周玉林 張雅達 趙秋陽 范翔宇

摘 要：針對市面上智能機器人行動不靈活，價格高昂的現(xiàn)狀，文中設(shè)計了一款基于體感控制的智能工程車。該智能工程車由運動底盤、攝像設(shè)備、多軸機械手臂和姿態(tài)手套組成。利用手勢姿態(tài)控制，消除了多按鍵復(fù)雜操作的弊端;底盤采用麥克納姆輪在有限空間內(nèi)可以實現(xiàn)最大程度的運動;攝像設(shè)備可為操作人員實時傳輸?shù)匦螆D像并連接VR眼鏡，具有更好的視覺效果;利用多軸機械手臂排除不利因素。該工程車的使用大大提高了人員施工的安全性，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：智能工程車;麥克納姆輪;攝像設(shè)備;多軸機械手臂

1 項目產(chǎn)品

目前，許多國家都在積極進行智能工程車的研究和開發(fā)，并已將其應(yīng)用于多個領(lǐng)域。文中設(shè)計了一種基于體感控制的智能工程車，此智能工程車主要由運動底盤、攝像設(shè)備、多軸機械手臂和姿態(tài)手套組成。工程車利用手勢姿態(tài)控制，消除了多按鍵復(fù)雜操作的弊端，使其在復(fù)雜的環(huán)境中可以實現(xiàn)更加靈活的作業(yè);底盤采用的特殊輪子結(jié)構(gòu)—麥克納姆輪在有限空間內(nèi)可以實現(xiàn)最大程度的運動;工程車上裝載的攝像設(shè)備可為操作人員實時傳輸回地形圖像，并連接VR眼鏡，具有更好的視覺效果;利用多軸機械手臂排除不利因素。此工程車的應(yīng)用可以大大提高危險作業(yè)人員的安全性，有力保障他們的人身安全。

2 項目介紹

2.1 創(chuàng)意背景

隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)和制造技術(shù)的快速發(fā)展，一些消費類產(chǎn)品逐漸呈現(xiàn)出智能化發(fā)展趨勢，如今高科技含量的電子類產(chǎn)品儼然成了發(fā)展主流，越來越受人們的喜愛。顯然傳統(tǒng)的系統(tǒng)控制觀念無法完全滿足人們的需求，因此將智能控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)完美結(jié)合在科學(xué)研究、智能救援等方面具有極高的現(xiàn)實意義。

2.2 技術(shù)創(chuàng)意

體感控制工程車底盤安裝的麥克納姆輪使工程車的轉(zhuǎn)彎半徑大大減小，能夠全向移動，增加靈活度，在狹窄環(huán)境中自由行駛。工程車采用人手姿態(tài)控制，省去了遙控多按鍵控制的繁瑣步驟，并且降低了遙控設(shè)備的攜帶不便性，遙控只作為備用操作選擇，使操作更加便捷。工程車上的多軸機械臂能夠穩(wěn)定移動，對目標(biāo)進行快速處理。

2.3 可行性

工程車采用STM32F4系列芯片，使用陀螺儀矯正工程車姿態(tài)，配合麥克納姆輪實現(xiàn)全向移動。STM32F4作為處理器，接收傳感器傳回的數(shù)據(jù)之后能夠通過算法控制工程車四個麥克納姆輪的速度。

陀螺儀是一種用來傳感與維持方向的裝置，基于角動量守恒理論實現(xiàn)功能。陀螺儀由一個位于軸心且可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子構(gòu)成。陀螺儀一旦開始旋轉(zhuǎn)，由于轉(zhuǎn)子的角動量，陀螺儀表現(xiàn)出抗拒方向改變的趨向，判斷工程車的行駛方向，配合單片機隨時矯正工程車的運行軌跡。

麥克納姆輪是一種全方位移動方式，基于一個有許多位于機輪周邊的輪軸的中心輪原理，這些成角度的周邊輪軸把一部分機輪轉(zhuǎn)向力轉(zhuǎn)化到一個機輪法向力上，依靠各自機輪的方向和速度使這些力最終合成在任何要求的方向上產(chǎn)生一個合力矢量來保證平臺在最終的合力矢量方向上自由移動，而不改變機輪自身的方向?；邴溈思{姆輪技術(shù)的全方位運動設(shè)備可以實現(xiàn)前行、橫移、斜行、旋轉(zhuǎn)及其組合等運動方式。

PID是一種基于反饋的自動控制技術(shù)，測量的關(guān)鍵是被控變量的實際值和期望值的比較，用該偏差來糾正系統(tǒng)響應(yīng)，由比例單元P，積分單元I和微分單元D組成，PID能夠使系統(tǒng)的輸出值趨向于理想狀態(tài)，確保對工程車的控制更加穩(wěn)定。

2.4 研究內(nèi)容

體感智能工程車基于STM32F4芯片設(shè)計，工程車由底盤模塊、機械手臂、攝像設(shè)備和姿態(tài)手套組成。

底盤選用麥克納姆輪和伺服電機，通過全向移動算法，可充分發(fā)揮麥克納姆輪的性能，大大縮小工程車的轉(zhuǎn)彎半徑，實現(xiàn)全向移動，使小車在更復(fù)雜的環(huán)境中也能行走自如。

工程車的底盤和機械臂通過九軸傳感器與柔性電阻共同配合來實現(xiàn)體感操作，當(dāng)手掌握拳時柔性電阻的阻值最小，這時螺陀儀將控制底盤運動;當(dāng)手掌放松微開時柔性電阻的阻值變大，這時陀螺儀將控制機械臂的姿態(tài)變化。

將陀螺儀和柔性電阻集成于手套上，稱之為姿態(tài)手套。用戶通過自制的姿態(tài)手套利用nRF905無線通信協(xié)議實現(xiàn)遠程操控。

在復(fù)雜的環(huán)境中可以利用攝像設(shè)備實時傳輸圖像，利用機械臂實現(xiàn)清障維護等作業(yè)。

2.5 目的意義

姿態(tài)遙控相比傳統(tǒng)的遙控操作簡便、靈活。數(shù)據(jù)顯示，很多勘測作業(yè)人員就是在進行作業(yè)時發(fā)生了意外危險而導(dǎo)致受傷或者死亡?；隗w感的智能勘測工程車不僅操作方便，更大大保障了勘測人員的安全。

3 硬件組成

3.1 工程車底盤

工程車底盤實物。

3.2 機械手臂

車載的多軸機械手臂通過平行四邊形連桿和雙搖桿機構(gòu)可以將電機安裝在基座上，控制機械手臂運動，實現(xiàn)活動范圍的最大化，并保持整體穩(wěn)定。用戶通過自制的姿態(tài)遙控利用nRF905無線通信協(xié)議實現(xiàn)遠程操控與簡單的清障維護等操作。

3.3 麥克納姆輪

麥克納姆輪緣上斜向分布著許多小滾子，故輪子可以橫向滑移。小滾子的母線很特殊，當(dāng)輪子繞著固定的輪心軸轉(zhuǎn)動時，各個小滾子的包絡(luò)線為圓柱面，所以該輪能夠連續(xù)向前滾動。麥克納姆輪結(jié)構(gòu)緊湊，運動靈活，是一種應(yīng)用廣范的全方位輪。使用4個該新型輪子進行組合，可以更靈活方便的實現(xiàn)全方位移動功能。

基于麥克納姆輪技術(shù)的全方位運動設(shè)備可以實現(xiàn)前行、橫移、斜行、旋轉(zhuǎn)及其組合等運動方式。在此基礎(chǔ)上研制的全方位叉車及全方位運輸平臺非常適合轉(zhuǎn)運空間有限、作業(yè)通道狹窄的艦船環(huán)境，在提高艦船保障效率、增加艦船空間利用率以及降低人力成本方面具有明顯的效果。

3.4 伺服電機

伺服電機（Servo Motor）是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，是一種補助馬達間接變速裝置。

使用伺服電機控制速度，位置精度高，可將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，能快速反應(yīng)，在自動控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。電機分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是：當(dāng)信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。

4 市場分析

基于體感控制的智能工程車也稱為無人車輛，是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策和多等級輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)。智能車輛的主要特點是在復(fù)雜的道路情況下，能自動操縱車輛進行障礙清除等作業(yè)。系統(tǒng)將多重傳感器與控制器進行了良好結(jié)合，該工程車的研究、開發(fā)和應(yīng)用涉及傳感技術(shù)、電氣技術(shù)、電氣控制技術(shù)、智能控制等。該類小車的研究除了進行勘測作業(yè)之外，還可應(yīng)用于科學(xué)研究，并且具有潛在的軍用價值。

目前市場上已經(jīng)有掃地、澆花、防盜巡查等運用此類技術(shù)的智能小車，但是缺少一個為勘測人員進行工作，減少他們傷亡率的智能機器人，并且大部分機器人都是用復(fù)雜的遙控按鍵控制極為不便，遙控在此只作為備用操作方式，本項目由此誕生。

開發(fā)的姿態(tài)遙控相比傳統(tǒng)的遙控操作簡便、靈活。當(dāng)工程車作為勘測機器人時，代替人類實地勘察、搬運、轉(zhuǎn)移可疑物，減少不必要的人員傷亡，最大限度保護人員安全。

市場上遙控操作的智能車型機器人遙控按鍵多，操作復(fù)雜。國內(nèi)現(xiàn)有的類似機器人運動不靈活且成本高，而該智能工程車解決了這些問題，具有良好的發(fā)展前景。