搬運機器人驅動系統的設計與實現
何躍軍，陳偉，劉先明
(深圳職業技術學院，廣東深圳518055)
摘要：闡明了Robocon大賽模塊搬運機器人驅動系統的設計。該設計包括驅動系統機械部分的車載機構和行走機構的設計，以及電控系統的設計，電控系統的設計包括尋線傳感器的設計、主驅動輪的電機驅動和車載機構電機的驅動設計。實踐表明，機器人設計方法簡單，實用可靠，達到了預|十的效果。
關鍵詞：機器人；驅動系統；電控系統
中圖分類號：TM33；TM383．4 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7018(2008)04—0032—03
O引言
Robocort為亞洲廣播電視聯合會(ABU)舉辦的亞洲年度大學生機器人大賽，主題是根據黃帝造指南車的故事制定的“華夏之光”。比賽規則主要內容如下：紅隊和綠隊分別采用手動機器人(代表黃帝)和自動機器人(代表工匠)把木塊(紅隊為紅色模塊，綠隊為綠色模塊)放到“戰車”(場上的墩子)上。把木塊放到“戰車”頂部的隊占有了這輛“戰車”，并得分，內圈、中圈到外圈戰車的分值分別為3分、2分和1分。****占有比賽場地中央的3輛“戰車”，建成V字形“指南車”的隊就是獲勝隊。在兩隊均未建成“指南車”的情況下，得分多的隊獲勝。整場比賽定為3分鐘。本文主要闡明我校帶主從機械手的自主型模塊搬運機器人(即我方比賽中的自動機器人)驅動系統的設計。
1驅動系統結構設計
本搬運機器人驅動系統機械結構主要包括行走機構和車載機構兩部分。
1．1行走機構的結構設計
行走機構采用輪式驅動方式，其結構外形示意圖如圖2所示。其主要功能是使機器人按照設定，到達預先的位置。它由兩個24 V伺服直流電動機和兩個萬向輪組成。兩個直流電動機安裝在機器人的后方，分別驅動兩個后輪，為機器人行動提供動力。車輪外加軟性橡膠材料，以增加車輪摩擦系數。兩個萬向輪安裝在機器人的前方，為機器人本體提供穩定的支撐，并跟隨驅動輪的運動方向運動。在控制上，我們通過安裝在車前的紅外反射式傳感器陣列，檢測場地上的白色引導線，以分別控制兩個行車電機的轉速差，從而控制機器人按事先規劃的路徑行進。
1．2車載機構驅動系統的機構設計
車載機構結構圖如圖3所示。它的作用在于：當機器人到達指定的地點后，用從機械手拔除對方的模塊(由于我方機器人帶有顏色攝像頭，因而可以識別敵、我模塊)，然后通過機械手轉換機構，使正交排列的從機械手和主機械手同時逆時針轉動90。，機器人前面的從機械手轉到機器人左邊，主機械手轉到機器人正前方，機器人采用主機械手安放己方事先拿好的模塊。
由于比賽對機器人的總重量有要求,因而我們在設計上,從機械手重量較輕,功能上僅用于拔取和丟棄對方的模塊。而主機械手則擔任主要任務，用于搬運和安放自己的模塊。主從機械手轉換機構采用錐形齒輪傳動，其錐型齒輪和轉換驅動電動機如圖4所示。
主、從機械手的采用，提高了我方機器人的效力。即使對方先于我們到達戰車，安放好模塊，我方也能通過搬走對方的模塊，從而得分。
機械手的提升部分采用寬同步帶傳動，以提高穩定性。機械手的開爪部分在爪上加裝了橡膠和海棉，以提高附著力。機械手的提升用電機、機械手的開爪用電機和主、從機械手的轉換機構中的電機，均采用帶自鎖力的24 V直流減速電動機，便于程序控制。
2驅動系統電控設計
2．1硬件系統設計
機器人電控系統的原理框圖如圖5所示。根據比賽要求，所有機器人總重量不超過50kg，動力源采用24 V蓄電池。為此我們采用1．5 AH的鉛酸蓄電池作動力源，鉛酸蓄電池優點是過、充放電能力強、耐用，缺點是體積大、重量較重，考慮到我們設計的機器人其他部分較輕(機器人主干部分大都采用鋁合金結構，整車重量僅為為10．2 kg)，適當地增加電池的重量還能使車底盤重心降低，增加機器人行走的穩定性，因而我們采用了此類型的電池。
電控系統的控制核心，我們采用的是美國Par—allax公司的BS40型單片機。該單片機為40引腳，采用PBASIC語言編程，該語言與BASIC相近，因而編程方便、可讀性好。另外該芯片還具有程序自動下載功能、可直接將Pc機上編制的程序直接下載到單片機自帶的存儲器中，無需使用仿真器，因而便于調試。
2．1．1尋線傳感器組
機器人的尋線傳感器組的工作正常與否，選用是否恰當，擺放的位置是否正確都直接關系到機器人的正確行進。一般來說，尋線傳感器放置越多，則機器人尋線越穩定，糾偏能力越強，但單片機檢測各傳感器狀態的時間周期就越長，靈敏性降低。綜合考慮以上因素，我們采用15個尋線傳感器。放置原則是，中間傳感器之間距離間隙較密，便于機器人走穩定，而越靠外，各傳感器間隙越疏，以提高其糾偏能力。
機器人的尋線過程必須滿足以下的基本條件：
(1)系統穩定。無論車體的當前位置如何，只要尋線器在白線上方，車體的中心線都能夠收斂到與白線重合，不能出現發散(沖出白線)或者振蕩(車體在白線附近來回擺動)的情況。
(2)系統的快速性好。即能夠快速收斂，由于比賽過程中各個轉彎點之間的行進距離很短，所以車體必須在短距離內趨近白線，同時車體在調整過程中不能有太大的超調，以免在受到于擾(主要是地面不夠平整引起的干擾)時偏離白線。
(3)行進速度快。尋線過程中左、右輪的平均速度快且任意時刻速度始終為正轉(不出現反轉情況)。
而機器運行，糾偏性能的好壞，取決于兩點：一是尋線器的分辨率，二是糾偏表的參數。
機器人白線跟蹤的基本原理就是讀取尋線傳感器反饋回來的信號，判斷機器人前部的中心偏離白線的程度，而后查糾偏表得出左右輪的速度增量，使左右輪在糾偏時轉速逼近一理想控制曲線，使得機器人能夠快速平穩地沿著白線行進。所謂理想的控制曲線就是根據人的經驗得到的車體尋線過程中左、右輪的速度控制曲線。理想的速度控制曲線就是根據以上這三條原則，結合人的經驗得到的。由于我們使用的白線檢測器檢測點的數量有限，因此實際上檢測到的位囂反饋實際上是離散的，由于任意時刻只可能有1或2個檢測點位于白線上方，因此可以根據偏離車體中心****的一個檢測點優先的規則對我們采用的15個檢測點進行編碼。
尋線傳感器有多種類型可選擇。由于光敏器件受光影響較大，光纖器件、顏色傳感器成本相對較高，使用復雜，因此本系統采用Parallax公司的QTI紅外式反射傳感器，其原理圖如圖6所示。調節可變電阻R，的大小，即可調節尋線傳感器對白線的靈敏度，以區分場地自線和場地藍色底襯。
2．1．2超聲波測距
機器人在行進中采用parallax ping超聲波傳感器來探測前方的障礙避障，以及測量機器人與場上墩子的距離，便于機器人在要到達位置時減速。超聲波測距連接圖如圖7所示，其工作原理為：首先從
其一般其指令的結構如下：
[節點序號]指令內容[參數]回車符(CR) 其中，指令內容由英文字母組成；可選擇的參數
為阿拉伯數字；指令的最后都由回車符(CR，ASCII碼的十進制代碼為13)結束。例如，V1000表示電機以1 000 r／min速度正向運行，V一1000表示電機以1 000 r／min速度反向運行，VO表示電機制動。
編碼器采用默認的512線分辨率。
單片機輸出串行口線同時與兩個驅動器相連，構成網絡運行模式，兩臺驅動器通過MOTION MAN—AGE 3軟件分別設置為節點l和節點2，在網絡模式下，單片機向驅動器發命令時，先帶上節點標號，即可一根線分別控制兩臺驅動器，從而簡化了控制。
在網絡模式下，如果單片機向驅動器發出ASCII碼指令，如沒帶目標驅動器節點序號，則指令單片機P15發出觸發信號，然后通過接收超聲波返回信號，得到兩者時間差值，乘以超聲波速度，再除以2，即可得到待測距離。
2．1．3行走驅動輪電動機的驅動
本機器人兩主輪驅動電動機分別采用德國MAx0N直流電動機，功率為70 w，驅動器采用瑞士FAuLHABER生產的MCBL3006／s型驅動器，其內部原理圖如圖8所示。該驅動器基于高速DsP開發，可用于電機的速度控制和位置控制。其速控同步睦極高，且扭矩波動低，PI控制器能確保電機實際速度值與預定值高度一致。電機調速一般采用四種模式：1)模信號調節速度；2)PWM方式；3)步進模式；4)指令模式。即通過單片機串行口輸出采用ASCII碼形式的指令碼，給驅動器串口，以控制電機的運行。本文采用的就是這種方式。在該模式下，電機速度由232串口給定的目標值來確定。將被網絡中所有驅動器接收。驅動器、上位機和單片機通信協議為：波特率均為9 600，八位數據位，一位停止位，無奇偶校驗位。在控制軟件中，根據傳感器狀態，決定電機兩輪運行速度差，程序如下：
CASE 000001 100000000
SER0UT 0，16624，[：DEC 1，”V-1000”，cR]
SEROuT 0，16624，[：DEC 2，”V1200”，cR]
程序中，V-1000表示電機逆時針轉動的速度為l 000 r／min，而V1200則表示電機順時針的轉動速度為1 200 r／min。
2．1．4車載減速電動機的驅動
本系統車載減速電動機主要有四個：一個用于提升機械手；兩臺電動機分別用于兩個機械手的開爪與關爪，另一臺電動機則用于主從機械手的轉換。四臺直流減速電動機都可用同一種驅動電路驅動。實驗時，我們嘗試了兩種驅動方式，現在總結如下：
(1)采用LMDl8200驅動，LMDl8200作為專用小型電動機驅動芯片，使用方便、可靠，工作電流可達3 A，驅動車載機構電動機本無問題，但目前國內市場，該芯片大多為美國公司仿冒產品，質量不可靠，經常發生燒片子現象，因而我們在實際制作中，沒有采用這種方式。
(2)采用L298驅動，L298驅動模塊也具有LMDl8200特點。它為雙H橋高電壓大電流功率集成電路，可以用來驅動兩臺直流電動機或步進電動機等感性負載。但其每一路輸出可以正常提供的連續電流僅為2 A，考慮到電機工作時，可能發生的堵轉和燒毀芯片現象(比如機器人在拔對方模塊時對方壓住模塊，以保護模塊不被拔出的情況)，因而在實際系統設計時，我們將每個1298芯片的兩路輸出并聯輸出，得到連續4 A電流的輸出，從而提高了驅動器的驅動能力和可靠性。其驅動電路的連接圖如圖9所示。圖10--
3結語
本文介紹的模塊搬運機器人是針對比賽特點設計的。其功能較強(不僅能搬運己方模塊，還可同時拔除對方已放置好的模塊)，車體設計巧妙，結構簡單，重量較輕，且電控系統設計合理，穩定性好，在實戰中，表現優良，達到了預期的目的。
|
