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1.引言 1998年日本東京大學(xué)井上研究所提出的“遠程腦”[1-2]概念，是移動(dòng)機器人控制體系結構的進(jìn)步。近年來(lái)，移動(dòng)機器人的應用領(lǐng)域和應用范圍正逐漸拓寬，全方位移動(dòng)機器人由于具有平面運動(dòng)的全部三個(gè)自由度，理論上可以在任何角度以任何速度在機器人所處平面上運動(dòng)，因此具有廣闊的應用前景和良好的社會(huì )效益。本文在遠程腦的基礎上，提出了遠程小腦的概念，將遠程腦概念分為遠程大腦和遠程小腦兩部分。遠程大腦同樣安裝在機器人體外，遠程小腦則安裝在機器人體內，兩者之間以及機器人之間采用Zigbee模塊構建通訊網(wǎng)絡(luò )。這樣，遠程大腦控制遠程小腦，向遠程小腦下達各項指令和命令，再由遠程小腦控制機器人體內的各個(gè)功能模塊，指揮機器人完成各項任務(wù)，并且機器人之間可以通過(guò)Zigbee組網(wǎng)，實(shí)現信息交換和資源共享。 2.全方位移動(dòng)機器人本體設計 基于遠程腦的類(lèi)人機器人本體采用模塊化設計，其結構框圖如圖1所示，包括智能模塊（小腦）、無(wú)線(xiàn)通訊模塊、機械手控制及驅動(dòng)模塊、車(chē)體運動(dòng)控制及驅動(dòng)模塊、傳感器信號采集及處理模塊、語(yǔ)音模塊等。 圖1機器人本體結構框圖 2.1無(wú)線(xiàn)通訊模塊 由于機器人大小腦分離，且機器人有一定的活動(dòng)范圍，因此，本設計采用無(wú)線(xiàn)通信模塊進(jìn)行遠程大腦和機器人小腦之間的信息傳輸，省掉了通信線(xiàn)纜，便于機器人移動(dòng)。遠程大腦處理操作者的命令，并將處理后的控制指令進(jìn)行編碼后，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊發(fā)送到小腦，小腦接收命令后，經(jīng)過(guò)分析、判斷，將分解的指令傳送至各運動(dòng)模塊的控制器，同時(shí)小腦將采集的各種信息編碼后通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊模塊傳送至大腦�？紤]到遠程大腦和小腦之間命令傳輸的準確性、快速性以及通訊距離的遠近等要求，本設計選用了Chipcon公司的基于ZigBee協(xié)議的CC2420EM射頻模塊。ZigBee是一種新型的短距離無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)，與藍牙相比，它具有低成本、低功耗、組網(wǎng)方便、可實(shí)現自路由功能和數據的可靠傳輸等優(yōu)點(diǎn)。CC2420是Chipcon公司推出的首款基于ZigBee技術(shù)的射頻收發(fā)器。它只需極少數外部元器件，性能穩定且功耗極低，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開(kāi)發(fā)的無(wú)線(xiàn)通信設備支持數據傳輸率高達250kbps，可以實(shí)現多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。CC2420EM模塊集成了CC2420及其所需的外圍電路。機器人小腦與射頻模塊的具體接口電路如圖2所示。單片機通過(guò)4線(xiàn)SPI總線(xiàn)（STE1、SIMO1、SOMI1、UCLK1）控制和設置芯片的工作模式，并實(shí)現讀/寫(xiě)緩存數據，讀/寫(xiě)狀態(tài)寄存器等。通過(guò)控制FIFO和FIFOP引腳接口的狀態(tài)可設置發(fā)射/接收緩存器，FIFOP引腳必須連接到單片機的中斷引腳。通過(guò)CCA引腳狀態(tài)可以得到空閑信道估計。通過(guò)SFD引腳狀態(tài)可以得到發(fā)射幀和接收幀的定時(shí)信息從而判斷系統的工作狀態(tài)，SFD引腳應該接到單片機的時(shí)鐘捕捉引腳。 圖2單片機與CC2420的接口電路 2.2車(chē)體運動(dòng)控制及驅動(dòng)模塊 本文所研究的行走載體，由麥卡納姆輪系（Mecanumwheels）構成。麥卡納姆輪系是移動(dòng)機器人中常用的全方位移動(dòng)機構，它可沿任意平面方向靈活運動(dòng)，尤其具有左右橫移和原地僅以自身半徑轉動(dòng)的獨一無(wú)二的功能[6-7]。 車(chē)體采用四輪移動(dòng)機構，四個(gè)麥卡納姆車(chē)輪分別由四個(gè)直流電機獨立驅動(dòng)，通過(guò)對這四個(gè)電機轉速的控制，就可以實(shí)現其橫向、縱向、繞自身中心旋轉以及斜向等移動(dòng)。每個(gè)麥卡納姆車(chē)輪由兩部分組成：主動(dòng)的輪轂和輪轂外緣按一定傾斜方向均勻分布的多個(gè)被動(dòng)滾輪組成。 圖3麥卡納姆車(chē)輪結構與速度示意圖 該機器人運動(dòng)控制的核心為一塊Atmega128。每個(gè)麥卡納姆車(chē)輪由一臺直流電機配合減速器獨立驅動(dòng)，每個(gè)電機由4個(gè)功率器件VMOS（IRLZ44N）組成橋式電路，為了獲得較好的動(dòng)態(tài)性能和低速的平穩性，故采用H型PWM調速方式，同時(shí)實(shí)現了正、反轉運行以及制動(dòng)。 2.3機械手控制及驅動(dòng)模塊 機械手部分采用專(zhuān)門(mén)的兩塊模塊分別控制兩個(gè)機械手。驅動(dòng)模塊控制機械手的動(dòng)作，位姿檢測裝置實(shí)時(shí)檢測動(dòng)作關(guān)節的位置與姿態(tài)，反饋給小腦，小腦判斷是否完成用戶(hù)指令。當沒(méi)有完成用戶(hù)指令時(shí)，繼續執行用戶(hù)指令；當已經(jīng)完成用戶(hù)指令時(shí)，機器人小腦通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊通知遠程腦已經(jīng)完成用戶(hù)指令。 2.4傳感器信號采集及處理模塊 對于機器人而言，傳感器就像它的眼、耳、鼻，能夠幫助機器人正確分辨它所處的環(huán)境，為機器人順利完成自己的工作提供幫助。傳感器的數量和種類(lèi)很多，本文根據設計需要，采用了探底光電傳感器、探邊光電傳感器和超聲波測距傳感器。機器人上所有傳感器由一單獨的單片機進(jìn)行控制采集，并通過(guò)小腦實(shí)時(shí)向上位機發(fā)送信息。當上位機發(fā)出指令使機器人向某個(gè)方向運動(dòng)時(shí)，會(huì )同時(shí)發(fā)給傳感器模塊對應信息，則傳感器模塊會(huì )查詢(xún)對應方向的傳感器信號，并及時(shí)將其反饋給上位機進(jìn)行處理，當出現緊急情況，如將要撞到墻壁或物體，則傳感器模塊會(huì )首先發(fā)給車(chē)體控制模塊一個(gè)中斷信號，使其停車(chē)，然后再反饋上位機進(jìn)行處理，并繼續查詢(xún)。各傳感器有效距離如表1所示。 表1所用傳感器的有效距離 2.5語(yǔ)音模塊 從人性化設計方面考慮，本設計增加了語(yǔ)音模塊，這樣在遇到人員阻擋或者是遇到障礙的時(shí)候，機器人可以根據上位機指令要求或外部輸入信號發(fā)出的要求，通過(guò)語(yǔ)言模塊發(fā)出警報，通知操作者或提示障礙源，從而避免發(fā)生事故。機器人語(yǔ)音模塊結構如圖4所示。 圖4語(yǔ)音模塊結構框圖圖5全方位移動(dòng)機器人實(shí)物圖 3.實(shí)驗研究及分析 全方位移動(dòng)機器人的樣機如圖5所示。經(jīng)行駛試驗，全方位移動(dòng)機器人可以實(shí)現前、后、左、右、左前、右前、左后、右后、逆時(shí)針、順時(shí)針的平穩運動(dòng)。直線(xiàn)行駛具有良好的線(xiàn)性度，原地旋轉任意角度后，位置誤差較小。由于該機器人采用的電機為帶減速箱的減速電機，故其在小角度斜平面上可以自鎖停滯，也可以慢速移動(dòng)。機器人運動(dòng)靈活平穩，且運動(dòng)不受限于所處工作空間，可使其應用范圍更為廣泛。但由于未考慮的總體重量以及外形尺寸，機器人的體積與重量還有變化的空間。 4.總結 本文在“遠程腦”的基礎上，提出了“遠程小腦”的概念，二者之間采用Zigbee技術(shù)進(jìn)行通信，并采用Mecanum式全向移動(dòng)輪及模塊化設計方法，實(shí)現了全方位移動(dòng)機器人的本體設計，最大限度地提高了機器人的自主性。由于該機器人具有無(wú)線(xiàn)通訊、全方位移動(dòng)、自動(dòng)避障和機器手夾取等功能，因此可以用于很多路面相對平坦的工作場(chǎng)合，而且以此機器人為平臺，可以開(kāi)發(fā)出更先進(jìn)更完善的機器人。 |
