羅健寧，劉棣中，劉奇波

（1.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530021；2.南寧精能發(fā)電設(shè)備有限公司，廣西 南寧 530033）

0 引言

一個(gè)國家制造業(yè)的發(fā)展直接反映這個(gè)國家的整體生產(chǎn)水平，而工業(yè)機(jī)器人是聯(lián)合了機(jī)械、電氣控制和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多學(xué)科的高新技術(shù)產(chǎn)品，是自動(dòng)化和智能化的紐帶[1]。目前，我國的中小型制造企業(yè)都擁有大量的先進(jìn)設(shè)備，但是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化程度卻沒有達(dá)到60%，主要原因是各類自動(dòng)化設(shè)備昂貴、設(shè)備之間的連接環(huán)節(jié)沒有打通。然而，生產(chǎn)過程自動(dòng)化、機(jī)器化是一種必然趨勢，行走裝置是工業(yè)機(jī)器人的核心部件之一，與一般的移動(dòng)平臺、數(shù)控小車相比較，具有承載能力強(qiáng)、傳動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)精度高等優(yōu)點(diǎn)。工業(yè)機(jī)器人行走裝置（數(shù)控小車）的CNC系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、信號與控制系統(tǒng)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和機(jī)械建模技術(shù)的完美結(jié)合，是各個(gè)領(lǐng)域生產(chǎn)控制技術(shù)的集成與應(yīng)用，主要被應(yīng)用到自動(dòng)化車間的搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人外部系統(tǒng)使其持續(xù)的工作，能運(yùn)輸上噸重量的工業(yè)機(jī)器人和零部件，還能與自動(dòng)化車間組成有效的物流體系，用于部分物料和產(chǎn)品轉(zhuǎn)運(yùn)等，以及一些工作人員不便進(jìn)入的具有有害物質(zhì)的工作場所。行走裝置具有變速、前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、遙控等功能。

工業(yè)機(jī)器人行走裝置（數(shù)控小車）的出現(xiàn)極大提高了自動(dòng)化車間的生產(chǎn)效率，其處理器采用單片機(jī)控制，整車采用后輪驅(qū)動(dòng)、前輪轉(zhuǎn)彎，平整的搬運(yùn)平臺，具有移動(dòng)靈活、造價(jià)低、效率高的特點(diǎn)，節(jié)省了大量的人力、物力、財(cái)力和時(shí)間，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。

1 工業(yè)機(jī)器人行走裝置的現(xiàn)狀

1.1 傳統(tǒng)人工控制

二十世紀(jì)七十年代初，美國、德國等這些工業(yè)強(qiáng)國就開始采用可編程控制器繼對搬運(yùn)小車進(jìn)行控制，但是當(dāng)時(shí)技術(shù)還不夠成熟，基本上都是由繼電器和接觸器對電路進(jìn)行控制的，具有體積笨重、控制復(fù)雜、設(shè)計(jì)成本高、功能少和容易出現(xiàn)故障等缺陷，無法進(jìn)行通信，要有專門的人進(jìn)行操作。

1.2 半自動(dòng)控制

二十世紀(jì)八十年代，計(jì)算機(jī)慢慢普及價(jià)格下降，各大型企業(yè)開始采用可編程控制器（PLC）程序與計(jì)算機(jī)結(jié)進(jìn)行程序編程控制。此時(shí)，搬運(yùn)小車就被設(shè)計(jì)成半自動(dòng)產(chǎn)品。

1.3 全自動(dòng)控制

目前，自動(dòng)化控制技術(shù)迅速發(fā)展，世界各國工控企業(yè)已經(jīng)制造出了多種可編程控制器（PLC）以及各種控制芯片，可編程控制器具有高性能、大容量、運(yùn)算快、體積小、價(jià)格便宜，維護(hù)方便、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，可對搬運(yùn)小車進(jìn)行全自動(dòng)的控制。但是，作為工業(yè)用的行走裝置還缺乏結(jié)構(gòu)緊湊、行走平穩(wěn)、運(yùn)動(dòng)精度高、經(jīng)濟(jì)適用的產(chǎn)品。隨著我國制造業(yè)高速發(fā)展，出現(xiàn)了大量的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，若能采用工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)輸和上下料，將提高生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量，降低人工成本，減少人工加工的危險(xiǎn)性[2]。

2 工業(yè)機(jī)器人行走裝置設(shè)計(jì)思路

2.1 機(jī)械傳動(dòng)部分

機(jī)器人行走裝置是通過為行走機(jī)器人設(shè)計(jì)制作一輛數(shù)控小車，設(shè)計(jì)與制作以單片機(jī)為主控芯片的控制電路[3]，形成智能化、數(shù)字化的工業(yè)機(jī)器人行走裝置即數(shù)控小車。數(shù)控小車由車身、電動(dòng)機(jī)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、變速機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)部分和控制電路等組成。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用蓄電池供電、充電方式，遠(yuǎn)處使用遙控控制；兩個(gè)后輪及驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，兩個(gè)前輪用一臺電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎；當(dāng)行走裝置（以下簡稱數(shù)控小車）前進(jìn)時(shí)，兩個(gè)電機(jī)正轉(zhuǎn)且速度相等，而前輪電機(jī)不提供動(dòng)力；當(dāng)小車轉(zhuǎn)彎時(shí)，前輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)前輪軸擺動(dòng)角度，而后輪上的兩臺電機(jī)通過控制程序差速旋轉(zhuǎn)，使左右兩輪的轉(zhuǎn)彎半徑不同，兩輪行走的距離也不同，確保兩輪與地面做純滾動(dòng)，以減少輪胎與地面的摩擦。

2.2 控制部分

為減少數(shù)控小車的制作周期，提高其整體性以及經(jīng)濟(jì)性，各電路模塊直接選擇現(xiàn)成的C52單片機(jī)最小系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、遙控模塊、蓄電池等。當(dāng)數(shù)控小車前進(jìn)、后退時(shí)，則通過程序控制兩臺后輪電機(jī)同速度正反轉(zhuǎn)；右轉(zhuǎn)時(shí)，左邊電機(jī)快速正轉(zhuǎn)、右邊電機(jī)慢速正轉(zhuǎn)；左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)相反。設(shè)置了紅外傳感器故障避障功能，傳感器近距離檢測到前方有故障時(shí)，行走裝置會停止行走。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 總體框架

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)控小車的運(yùn)動(dòng)部分相當(dāng)于人的手腳，整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)包括了車架、電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、車輪、蓋板等。本文設(shè)計(jì)了三個(gè)方案，如圖2所示。方案a和b的回轉(zhuǎn)中心均在兩固定輪的中間位置，方案c的車軸固定，車輪旋轉(zhuǎn)，由左右輪的差動(dòng)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)。由于固定輪的直行性，回轉(zhuǎn)時(shí)接地摩擦阻力大，回轉(zhuǎn)半徑大，而數(shù)控小車轉(zhuǎn)彎半徑要求小，所以設(shè)計(jì)方案應(yīng)從a、b兩種車輪布置中選定。

圖2 傳動(dòng)方案比較

a方案：三輪車結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)向靈活，結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)彎半徑小容易實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎與直線行走。缺點(diǎn)為當(dāng)經(jīng)過凹凸不平的路面時(shí)行走機(jī)構(gòu)不穩(wěn)定容易發(fā)生傾倒。

b方案：雙三輪結(jié)構(gòu)，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)前進(jìn)后退的車輪較大，前后兩個(gè)支撐輪較小，其中一個(gè)是轉(zhuǎn)彎驅(qū)動(dòng)輪、另一個(gè)只是起到支撐作用的萬向輪。優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)彎半徑?。梢詫?shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向），平穩(wěn)性比三輪車結(jié)構(gòu)好。

分析上面幾種方案，最終選擇b方案，即雙三輪機(jī)構(gòu)。其轉(zhuǎn)彎半徑小，平穩(wěn)性高，適合在窄小的廠區(qū)車間運(yùn)行。

可供選擇的車輪類型：充氣輪、實(shí)心輪、鐵輪三種。充氣輪減震性好重量輕、摩擦阻力大；實(shí)心輪可承受的載荷大，使用和維護(hù)方便，有一定的減震性，摩擦阻力大。鐵輪可承受的載荷最大，但是摩擦阻力小。因?yàn)閿?shù)控小車的重量大，地面的摩擦阻力小，數(shù)控小車的驅(qū)動(dòng)輪與支撐輪均采用實(shí)心橡膠輪。

數(shù)控小車的尺寸為長1000 mm、寬600 mm、高為300 mm，可以在不同的速度下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。如圖3所示。機(jī)械部分的設(shè)計(jì)對數(shù)控小車的整體性能非常重要，運(yùn)動(dòng)部分合理地設(shè)計(jì)才能使數(shù)控小車行走平穩(wěn)、運(yùn)行精度高。

圖3 數(shù)控小車整體結(jié)構(gòu)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮車輛前后輪之間的距離，車輪的對齊方式以及車輛的重心。采用雙三輪結(jié)構(gòu)這極大地提高了小車的穩(wěn)定性，并有助于提高其行駛性能?？紤]電機(jī)尺寸、機(jī)器人安裝位置以及整車中心不能太高等因素選擇車輪大小，行駛時(shí)確保車架在同一平面上，否則會影響行駛的穩(wěn)定性。

4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇

假設(shè)小車及所馱貨物總重量W=3000 N，橡膠車輪在水泥平地滾動(dòng)阻力Ft=f×W，據(jù)《汽車原理》查得“一般的瀝青或混凝土路面滾動(dòng)系數(shù)0.018～0.020”，取f=0.020，則：Ft=0.020×3000=60 N

設(shè)計(jì)爬坡角度5°，根據(jù)《汽車原理》得道路阻力：

當(dāng)α不大時(shí)：cosα≈1，tanα≈0.087

則：

因要考慮從靜止到勻速的加速運(yùn)動(dòng)等，設(shè)安全系數(shù)θ=1.5，所以

車輪所需要的轉(zhuǎn)矩M=F·L

設(shè)輪徑D=300 mm

所以L=D/2=150 mm，則

二級圓柱齒輪減速器的傳動(dòng)比常用范圍i′=8～30

則需要電機(jī)轉(zhuǎn)矩M電=M/i′=9.028～2.408 N·m

設(shè)車速V=1.5 m/s，則

電機(jī)轉(zhuǎn)速：nd=i′·nw=764.3312～2866.2 r/min

根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速選擇110BYG250A型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，其最大靜轉(zhuǎn)矩為8 N·m，空載啟動(dòng)轉(zhuǎn)速為860 r/min，步距角為1.8°，配套驅(qū)動(dòng)器SWT-210H。因?yàn)椴捎脙膳_驅(qū)動(dòng)電機(jī)，故2×8=16 N·m，該型號電機(jī)的轉(zhuǎn)矩足夠。

5 控制部分

數(shù)控小車使用的控制核心stc89c52，使用C語言編程。C語言功能豐富、編寫靈活修改方便、表達(dá)豐富、在計(jì)算機(jī)語言中應(yīng)用比較廣、編寫效率高、并且可移植性好，不僅有高級語言的優(yōu)點(diǎn)還具有低級語言特點(diǎn)且通俗易懂。程序的編寫軟件使用的是MDK（keil5）軟件。Keil（MDK）5中文版提供了完整開發(fā)計(jì)劃，包括C編譯器、大型匯編、鏈接、庫管理和強(qiáng)大的測量缺陷等。當(dāng)數(shù)控小車需轉(zhuǎn)向時(shí)，由軟件控制驅(qū)動(dòng)輪產(chǎn)生差速，并使支撐輪轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，以配合轉(zhuǎn)向，直線行駛時(shí)只要保證兩驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速一致，兩支撐輪隨著驅(qū)動(dòng)輪方向轉(zhuǎn)動(dòng)即可。

數(shù)控小車的轉(zhuǎn)向主要由驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速差來控制，所以前后支撐輪可以用萬向輪代替。用萬向輪做支撐輪時(shí)小車的轉(zhuǎn)向阻力較大，所以用步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)一支撐輪，當(dāng)需要轉(zhuǎn)向時(shí)由軟件控制，使一支撐輪轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，通過連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)另一個(gè)支撐輪擺過同樣的角度，以減小傳動(dòng)阻力。

智能循跡避障小車的紅外光電傳感器模塊，如圖4所示，其由TCRT5000和LM339及少量外圍元件構(gòu)成。傳感器部分使用的是紅外反射傳感器TCRT5000，這是一種結(jié)合發(fā)射和接收的，基于紅外光學(xué)反射原理的傳感器，它包含一個(gè)紅外發(fā)光二極管和一個(gè)光敏NPN三極管。TCRT5000紅外傳感器的工作范圍約為0.2～15 mm。工作時(shí)，紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外線，若沒有被障礙物反射回來或反射強(qiáng)度不足時(shí)，光敏三極管不工作；當(dāng)紅外線的反射強(qiáng)度足夠且被光敏三極管接收到時(shí)，三極管飽和導(dǎo)通。LM339集成塊在電路中用作電壓比較器，當(dāng)同相輸入端（“+”）和反相輸入端（“-”）的電壓差大于10 mV時(shí)，就能實(shí)現(xiàn)輸出端狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，適合在弱信號檢測場合中使用。圖中，“+”輸入端接TCRT5000輸出的待比較信號，“-”輸入端接電源通過滑動(dòng)變阻器R3分壓所得到的電壓，作為比較器LM339的基準(zhǔn)電壓。滑動(dòng)變阻器的作用是改變基準(zhǔn)電壓的大小實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)靈敏度的調(diào)節(jié)。

圖4 紅外避障傳感器原理圖

當(dāng)光電傳感器所探測到的是黑線時(shí)，LM339輸出高電平；當(dāng)光電傳感器探測到的是白線時(shí)，LM339輸出的是低電平。LM339的輸出信號送入單片機(jī)，由單片機(jī)程序判斷小車處于黑線還是偏離了黑線，以及判斷是否有障礙物，以控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向。

6 數(shù)控小車遙控模塊選擇

所謂遙控器，是一種采用紅外傳輸信號使某種裝置或設(shè)備實(shí)現(xiàn)目的動(dòng)作的一種設(shè)備，確保數(shù)控小車實(shí)現(xiàn)最少五十米內(nèi)遙控距離，實(shí)現(xiàn)數(shù)控能小車前進(jìn)后退、左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)。本設(shè)計(jì)遙控器選擇的是FS富斯i6，2.4 G 10通道接收i6 DCL模擬器liftoff的遙控器。該遙控器主要特點(diǎn)有：全角度增益天線，對數(shù)控小車的控制距離和穩(wěn)定性大大的增強(qiáng)；采用LCD背光點(diǎn)陣屏幕和數(shù)據(jù)的雙向回傳，小車運(yùn)行數(shù)據(jù)能夠清晰呈現(xiàn)，提高數(shù)據(jù)傳輸速度，而且安全、控制可靠；使用4個(gè)5號電池，預(yù)留了升級擴(kuò)展通道，可自動(dòng)跳頻，低壓報(bào)警等；可點(diǎn)動(dòng)式遙控，2.4 GHz高頻信號，在空曠無干擾情況下遙控距離可達(dá)500 m，大大增加了工廠的工作區(qū)域；重量約400 g，輕便、操作方便、操作簡單。

7 結(jié)語

數(shù)控小車即工業(yè)機(jī)器人行走裝置主要包括傳動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)器人移動(dòng)平臺、控制系統(tǒng)和其他安全設(shè)施。其中，傳動(dòng)系統(tǒng)考慮到傳送距離較長和傳送精度要求高的問題選用精密橡膠輪，加裝密封系統(tǒng)用于防塵；控制系統(tǒng)主要包括伺服電機(jī)、減速器、單片機(jī)及其他低壓電氣設(shè)備[4]。本文通過對數(shù)控小車（工業(yè)機(jī)器人行走裝置）國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r和未來發(fā)展的深入分析，并考慮了工業(yè)機(jī)器人行走裝置真實(shí)的應(yīng)用環(huán)境、四輪車復(fù)雜結(jié)構(gòu)的簡化以及機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度等問題，用UG（NX）3D軟件設(shè)計(jì)了數(shù)控小車的模型及運(yùn)動(dòng)仿真，并對小車的結(jié)構(gòu)實(shí)施了力學(xué)分析，根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果制作了實(shí)物。事實(shí)證明，該設(shè)計(jì)結(jié)果是可行的，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。