蔡志凱，張福鼎

(江蘇第二師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，江蘇南京，211222)

0 引言

目前市場已出現(xiàn)智能運(yùn)輸機(jī)器人、送餐機(jī)器人、醫(yī)院送物送藥機(jī)器人等。這些機(jī)器人的誕生說明人工智能在未來市場會占據(jù)很大一部分的優(yōu)勢，以及說明智能運(yùn)輸、售賣系統(tǒng)并不是天方夜譚，實(shí)用且可實(shí)施。但這些機(jī)器都有一個共同的缺點(diǎn)：人形態(tài)或者支架形態(tài)都容易發(fā)生損壞、碰撞、翻到等意外情況的發(fā)生。針對這一情況，球形態(tài)就可大大避免發(fā)生此類問題。

現(xiàn)如今雖然這些機(jī)器人能完成基本的配送，但是無法保證配送東西的完好，所以本次項(xiàng)目想通過保持重心的穩(wěn)定來使得物體在運(yùn)輸過程中受到碰撞和傾斜后仍保持物體不傾斜。目前已出現(xiàn)無人駕駛勘探機(jī)器人、以及針對疫情防控發(fā)明的防疫、消毒、消殺機(jī)器人以及紅外測溫機(jī)器人等，同樣的也會出現(xiàn)此類問題。近些年出現(xiàn)的深水以及地底勘探機(jī)器人，容易受到強(qiáng)大的壓強(qiáng)作用，球形態(tài)可以最大程度分散表皮所受到的壓力。市場上的智能外賣保溫箱，雖說保溫，卻容易出現(xiàn)泄露，碰撞，翻倒，從而影響菜品的質(zhì)量，而stable球系統(tǒng)可以解決此類問題。

近年來，機(jī)械運(yùn)動對穩(wěn)定性方面的追求越來越重視，國際上有關(guān)運(yùn)輸類機(jī)器人技術(shù)的探究應(yīng)用，都迅速成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。穩(wěn)定性領(lǐng)域的主要研究課題是如何運(yùn)用電機(jī)驅(qū)動器、穩(wěn)定器等外接設(shè)備在外界干擾的狀態(tài)下始終保持穩(wěn)定（平穩(wěn)）。經(jīng)過初步調(diào)研,該方面市場運(yùn)用場景非常廣泛，尤其在新崛起的智能運(yùn)輸機(jī)器人方面，創(chuàng)新運(yùn)用種類繁多，無不體現(xiàn)科學(xué)魅力。

目前國外市場已經(jīng)出現(xiàn)智能運(yùn)輸機(jī)器人，送餐送貨機(jī)器人等[2-3]。如Starship Technologies里的自動駕駛機(jī)器人，Starship具有完整的避障功能，可以完全自動執(zhí)行任務(wù)。而此前在亞馬遜進(jìn)行測試取得配送機(jī)器人Scout，它由電池進(jìn)行驅(qū)動，行駛速度與人類步行速度接近，因此在配送過程中不容易出現(xiàn)物品的側(cè)翻及泄漏；丹麥的MIR公司生產(chǎn)的MIR機(jī)器人，是倉儲機(jī)器人[4]，可以360度全方位識別障礙物，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定；國外的AXTER公司生產(chǎn)的叉車式AGV，該機(jī)器配有能360度障礙物檢測的激光安全掃描儀，當(dāng)遇到障礙物接近時，能自動減速停車，達(dá)到平穩(wěn)行駛的目的，使得配送的物品保持穩(wěn)定而不會傾倒。

目前國內(nèi)的研究程度來看，隨著群眾生活水平的提高，對于物質(zhì)的需求更加的大，從以前的只能手工完成一些笨重且危險(xiǎn)的活，到現(xiàn)在的有了相應(yīng)的機(jī)器人去完成。從之前的僅能完成一些基本動作的機(jī)器人到現(xiàn)在智能系統(tǒng)的出現(xiàn)，機(jī)器人也變得智能化了，尤其是送餐送貨機(jī)器人的研發(fā)。國內(nèi)無人物流配送以京東的研究投入最為突出[5-6]，2016年9月，其自主研發(fā)的國內(nèi)受輛無人配送車開始實(shí)施路測，2017年6月，京東無人車在中國人民大學(xué)順利完成首單配送任務(wù)。近幾年來，菜鳥、美團(tuán)和蘇寧等有著強(qiáng)大物流體系背景的公司也同樣致力于無人配送技術(shù)的研究，其中最主要致力解決的問題就是物流運(yùn)輸過程中保持運(yùn)輸物品的完整。北京的極智嘉公司生產(chǎn)的極智機(jī)器人，屬于倉儲機(jī)器人具有舉升搬運(yùn)、導(dǎo)航避障、智能調(diào)度等功能，這些功能在很大的程度上能夠保證物品的完整，不會導(dǎo)致?lián)p壞；我國的美團(tuán)公司生產(chǎn)的無人配送車，使用超聲波、激光雷達(dá)等傳感器融合方案，可在室外低速安全平穩(wěn)地運(yùn)輸食物。雖然在低速運(yùn)動下能夠保證配送物品保持相對穩(wěn)定，但是遇到突然剎車或者被其他物品碰撞就會導(dǎo)致食物側(cè)翻從而導(dǎo)致配送失敗。

1 Stable球系統(tǒng)設(shè)計(jì)

STC89C51是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有4K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程Flash,使得STC89C51在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。而本項(xiàng)目stable球系統(tǒng)電路主要靠STC89C51中央控制器完成對整個電路的控制，供電系統(tǒng)通過STC89C51中央控制器控制電機(jī)驅(qū)動模塊從而完成對升降電機(jī)的驅(qū)動。壓敏傳感器屬于傳感器的一種，通常用于感受壓力信號，它不但能夠感受壓力信號而且還能夠有規(guī)律的將壓力信號轉(zhuǎn)換成可以使用的電信號。壓敏傳感器通常由壓力敏感元件和信號處理單元組成，在工業(yè)實(shí)踐中最為常用，其廣泛運(yùn)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、電力等眾多行業(yè)，而壓敏傳感器在本電路中主要用于控制電路電壓，在檢測到壓力時，電路電壓減小，從而影響電路的通斷。

電機(jī)驅(qū)動電路既可以通過繼電器或功率晶體管驅(qū)動，也可利用可控硅或功率型MOS場效應(yīng)管驅(qū)動。而電機(jī)驅(qū)動器可以通過控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和運(yùn)轉(zhuǎn)速度，以此來實(shí)現(xiàn)對占空比的控制，來達(dá)到對電機(jī)怠速控制的方式。而在本電路中，主要運(yùn)用了L298N電機(jī)驅(qū)動芯片，L298N，是一款接受高電壓的電機(jī)驅(qū)動器，直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)都可以驅(qū)動。一片驅(qū)動芯片可同時控制兩個直流減速電路做不同動作，在以12V左右為范圍的一個基礎(chǔ)內(nèi)，提供2安培的電流，并且具有過熱自斷和反饋檢測功能。L298N可對電機(jī)進(jìn)行直接控制，通過主控芯片的I/0輸入對其控制電平進(jìn)行設(shè)定，就可以為電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)驅(qū)動，穩(wěn)定性好、操作簡單，可以滿足直流電機(jī)的大電流驅(qū)動條件。

ULN2003A是一個7路反向器電路，即當(dāng)輸入端為高電平時ULN2003A輸出端為低電平，當(dāng)輸入端為低電平時ULN2003A輸出端為高電平。由于ULN2003A是集電極開路輸出，為了讓這個二極管起到續(xù)流作用，必須將COM引腳（pin9）接在負(fù)載的供電電源上，只有這樣才能夠形成續(xù)流回路。也可以作為一些器件，如步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路。

Stable球系統(tǒng)的主要框架由兩個同心球面完成，設(shè)想是通過在兩個同心球面之間的間隙填充大小合適，質(zhì)量適宜，潤滑度高的滾珠（類似于軸承的制作原理），使得該系統(tǒng)外表皮和內(nèi)核相互隔開卻又緊密聯(lián)系。滾珠也是隔離帶的一種，同時，這種設(shè)計(jì)并不一定止步于雙層，若是運(yùn)送比較重的物品，加厚加層可以更好的保障物品和機(jī)器的安全，并且通過鋪加多層的滾珠，使內(nèi)核更加不易受到外界環(huán)境的影響，從而達(dá)到外界晃動，但內(nèi)核依舊保持原狀態(tài)相對靜止的目的。

本項(xiàng)目Stable球系統(tǒng)電路可分為重心保持模塊，電機(jī)驅(qū)動模塊，主單片機(jī)電路板，制動模塊等。重心保持模塊用于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定和測控，目前設(shè)計(jì)方案是：主要框架由兩塊平行電路板完成，設(shè)想是通過在兩塊平行電路板之間的間隙填充大小合適，質(zhì)量適宜，潤滑度高的金屬球體，存放在底層電路板重心摳出的一個凹槽處，并在底層方形電路板的四端設(shè)置四個空心的導(dǎo)電貼片，倘若整體產(chǎn)生一定傾斜角度，金屬球體則會從凹槽中滾出，滾動到相對位置較低的貼片一端，由于金屬球可以導(dǎo)電，則可利用金屬球?qū)▽?yīng)電機(jī)驅(qū)動模塊，相當(dāng)于可移動開關(guān)，從而導(dǎo)通相對應(yīng)的電機(jī)電路，實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動，達(dá)到制衡的目的，同時，這種設(shè)計(jì)并不一定止步于雙層，若是運(yùn)送比較重的物品，加厚加層可以更好的保障物品和機(jī)器的安全。本設(shè)計(jì)Stable球系統(tǒng)電路板主要是使用單片機(jī)控制電機(jī)，從而使框架保持平衡這樣的一個系統(tǒng)，然后使運(yùn)輸物品達(dá)到平衡和安全的效果。

圖1 Stable系統(tǒng)硬件模型

本項(xiàng)目的電源輸入主要采用直流電源，由于電機(jī)驅(qū)動模塊的輸入電壓是12V，需采用5號電池組提供直流電源。使用杜邦線導(dǎo)通至中央控制模塊。本項(xiàng)目使用的傳感器是壓力傳感器。用于控制電路的通斷，當(dāng)金屬球觸碰到壓力傳感器時，壓力產(chǎn)生變化，電路電壓隨即產(chǎn)生變化，控制對應(yīng)電機(jī)工作，從而達(dá)成控制電路的目的。

主單片機(jī)電路板用于控制整體電路的供電和線路設(shè)計(jì)，采用STC89c51單片機(jī)，元件置放于頂層板，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的電路供應(yīng)的同時不影響底層平衡系統(tǒng)的運(yùn)行。STC89C51是一種低功耗、高性能CMOS，8位微控制器。具有4K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用ATMEL公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單片機(jī)上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash,使得STC89C51在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

采用STC89C51單片機(jī)作為中央控制模塊的核心部件，用作處理電路的開關(guān)通斷、外設(shè)連接等，并控制動力模塊中的電器驅(qū)動模塊，而且承載著電源模塊的供電，為整個系統(tǒng)提供電能。中央控制模塊的STC89C51單片機(jī)控制處理來自總線的各類信息，并可燒錄相關(guān)程序代碼控制零部件的工作，例如控制電機(jī)的頻率電壓，達(dá)到調(diào)速、運(yùn)行、停止、步進(jìn)、勻速等目的。各電路中的信息也可由單片機(jī)系統(tǒng)檢測診斷并控制，從而排除故障。

L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率為25W。該芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)。也可以驅(qū)動兩臺直流電機(jī)。

ULN2003A是一個7路反向器電路，即當(dāng)輸入端為高電平時ULN2003A輸出端為低電平，當(dāng)輸入端為低電平時ULN2003A輸出端為高電平。由于ULN2003A是集電極開路輸出，為了讓這個二極管起到續(xù)流作用，必須將COM引腳（pin9）接在負(fù)載的供電電源上，只有這樣才能夠形成續(xù)流回路。也可以作為一些器件，如步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路。

本模塊主采用電機(jī)驅(qū)動模塊，接通電源后可以控制電機(jī)的運(yùn)行：調(diào)速、運(yùn)行、停止、步進(jìn)、勻速等操作。一塊電機(jī)驅(qū)動模塊電路板可以驅(qū)動兩個電機(jī)運(yùn)動，本項(xiàng)目預(yù)計(jì)兩塊電機(jī)驅(qū)動模塊板，從而完成四個電機(jī)的驅(qū)動。制動模塊主要由電機(jī)和轉(zhuǎn)輪構(gòu)成，由于只能控制正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，則可控制整體一側(cè)的上升或下降，通過電路設(shè)計(jì)達(dá)到平衡。升降機(jī)原理是指提升設(shè)備控制兩缸的運(yùn)動方向，從而實(shí)現(xiàn)貨物提升的目的。本模塊主要指電機(jī)運(yùn)作，本項(xiàng)目預(yù)計(jì)采用四個升降電機(jī)，放在系統(tǒng)板的四端，通過系統(tǒng)電路，控制電機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的平穩(wěn)。

Stable球系統(tǒng)電路板主要是由驅(qū)動模塊，主單片機(jī)板和制動模塊共同運(yùn)作導(dǎo)通相對應(yīng)的電機(jī)電路，實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動，達(dá)到制衡的目的，電機(jī)驅(qū)動電路的作用指通過控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和運(yùn)轉(zhuǎn)速度，以此來實(shí)現(xiàn)對占空比的控制，來達(dá)到對電機(jī)減速控制的方式。主單片機(jī)電路板用于控制整體電路的供電和線路設(shè)計(jì)。

2 總結(jié)與展望

基于本論文對Stable球系統(tǒng)電路板研究說明，接下來我們還需要在以下幾個方面對其進(jìn)行研究和分析討論：本論文結(jié)合機(jī)電一體化設(shè)計(jì)、傳感技術(shù)、電子電路、機(jī)械傳動技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化、自動化、人性化、安全化。該系統(tǒng)未來升級由Arduino單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)智能化控制。Stable球系統(tǒng)電路板在軟件上如何實(shí)現(xiàn)，但并未有具象的物體設(shè)計(jì)出來并且運(yùn)用到生活中，所以接下來可能還需要設(shè)計(jì)一個運(yùn)用到Stable球系統(tǒng)電路板的物品，使其便利我們的生活。代碼在測試過程中還不夠完善，后續(xù)可能需要完善代碼，編寫更多的功能完善我們的Stable球系統(tǒng)電路板。