姜明慧 劉文芝 鄭培珍 梁業(yè)淇

摘? 要：工程越野機器人屬于機構(gòu)及控制結(jié)合的機械創(chuàng)新實驗設(shè)計項目，該裝置的設(shè)計不僅要滿足機構(gòu)的動作要求，而且需要結(jié)合控制及編程技術(shù)，以最簡單的機構(gòu)實現(xiàn)能順利通過不同場地障礙物的要求。文章在主要零部件不超出“探索者”模塊化機器人組件設(shè)備要求的范圍內(nèi)，經(jīng)原型設(shè)計、裝配、調(diào)試、運作，設(shè)計并完成了無任何形式的遠程控制干預(yù)，靠自主控制能順利通過十種不同特點、不同難度的障礙物的機器人小車。

關(guān)鍵詞：全地形;工程越野機器人;機構(gòu);控制

中圖分類號：TP242.3? ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）08-0041-03

Abstract： The engineering off-road robot belongs to the mechanical innovation experiment design project which combines the mechanism and the control. The design of the device should not only meet the action requirements of the mechanism， but also need to combine the control and programming technology， so as to achieve the requirements of smooth passage through obstacles in different sites with the simplest mechanism. In this paper， with the main parts not exceeding the requirements of the "seeker" modular robot component equipment， through prototype design， assembly， debugging， and operation， designs and completes remote control intervention without any form.This robot car that can successfully pass through ten obstacles with different characteristics and difficulties by autonomous control.

Keywords： all terrain; engineering off-road robot; mechanism; control

引言

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，機器人及相關(guān)技術(shù)不斷被完善，各類機器人層出不窮地被應(yīng)用到了諸多領(lǐng)域。車輛機器人在各類運輸和探尋工作中發(fā)揮著重要作用，它可以在特殊環(huán)境工況中開展人類幾乎無法開展的工作，如：在沙漠、沼澤、叢林等惡劣環(huán)境下迅速掌握情報、快速做出應(yīng)對策略;在地震、洪水、泥石流等特殊救援中快速輸送救災(zāi)人員和物資，在廢墟中行進并快速探尋被困人員;也可在極溫環(huán)境中進行運輸探查工作，如南、北極科考工作等。

本文針對“2017年中國工程機器人大賽暨國際公開賽”中“工程越野賽全地形項目”的要求，利用“探索者”模塊化機器人組件設(shè)備設(shè)計全地形機器人。結(jié)合比賽進行全地形工程越野機器人機構(gòu)創(chuàng)新實驗設(shè)計的總體設(shè)計思路：（1）機器人小車設(shè)計與制造。（2）機器人小車過模擬全地形障礙實驗。

1 基本原理

全地形工程越野機器人主要由車輛主體機構(gòu)、傳感器及控制系統(tǒng)組成;為了達到用最簡單的機構(gòu)實現(xiàn)復(fù)雜的功能的目的，車輛前、后輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)采用平行雙曲柄機構(gòu)，可以使車輛在既定速度下運行的同時緩沖吸震;控制系統(tǒng)采用ARM7 LPC2138芯片主控板，無任何形式的遠程控制干預(yù)，靠自主控制能順利通過十種不同特點、不同難度的障礙物。

平行雙曲柄機構(gòu)是一種應(yīng)用廣泛的連桿機構(gòu)，可獨立應(yīng)用，也可串聯(lián)應(yīng)用。前者如機車車輪連動裝置，后者如剪義放大機構(gòu)[1]。

全地形機器人運用探索者套件做出平行雙曲柄機構(gòu)使得相對桿始終保持平行，且兩連桿的角位移、角速度和角加速度也始終相等，所增加的驅(qū)動輪即相當(dāng)于所增加的平行桿，它既能幫助渡過運動不確定位置，又能增加最大啟動牽引力。并且多個平行雙曲柄機構(gòu)疊加使用可起到放大位移的作用[2]。

2 機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計。全地形機器人底盤主體由“探索者”模塊化機器人組件組成，因該機器人小車需要過多種地形，必須要保證整體質(zhì)量輕，而構(gòu)件全部由鋁鎂合金材料制成，質(zhì)量輕且強度高有效的保證了機器人具有良好的越野性能。機器人小車的前后各有一個與地面垂直的平行雙曲柄機構(gòu)。平行雙曲柄機構(gòu)所用的桿件之間均用螺釘、軸套和螺母固定。其兩長桿之間共四個短桿，其中間兩個短桿分別連接兩條長桿用以連接兩個平行四邊形機構(gòu)構(gòu)成全地形機器人小車的底盤。

（2）驅(qū)動裝置。驅(qū)動采用4個M06雙軸直流電機的4個A17 1：10模型輪胎，實現(xiàn)全地形機器人小車的前進、后退、左轉(zhuǎn)及右轉(zhuǎn)。

3 電路控制部分設(shè)計

（2）主控板。主控板是整機的核心原件，采用ARM7 LPC2138芯片主控板，電腦上用TKstudio進行編程，Launch LPC210x_ISP.exe進行燒錄， ARM7 LPC2138芯片主控板上有端口和串口，通過輸入輸出接口線連接主控板與電池、主控板與傳感器、主控板與電機，實現(xiàn)全地形機器人小車的運行。

（3）傳感器。傳感器運用探索者套件的3個黑標(biāo)。

4 全地形機器人小車過模擬全地形障礙效果驗收

在主要零部件不超出“探索者”模塊化機器人組件設(shè)備要求的范圍內(nèi)，經(jīng)分析、原型設(shè)計、裝配、調(diào)試、運作，主體轉(zhuǎn)向裝置采用兩組正平行雙曲柄機構(gòu)疊加，同時用直流電機驅(qū)動， ARM7 LPC2138芯片控制，設(shè)計并完成了無任何形式的遠程控制干預(yù)，靠自主控制能順利通過十種不同特點、不同難度的障礙物的機器人小車，如圖3所示。

該機器人小車經(jīng)過測試，噪音小，速度快及運行平穩(wěn)，自動尋線并能順利通過柵格地形、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、窄橋等十個不同場地、不同形狀和尺寸的障礙物。如下為機器人小車通過障礙物時的照片：

5 該全地形工程越野機器人的創(chuàng)新點

（1）簡易的設(shè)計。該機器人小車的平行四邊形機構(gòu)底盤組裝簡易并適用于多種地形;動力系統(tǒng)采用4個直流電機供給，采用電機驅(qū)動模擬輪胎的行走方式極大地提高了減震性能和電能的供給;控制系統(tǒng)使ARM7 LPC2138芯片主控板，完成了無任何形式的遠程控制干預(yù)，靠自主控制能順利通過十種不同特點、不同難度的障礙物的機器人小車。機器人小車的零部件之間的連接都采用可拆卸的連接方式，方便替換維修，并且構(gòu)件可以在拆卸后繼續(xù)使用。

（2）可實現(xiàn)性高。機器人小車整體設(shè)計簡易，現(xiàn)有的全地形工程越野機器人多為履帶式和專門設(shè)計的輪胎，不易投入現(xiàn)實生產(chǎn)中;該機器人小車運用的零件是模擬現(xiàn)實中已有的零件，容易制造成品運用于現(xiàn)實社會。

（3）實現(xiàn)多學(xué)科的配合。該機器人小車涉及機械設(shè)計、三維軟件建模、機械原理、自動化、傳感器、電路控制、C語言編程、計算機模擬、材料分析等現(xiàn)代技術(shù)，是多學(xué)科綜合運用的結(jié)果。

6 結(jié)論

本設(shè)計通過利用平行雙曲柄機構(gòu)實現(xiàn)可通過十余種特殊地形的越野車輛機器人。鋁鎂合金質(zhì)量輕，制作簡單;直流電機驅(qū)動模擬輪胎，動作靈活;ARM7 LPC2138芯片主控板，可實現(xiàn)自主探路自主控制;經(jīng)過現(xiàn)實實驗，可成功通過模擬障礙。經(jīng)實際應(yīng)用和改進，該機器人優(yōu)化空間更大，對全地形工程越野機器人的更替進步具有重要的意義。

工程越野機器人創(chuàng)新實驗設(shè)計，涉及到機構(gòu)、機械、動力學(xué)、控制及編程等多項內(nèi)容。通過機器人的創(chuàng)新實驗設(shè)計，還可以綜合應(yīng)用先修課程的知識如：理論力學(xué)、材料力學(xué)、計算機等，不僅提高課堂教學(xué)的有效性，同時保證教學(xué)的外延性，即把理論學(xué)習(xí)過程進一步演化成“做”的過程，“做中學(xué)”、“學(xué)中用”，從而較為全面地提高我們分析問題、解決問題的意識及能力;通過對組成機器人的機構(gòu)原型創(chuàng)新實驗，把設(shè)計、裝配、調(diào)試、運作相結(jié)合，進一步培養(yǎng)我們的思維創(chuàng)新、團隊協(xié)作及綜合應(yīng)用能力。

參考文獻：

[1]苗志懷，姚燕安，田耀斌.4U平行四邊形機構(gòu)的一類新用途——整體設(shè)計為兩足步行機構(gòu)[J].機器人，2011，07.

[2]百度百科.平行四邊形機構(gòu)[Z].