萬向球形自平衡機器人的研究與設計

吳元華，廖亦凡

(湖南涉外經(jīng)濟學院，湖南 長沙 410205)

1 萬向球形自平衡機器人研究目的及意義

近幾年，人工智能技術在不斷地變革和發(fā)展，機器人作為人工智能領域一個具有代表性的技術，頻繁地出現(xiàn)在人們的視線中。機器人技術屬于多學科交叉領域，同時眾多學科交叉讓機器人技術成為一個當前炙手可熱的研究方向。

移動機器人是集傳感、控制、圖像處理為一體的綜合型系統(tǒng)，它能夠通過自身的傳感設備感知外界環(huán)境的變化，同時根據(jù)環(huán)境狀態(tài)來主動地進行路徑規(guī)劃和自動巡航，根據(jù)系統(tǒng)預先設定的指令，控制機器人電機轉動來完成相應的操作。因為移動機器人的成本較低，結構和控制相對簡單，功效較低且能夠實現(xiàn)的可操作性功能較多，所以此類型機器人可在安防、消防、物流等眾多行業(yè)投入使用，一方面可極大地降低作業(yè)成本，另一個方面可以極大提高工作人員的安全性能。

根據(jù)機器人的車輪個數(shù)，分為單輪滾動機器人和兩輪移動機器人。單輪機器人及多輪機器人在技術發(fā)展上較為成熟，但也存在很多的弊端：不能進行全向移動、轉向不夠靈活、造價昂貴。

針對現(xiàn)有單、多輪機器人的不足，本課題設計了一款萬向球形自平衡機器人， 萬向球形自平衡機器人其優(yōu)點在于可以實現(xiàn)絕對零半徑轉向，根據(jù)不同的承載要求可以任意設定萬向球的分布密度。同時萬向球形自平衡機器人與地面單點接觸，能夠憑借其360°全向移動的特點，進行絕對零度轉彎，以及綠色環(huán)保等優(yōu)勢，能夠應用到生活中的多種場合。模型設計如圖1所示。

該機器人每個軸的橫向和縱向運動由3個直流電機控制。機器人的瞬間傾斜度通過陀螺儀進行測量，并將其與平臺的所需方向進行比較后，建立機器人相對于電機旋轉角度的數(shù)學關系，從而得出機器人的姿態(tài)。比例積分微分(PID)控制器用于實現(xiàn)所需的平穩(wěn)運行和機器人的抖動衰減平衡。

圖1 自平衡機器人模型

2 萬向球形自平衡機器人的研究內(nèi)容

2.1 萬向球形自平衡機器人物理樣機的研制

通過對萬向球形自平衡機器人機械結構及運動特性的研究,運用Solidwork軟件建立萬向球形自平衡機器人的三維模型。同時通過對其硬件系統(tǒng)的研究與分析,設計萬向球形自平衡機器人控制系統(tǒng)硬件電路。最后,根據(jù)設計的三維模型與硬件電路搭建萬向球形自平衡機器人的物理樣機。

2.2 萬向球形自平衡機器人系統(tǒng)建模與控制論分析

通過運用歐拉拉格朗日方程與雅可比矩陣分別對萬向球形自平衡機器人進行動力學與運動學建模,并將動力學模型在系統(tǒng)狀態(tài)零點附近進行線性化處理得到線性化模型。對線性化模型進行能控性、能觀性及穩(wěn)定性分析[2]。

2.3 萬向球形自平衡機器人自平衡控制算法設計與研究

針對自平衡機器人的控制方面,在建立的萬向球形自平衡機器人動力學及運動學模型的基礎上設計結構簡單、理論成熟的PID與LQR兩種控制算法。其中PID控制算法主要針對萬向球形自平衡機器人的位置進行控制、LQR控制算法主要針對萬向球形自平衡機器人的傾角進行控制。同時運用MATLAB和SIMULINK軟件分別對PID與LQR兩種控制算法的控制效果進行仿真與分析。

2.4 萬向球形自平衡機器人程序設計與系統(tǒng)調(diào)試

根據(jù)萬向球形自平衡機器人自平衡控制的需求設計萬向球形自平衡機器人相應的控制程序。同時對控制系統(tǒng)的硬件電路與軟件程序都進行調(diào)試分析。

2.5 萬向球形自平衡機器人創(chuàng)新點

較多的學者在機器人結構和模型設計和研究的過程中，往往都是以兩輪、四輪和履帶作為移動載體為主。但是筆者團隊采用的是球體為移動載體。僅與地面單點接觸，該系統(tǒng)為典型的欠驅動系統(tǒng)，運動非常的靈活，轉彎半徑近乎為零。將IMU慣性原件安裝在靠近機器人頂部的位置，能夠讓移動機器人在運動過程中，對機器人運動姿態(tài)獲取更加敏感準確，為接下來的機器人姿態(tài)解析提供了準確的數(shù)據(jù)。

為了保證機器人在運動過程中能夠更加穩(wěn)定，在機械結構的設計過程中，將結構重心調(diào)整為相對較低的位置，以保證機器人在運動過程中不會因為重心偏高而偏離運動軌跡，同時在硬件部署時，采用對稱的方式，一方面為了穩(wěn)定，另一方面為了其美觀，將原本的三足驅動改為四足驅動，能夠減小其倒立模型的非線性量。獨創(chuàng)性的采用了四元數(shù)的改進型卡爾曼濾波算法在移動自平衡機器人的姿態(tài)解析過程中，能夠達到較為精準的運算結果。萬向球自平衡機器人體積較小，不僅在大空間能夠自由移動，在小空間仍然能夠達到理想的移動效果，采用蓄電池進行電源供電，綠色環(huán)保。同時該系統(tǒng)驅動功率較低，功效較小。

3 萬向球形自平衡機器人的設計

3.1 電源部分

針對自平衡移動機器人，電源方面需要動力足夠，因為不像普通獨輪機器人，只需單電機即可保證正常運行，而針對自平衡移動機器人，電源方面需要動力足夠，并且能保證主控芯片能讓系統(tǒng)運行穩(wěn)定。由于鋰電池具有較高的存能量密、輸出功率大、使用壽命長、體積小重量輕和可重復使用且綠色環(huán)保等特點，故本次選取鋰電池作為供電模塊。

在電源電路部分，計劃采用LM2576一級穩(wěn)壓電路將11.1 V電源穩(wěn)壓至6.5 V，該芯片內(nèi)含固定基準穩(wěn)壓器和頻率振蕩器，只需極少的外圍元件便可構成高效穩(wěn)壓電路，并且具有完善電流以及熱關斷保護，實現(xiàn)11.1 V電壓轉換至6.5 V。然后再次給次級穩(wěn)壓電路供電，避免一次性壓降過大，導致芯片內(nèi)部無法承受瞬間電壓，發(fā)生芯片損壞的事故。AMS1117-3.3V次級穩(wěn)壓電路，將LM2578輸出穩(wěn)壓至3.3V單獨給主控芯片供電。ASM1117-5.0和TPS7350作為次級穩(wěn)壓電路，將LM2576輸出且穩(wěn)壓至5 V即可，可以供陀螺儀、加速度傳感器以及電機編碼器供電使用。

3.2 電機驅動部分

電機驅動部分作為移動機器人的主控和結構相互聯(lián)系的部分，也是最為關鍵的核心部件之一，通過對電機轉動的控制，可以實現(xiàn)機器人的自由移動，采用編碼器獲取電機轉動脈沖，也可以實時分析電機轉動數(shù)據(jù)，對電機轉動采取閉環(huán)控制。

電機驅動電路計劃采用經(jīng)典的由單個MOSFET組成的全橋驅動電路，一個可以對正極導通實現(xiàn)上拉，另一個可以對負極導通實現(xiàn)下拉，MOS管采用的是IR7843，該MOS管在室溫下允許持續(xù)通過最大電流161A，門級觸發(fā)電壓最低為4.5V，能夠滿足本系統(tǒng)的電機驅動需求。

3.3 主控芯片

主控制板部分：擬采用意法半導體公司的32位微處理器STM32F103ZE,因為本芯片基于ARM Cortex-M3內(nèi)核架構，該單片機具有114個引腳，最高主頻可達72MHz，同時芯片自帶硬件單精度浮點運算，能滿足對運算速度和精度要求較高的姿態(tài)解算過程[3]。其中，晶振電路對整個系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性是非常重要的，電路中使用的8MHz無源晶振，無源晶振的外圍電路簡單方便價格較為便宜。芯片提供的SPI接口、I2C接口、USART接口、脈沖捕捉接口、PWM輸出接口等能很方便實現(xiàn)控制器對姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)采集、OLED顯示屏、串口調(diào)試、速度采集、驅動電機等功能。

3.4 傳感部分

傳感器的作用就是實時獲取系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的深度解析獲取運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并根據(jù)需求，進行控制指令的生成。本系統(tǒng)計劃采用MPU-6050陀螺儀，該傳感器為全球首款整合性6軸加速度傳感器，相較于多組件方案，其免除了組合陀螺儀與加速度傳感器時間軸之差的問題，減少了大量的封裝空間。該傳感器開發(fā)技術較為成熟，使用方便，只需安裝牢固即可。同時該傳感器的測量范圍是可控的，包括±250、±500、±1000、±2000°/s，加速度傳感器可測量范圍為±2、±4、±8、±16 g。

4 結語

萬向球形自平衡機器人是多學科珠聯(lián)璧合的產(chǎn)物，對當前機器人領域的研究發(fā)展意義巨大。目前，人工智能技術愈加成熟，人工智能時代勢不可擋，經(jīng)過團隊的共同努力，萬向球形自平衡機器人的各項目標功能已全部實現(xiàn)。未來，不僅可以開發(fā)手機客戶端的APP，通過連接云服務器，實現(xiàn)遠程操控，還可以逐步推廣到其他應用市場，如物流和消防等領域。