一種爬坡機器人設(shè)計與實現(xiàn)＊

許篤添，陳公興，何志強，陳嘉揚，余冠群

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一種爬坡機器人設(shè)計與實現(xiàn)＊

許篤添，陳公興，何志強，陳嘉揚，余冠群

（廣東技術(shù)師范學院天河學院電氣與電子工程學院，廣東 廣州 510540）

機器人是機械科學與電子信息技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是計算機科學、控制理論、信息科學和傳感技術(shù)等多交叉學科綜合性高科技產(chǎn)物，它是一種仿人操作、高速運行、重復(fù)操作和精度較高的自動化設(shè)備。機器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，不但使工業(yè)生產(chǎn)和科學研究發(fā)生變化，而且對人類的社會生活產(chǎn)生了深遠的影響。

傳感裝置；自動化設(shè)備；爬坡機器人；坡度

在作品設(shè)計中，對不同板塊傳感裝置的相關(guān)信號進行檢測，通過手機APP，利用藍牙模塊通信，控制爬坡機器人完成既定任務(wù)，實現(xiàn)在不同坡度下的爬坡功能。以A53開發(fā)板為控制核心，爬坡機器人通過L298N芯片實現(xiàn)對電機運轉(zhuǎn)的控制，能夠自行對軌跡路線進行識別，當遇到障礙物時能調(diào)整方向?qū)崿F(xiàn)避障繞行，沿著斜坡前進，直達目標地。

爬坡機器人作為移動機器人的一個應(yīng)用分支，它涉及機械學、控制學、仿生學及信息處理技術(shù)等多個學科。隨著機器人技術(shù)的發(fā)展和社會需求的日益擴大，爬坡機器人在實際執(zhí)行任務(wù)的過程中，不可避免地會遇到路面比較復(fù)雜、坡道較多的地形，爬坡、越障能力成為衡量其性能的主要指標，逐漸成為國內(nèi)外機器人研究領(lǐng)域的一個熱點。

1 爬坡機器人方案設(shè)計與動力學建模

如圖1所示，爬坡機器人以A53開發(fā)板為控制核心，經(jīng)過相關(guān)傳感裝置等獲得的數(shù)據(jù)信息將其傳遞給CPU，借助主控的操作，完成電機的運作，進而準確地躲避障礙物，保持持續(xù)前進，通過藍牙控制，在設(shè)定的斜坡中行駛。

圖1 系統(tǒng)總體框架

根據(jù)爬坡機器人的重力與斜坡角度計算出電機驅(qū)動車輪的轉(zhuǎn)矩，從而保證機器人沿斜坡方向的平衡度。通過機器人車輪滾動摩阻和摩擦力矩的數(shù)值計算出相應(yīng)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，使得機器人不會后滑，提高了機器人的爬坡能力。機器人車體的動力學分析、機器人車輪的動力學分析分別如圖2和圖3所示。

圖2 機器人車體的動力學分析

圖3 機器人車輪的動力學分析

基于圖2和圖3的分析，可列出爬坡機器人動力學平衡方程：

聯(lián)合以上3個方程，可以得到：

機器人驅(qū)動輪所需要的驅(qū)動力矩為：

1=qd+r. （7）

式（7）中：q為滾動摩阻因數(shù)；為摩擦力；為驅(qū)動輪半徑。

2 系統(tǒng)程序設(shè)計

在智能爬坡機器人的設(shè)計中，通過手機APP，借助藍牙模塊，手機發(fā)出指令，隨后運用紅外傳感裝置達到躲避障礙物的效果。將獲得的信息傳遞到主處理器設(shè)備方面，進而使爬坡機器人在合理的軌道上前進后退，系統(tǒng)程序流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖

3 系統(tǒng)調(diào)試

在藍牙無法配對時，手機APP和藍牙指示燈閃爍，需要調(diào)整藍牙的參數(shù)。

3.1 修改AT命令集

測試通訊方面，發(fā)送AT（返回OK，1 s左右發(fā)1次），返回OK。

3.2 修改藍牙串口通訊波特率

發(fā)送AT+BAUD1，返回OK1200；發(fā)送AT+BAUD2，返回OK2400。

3.3 改藍牙配對密碼

發(fā)送AT+PINXXXX，返回OKsetpin。

參數(shù)xxxx：所要設(shè)置的配對密碼，4個字節(jié)，此命令可用于從機或主機。從機是適配器或手機彈出要求輸入配對密碼窗口時，手工輸入此參數(shù)就可以連接從機。主機則是在用主藍牙模塊時，機器人是從機，找到機器人的配對密碼，再設(shè)置主藍牙模塊。爬坡機器人控制界面與實物如圖5所示。

經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，爬坡機器人能通過藍牙控制，順利爬坡并避開障礙物，具備以下功能：①通過手機APP控制，可以直線行走和轉(zhuǎn)彎、調(diào)速、爬坡等；②當探測到前方存在障礙物時，適當?shù)馗淖兎较?，進行避障；③在0°～45°斜坡上，能夠?qū)崿F(xiàn)爬坡任務(wù)。

圖5 爬坡機器人控制界面與實物

［1］王晶，翁顯耀，梁業(yè)宗，等.自動尋跡爬坡機器人小車的傳感器模塊設(shè)計［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31（22）.

［2］孫穎.基于路徑規(guī)劃的智能爬坡機器人小車控制系統(tǒng)研究［D］.青島：青島大學，2007.

［3］密加永.基于智能汽車的控制算法的研究與應(yīng)用［D］.濟寧：曲阜師范大學，2008.

TP242

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.22.116

2095－6835（2018）22－0116－02

2016年國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（項目編號：201612668005）

陳公興。

〔編輯：張思楠〕