何躍軍，陳 偉，劉先明

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院，廣東 深圳 518055）

目前國內(nèi)針對高職學(xué)生的中小型機器人實訓(xùn)裝置，一般為固定試驗臺形式，所涉及的內(nèi)容大多以驗證性實驗為主，學(xué)生在實訓(xùn)過程中，照著實訓(xùn)指導(dǎo)書的要求，完成相關(guān)的實訓(xùn)項目，其自主性、創(chuàng)造性得不到發(fā)揮．另外，由于機器人實訓(xùn)裝置造價昂貴，且容易損壞，因而在實訓(xùn)環(huán)節(jié)的設(shè)計上，學(xué)生主動參與設(shè)計、制作和調(diào)試的空間有限，動手能力得不到鍛煉，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)的興趣難以激發(fā)．針對以上問題，本研究從高職學(xué)生動手能力強而理論知識弱的特點出發(fā)，設(shè)計一種實訓(xùn)用移動式運貨機器人．

1 運貨機器人總體功能介紹

運貨機器人的本體設(shè)計，結(jié)合功能要求進行．首先采用UG軟件建立立體模型，并進行運動仿真；然后建立數(shù)學(xué)模型；最后通過差值運算，確定最佳設(shè)計參數(shù)，使其外觀尺寸控制在仿真結(jié)果范圍內(nèi)，其機械結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示．整個機器人由底盤行進機構(gòu)、機械手、紅外光電傳感器組件和電控系統(tǒng)板4部分組成．

圖1 運貨機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

1.1 底盤行進機構(gòu)

機器人的底盤采用鋁合金材料作為底架，具有輕便、堅固等特點，其行走機構(gòu)主要承載整個機身重量和實現(xiàn)機器人的自主移動，包括直線運動和拐彎運動．為滿足機器人運動平穩(wěn)行的要求，行走機構(gòu)的設(shè)計，采用四輪對稱排列結(jié)構(gòu)形式：即兩方向輪安裝在底盤前部，為機器人本體提供穩(wěn)定的支撐，并跟隨2個后驅(qū)動輪的運動而運動．而2個后輪為相互獨立的驅(qū)動輪，由2個無刷直流電動機分別驅(qū)動（其功率 70W，由 24V蓄電池供電）．電控系統(tǒng)根據(jù)紅外光電傳感器組件的反饋信號，通過控制兩驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速差，控制行走機構(gòu)做尋線運行．實踐表明，機器人在載貨行駛中，底盤行走機構(gòu)采用四輪結(jié)構(gòu)形式較之三輪結(jié)構(gòu)形式，其行進的靈活性相差不大，但車體要平穩(wěn)許多．行走機構(gòu)的4個行進輪都外加有軟性橡膠材料，從而增加了車輪的摩擦系數(shù)，利于機器人的定位和尋線運行．

1.2 機械手

置于機器人底盤上的機械手，在實訓(xùn)中，能執(zhí)行上升、下降、開爪與關(guān)爪等多個動作，完成貨物的運送、裝料和卸料等多種工序．其開、關(guān)爪以及手臂的升、降各由一個帶減速齒輪的直流電動機驅(qū)動，并由行程開關(guān)進行限位．直流減速電機同樣由 24V蓄電池供電，其減速比為15∶1．為簡化設(shè)計和增大電機的驅(qū)動力矩，直流減速電機采用集成電機驅(qū)動芯片L298D兩路并聯(lián)驅(qū)動，該驅(qū)動芯片包含4個輸出通道，最大輸出峰值電流為1.2 A，電控板通過控制其PWM輸入引腳的占空比，對減速電機進行 PWM 調(diào)速控制．機械手的手爪上加裝了橡膠和海面，以提高附著力．減速電機正轉(zhuǎn)，通過軸上的鋼絲繩，拉動彈簧，帶動機械手的開抓；減速電機反轉(zhuǎn)，并借助彈簧反彈的回力，使機械手收抓．機械手的升降部分采用寬同步帶傳動，增強了機器人提升運行的穩(wěn)定性．

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 電控系統(tǒng)板

機器人電控系統(tǒng)板裝于底盤上，系統(tǒng)原理如圖2所示．為使機器人行進中，在“準”、“穩(wěn)”的基礎(chǔ)上達到“快”的要求，底盤行走機構(gòu)的兩驅(qū)動輪電機的驅(qū)動，在設(shè)計上，采用控制級和伺服級兩級控制方式．控制級以美國微芯科技公司（Microchip Technology）推出的控制芯片DSPIC30F6014為控制核心[1]，加外圍電路構(gòu)成．主控芯片DSPIC30F6014既有16位閃存單片機的高性能，又兼有數(shù)字信號處理器（DSP）的計算能力和數(shù)據(jù)吞吐能力，適合電機的運動控制．

圖2 運貨機器人電控系統(tǒng)原理框圖

在機器人行進時，主控芯片DSPIC30F6014，根據(jù)安裝在底盤前部的 8個光電傳感器組件所測得的位置信號組，采用PD巡線控制算法，通過控制伺服級——無刷電機驅(qū)動器，分別控制底盤兩驅(qū)動輪上的電機的速度差，沿白色引導(dǎo)線，進行尋線運行．

為增加系統(tǒng)的可靠性，同時減輕主控芯片的運算量，底盤驅(qū)動輪電機，設(shè)計上采用了專用無刷電機驅(qū)動器（深圳雷德公司生產(chǎn)）進行驅(qū)動，專用無刷電機驅(qū)動器留有多根輸入接口．主控芯片通過控制其輸入方向接口的電平高低，即可控制電機的轉(zhuǎn)向；通過發(fā)出不同占空比的PWM信號給驅(qū)動器的PWM輸入接口，即可進行電機的PWM調(diào)速運行．專用驅(qū)動器的使用，為學(xué)生控制電路的制作與軟件的編程提供了方便．

2.2 紅外光電傳感器組件

傳感器組件為機器人的“眼睛”，因而選擇合適的類型十分關(guān)鍵．目前機器人常用的傳感器有CCD傳感器和紅外光電傳感器2種．CCD傳感器價格較高，且需要對數(shù)據(jù)進行復(fù)雜的轉(zhuǎn)換和處理．而紅外光電傳感器結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉．為降低成本，本系統(tǒng)采用紅外光電傳感器組件，但紅外光電傳感器存在著一些缺點，如，與CCD輸出線性連續(xù)的信號相比，其返回的信息比較離散，從而影響了其控制的精度．另外，紅外光電傳感器的檢測信號存在著較大的滯后、在高速和復(fù)雜的尋線過程中，容易出現(xiàn)振蕩，因此需要通過軟件算法來彌補其不足．

控制系統(tǒng)的紅外光電傳感器組，安裝在底盤的前端，相鄰光電傳感器距離略小于引導(dǎo)線的線寬，以保證同時有2個傳感器可以檢測到引導(dǎo)線．在傳感器組的實際應(yīng)用中，首先要注意器件選用的一致性，即各個光電傳感器的性能應(yīng)盡量接近，且安裝狀態(tài)一致[2]．其次，光電傳感器組應(yīng)盡量靠近地面，以減少外界光源對傳感器的干擾，傳感器垂直高度以5~10mm為宜．紅外傳感器離地面過遠，光反射信號差信號不強；離地面過近，則會導(dǎo)致反射角度太大，加劇光漫射干擾的影響[3]．需要說明的是，目前國產(chǎn)的光電傳感器在實戰(zhàn)中，受外界環(huán)境的影響較大，外界光線強度、引導(dǎo)線的顏色深度，甚至地面的溫度都會影響其性能，從而影響機器人的巡線程序的通用性．

3 軟件設(shè)計

運貨機器人系統(tǒng)控制軟件的編寫采用模塊化設(shè)計思想，使用MPLAB IDE開發(fā)環(huán)境，MPLAB C30語言編寫，整個程序的核心是巡線運行程序，而尋線控制算法的好壞則是系統(tǒng)能否穩(wěn)定運行的關(guān)鍵．目前機器人尋線的控制算法較多[4-6]，但本機器人采用的是一種實用可靠的尋線 PD控制算法，其具體設(shè)計思路如下：

1）先把8個光電傳感器組發(fā)出的狀態(tài)信號依次賦值．根據(jù)排列位置，8個光電傳感器從左到右發(fā)出的信號依次賦值為：-7，-5，-3，-1，1，3，5，7．

2）控制程序在每個固定周期(每隔5～10ms)，采集一次傳感器組件當前的狀態(tài)信息，并根據(jù)“質(zhì)心”公式，計算出接收到的傳感器組信號的“質(zhì)心”坐標．例如當前周期，按從左到右位置排列，傳感器組狀態(tài)信息為 00001110（其中，0表示該對應(yīng)位置的紅外光電傳感器接收到引導(dǎo)線反光信號，1表示沒有收到信號），則此周期質(zhì)心坐標值為：（1*1+1*3+1*5）/8．

3）通過上述質(zhì)心坐標值和基準值（程序巡線算法，以地下白色引導(dǎo)線中心線為位置基準，基準值取 0）的絕對值之差，計算出當前周期內(nèi)，機器人尋線運行中，底盤中心線偏離引白色引導(dǎo)線中心線的偏差值．主控芯片DSPIC30F6014根據(jù)偏離值，即通過 PD控制算法，控制左、右驅(qū)動輪驅(qū)動電機的速度差，不斷調(diào)整底盤中心線相對于白色引導(dǎo)線中心線的位置，從而完成機械人底盤行走機構(gòu)，在尋線行進過程中的糾偏．

PD尋線控制算法控制如圖3所示．在程序設(shè)計中，比例參數(shù)Kp值和微分參數(shù)Kd值根據(jù)實際情況確定，如比例參數(shù)Kp值取值過大，則控制量超調(diào)，機器人尋線作明顯的S形運動；如比例參數(shù)Kp值過小，則機器人尋線動作效果不明顯．如果機器人在尋線過程中，出現(xiàn)頻繁調(diào)整尋線動作的現(xiàn)象，則需要改進微分參數(shù)Kd值．比例參數(shù)Kp值和微分參數(shù)Kd值，需要根據(jù)場地的實際情況，多次調(diào)整大小，才能找到最佳值，以得到最佳的巡線效果．本系統(tǒng)PD尋線控制算法簡便可靠，且便于學(xué)生學(xué)習(xí)與掌握，在實戰(zhàn)中，效果良好．

圖3 PD尋線算法控制框圖

4 結(jié) 論

筆者設(shè)計的機器人以倉庫運貨為背景，模擬真實的工作環(huán)境、能按照事先設(shè)定的路徑，尋線自主行駛，完成貨物的裝載、運送與卸載等多道工序．其特點在于：機械結(jié)構(gòu)和控制軟件都采用了模塊化設(shè)計形式，內(nèi)部資源公開，其機械部件和控制電路板都可由學(xué)生自己動手自由拆裝、加工、制作完成．

該機器人目前已成功地用于我校機電一體化專業(yè)的機器人實訓(xùn)和多項機器人大賽的訓(xùn)練中．學(xué)生通過親手制作和調(diào)試該機器人，在機械設(shè)計與加工、電路制作、控制算法的程序編寫和系統(tǒng)調(diào)試等方面得到鍛煉和提高．同時，還可以以此機器人為平臺，通過修改軟件算法，用于軌跡跟蹤、模型分析、路徑規(guī)劃、視覺處理等與機器人相關(guān)課題的研究工作．

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