于障礙物表面向上的作用力，促使越障機(jī)器人車頭向上運(yùn)動(dòng)(見圖6b)。

2)履帶爬越階段。越障機(jī)器人在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下繼續(xù)向前行駛，履帶前端與障礙物接觸(見圖6c)。越障機(jī)器人履帶與障礙物表面產(chǎn)生平行履帶向前的摩擦力，越障機(jī)器人繼續(xù)向前行駛，履帶逐漸越過障礙物(見圖6d)。隨著越障機(jī)器人向前行駛，當(dāng)其中心越過障礙物后，越障機(jī)器人會(huì)在重力的驅(qū)動(dòng)下順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，越障輪和履帶后端與地面接觸(見圖6e)。若越障機(jī)器人在向前行駛的過程中再一次檢測到障礙物，那么將重復(fù)越障動(dòng)作，否則，懸架連桿和越障輪在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下恢復(fù)原有姿態(tài)，向前行駛完成越障(見圖6f)。

4 越障機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 越障機(jī)器人控制系統(tǒng)電路原理圖

越障機(jī)器人控制系統(tǒng)中硬件系統(tǒng)以BASRA作為主控制器，采用BifFish擴(kuò)展板連接各灰度傳感器、碰撞傳感器以及驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。BASRA是一款基于Arduino開源方案設(shè)計(jì)的一款開發(fā)板，其處理器核心是ATmega328，可以同時(shí)控制多路輸入/輸出信號(hào)。BifFish擴(kuò)展板擴(kuò)展了伺服電動(dòng)機(jī)連接口、直流電動(dòng)機(jī)連接口以及一個(gè)通用擴(kuò)展接口等。通過USB數(shù)據(jù)總線可以實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與BASRA主控板之間的數(shù)據(jù)交換。越障機(jī)器人的電路原理圖如圖7所示。

圖7 越障機(jī)器人電路原理圖

4.2 越障機(jī)器人軟件編程

控制系統(tǒng)軟件是基于Arduino開源項(xiàng)目開發(fā)的，Arduino編程語言基于C/C++的混合編程，開發(fā)環(huán)境基于Wring和Processing架構(gòu)，其中Wring是用于微控制器的一種開源編程架構(gòu)，可以讓用戶編寫跨平臺(tái)的程序，這些代碼無需修改就可以在不同的微控制器和電路板上運(yùn)行，使得程序具有很高的可移植性。軟件部分采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，主要是通過主程序調(diào)用各個(gè)模塊的子程序來控制機(jī)器人的整體運(yùn)作，每個(gè)子程序設(shè)計(jì)一個(gè)模塊的動(dòng)作。

軟件部分包含循跡模塊、轉(zhuǎn)彎模塊、延時(shí)模塊、停止模塊、越障模塊以及算法部分等。其中，循跡模塊貫穿了程序的始終，循跡模塊是越障機(jī)器人準(zhǔn)確而穩(wěn)定地完成越障的保障，做到越障機(jī)器人不盲走、不走偏，且實(shí)時(shí)糾正；轉(zhuǎn)彎模塊包含左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，通過兩側(cè)輪子的差速運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)糾偏；越障模塊是通過舵機(jī)來實(shí)現(xiàn)越障機(jī)器人的越障。

越障機(jī)器人越障流程圖如圖8所示。

圖8 越障機(jī)器人越障流程圖

5 越障性能試驗(yàn)

越障機(jī)器人越障性能試驗(yàn)選擇高度為150 mm的3層臺(tái)階作為障礙物，以0.5 m/s的速度進(jìn)行10次越障性能試驗(yàn)(見圖9)。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖9 越障機(jī)器人越障性能試驗(yàn)

試驗(yàn)次數(shù)現(xiàn)象時(shí)間/s越障機(jī)器人最大俯仰角/(°)1順利通過10.1130.282順利通過10.3030.153順利通過9.830.334最后臺(tái)階機(jī)器人側(cè)翻15.7960.595順利通過11.2129.746順利通過10.533.337順利通過10.3333.578機(jī)器人偏離運(yùn)動(dòng)軌跡12.528.989順利通過11.5428.1210順利通過10.8829.86

試驗(yàn)結(jié)果表明，越障機(jī)器人能夠順利通過150 mm高度的3層臺(tái)階，完成時(shí)間約為11.3 s。說明所設(shè)計(jì)的越障機(jī)器人具有較強(qiáng)的越障能力。

6 結(jié)語

本文通過對障礙物進(jìn)行分析，確定了越障機(jī)器人的系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案；利用組件設(shè)計(jì)搭建了越障機(jī)器人機(jī)械本體，并進(jìn)行了越障機(jī)器人越障過程分析；基于BASRA主控板及Bigfish擴(kuò)展板，完成對越障機(jī)器人的控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)，采用模塊化的思想編寫了越障機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件。越障試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的越障機(jī)器人能夠完成150 mm高度的3層臺(tái)階障礙，越障能力較強(qiáng)。