Arduino草方格铺设机器人创新设计的研究＊

琚灵钊，蒯苏苏，费铖邦，沈志豪，谢静，吴佰慧



Arduino草方格铺设机器人创新设计的研究＊

琚灵钊1，蒯苏苏1，费铖邦1，沈志豪1，谢静2，吴佰慧3

（1.江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013；2.镇江市第一人民医院，江苏 镇江 212013； 3.江苏大学 理学院，江苏 镇江 212013）

研制了一种Arduino草方格铺设机器人，创建了UG栽插麦草曲柄增力机构虚拟样机，仿真分析曲柄增力机构中关键部件滑块的位移、速度、加速度曲线，验证了曲柄增力机构能够完成在沙丘坡面插入沙层内约20～25 cm的草方格。创新设计了“计算机、 MegaPi Pro控制器、RJ25扩展板、Me_电机驱动模块、Me_传感器模块和2.4 G无线手柄”的控制体系结构，在集成机器人硬件的基础上，软件程序设计包括Arduino—MegaPi Pro主程序、驱动程序、避障程序、送料程序、栽插程序、沙埋程序、手柄遥控程序，实现高层次分级控制，实现机器人行走、避障、送料、栽插、沙埋、计数等功能。

草方格；曲柄增力机构；全向轮；MegaPi Pro程序

1 引言

针对草方格铺设机器人的工作环境和运动要求，本文提出，先在沙丘上划好机器人用的全向轮行走路径方格网线，再将修剪均匀整齐的麦草或稻草等材料由送料机构横放在方格线上，用曲柄增力机构工具置于铺草料中间，用力插下去，插入沙层内约20～25 cm，使草的两端翘起，直立在沙面上，露出地面的高度约10～15 cm。再用气动铲斗拥沙埋掩草方格沙障的根基部，使之牢固。根据试验，草方格沙障的规模以1 m×1 m的正方形效果最好。

2 Arduino机器人行走轨迹规划

Arduino草方格铺设机器人主要由行走系统、送料系统、栽插系统、沙埋机械系统、控制系统组成。Arduino草方格铺设机器人底部结构由铝合金组件组合而成，安装全向轮后，通过4个大功率编码直流电机驱动4个全向轮转动，使用Arduino IDE控制电机驱动模块驱动大功率编码直流电机转动，机器小车按照指令运行，安装在对角线的①、③号全向轮，朝同一个方向运动，②、④号全向轮不动，小车沿方向行走，或①、③号全向轮不动，②、④号全向轮朝另外一个方向运动，小车沿方向行走。

对于机器人在沙漠中自移动功能，采用循迹行驶算法：根据位置状态对控制量进行调整，采用PIT定时中断，对AD进行一个连续序列的转换，以保证机器小车沿正方形方格网线行驶。小车在自控阶段走直线时由于两个轮子在行进过程中，分别遇到的阻力不一样，两轮的转速会发生偏差，解决的方法是通过编码电机进行速度与方位的精确控制，通过Arduino软件编程调控大功率编码直流电机M1、M2、M3、M4的PID参数，采用不同轮子不同速度的方式来解决不同轮子摩擦力不同的问题，使它能在不同环境下达到最佳工作状态。当小车避障时，用超声波传感器检测到机器人接近了相关障碍物体10 cm时，自动调整方向，避障或绕障行走。使小车执行前进、后退，左转、右转、停止和速度切换动作，实现机器人自移动、横走、竖直走、零半径转弯的功能。

图1 Arduino草方格铺设机器人

3 曲柄增力机构UG建模

3.1 增力比

由图1可知，送料系统、栽插系统、沙埋机械系统中，麦草被送料机构铺在沙子表面，设计了一种能在规定时间内将草料用力插下去的曲柄增力机构，如图2所示，曲柄增力机构由曲柄摇杆机构（1，2，3，6） 和摇杆滑块机构（3，4，5，6）组合而成。

1—曲柄；2，4—连杆；3—摇杆；5—滑块；6—机架。

3.2 UG仿真分析

对曲柄增力机构的UG建模采用自底向上的装配方式，即预先设计好部件几何模型，再将模型添加到装配中，通过定义固定铰链，创建连杆，添加运动副、施加力和驱动，创建解算方案，查看NX8.5运动仿真曲线和动画，对曲柄增力机构运动参数ANALYSIS_位移、速度、加速度曲线进行分析。利用拉伸的命令绘制4个杆件，长度分别为=40 cm、=120 cm、=50 cm、=100 cm，机架位置=30 cm、=120 cm，滑块导轨=150 cm，建立滑块，厚度设为3 cm，完成拉伸的创建。新建一个asm文件，将上述的4个杆件通过接触对齐自动判断中心轴，和首选接触装配在一起，并将滑块导轨为固定机架，Ctrl+B隐藏约束的线条。点击应用模块中的运动。在运动导航器右击asm文件，新建仿真文件，定义连杆，其中即长度为150 cm为固定，=120 cm为固定，其他的连杆不勾选固定。定义运动副、移动副和旋转副。最后就是环境方案和求解了，设置步数1 000和时间60 s，完成后点击求解，点击动画，点击播放，UG仿真曲柄增力机构运动过程如图3所示。施加约束后的曲柄增力机构关键部件滑块的位移、速度和加速度曲线如图4所示。

图3 施加约束后的曲柄增力机构虚拟样机

图4 曲柄增力机构滑块的位移、速度、加速度曲线

从图4（a）看到滑块的工作行程达31 cm，控制曲柄初始位置使麦草能够在沙丘坡面插入沙层内约20～25 cm；从图4（b）可以看出，滑块在工作行程内最大速度可以达到22 cm/s；图4（c）表示滑块在工作行程内加速度值逐渐增大，最大加速度达到29 cm/s2，轨迹范围有足够的栽插深度，机构尺寸符合工程固沙要求。

4 Arduino草方格铺设机器人控制系统

4.1 MegaPi Pro控制器硬件电路

MegaPi Pro是一个基于ATmega2560微主控板，完全兼容Arduino编程的控制器硬件电路。通过对驱动接口的封装，Me_传感器等电子模块可以方便地驱动编码电机、直流电机、步进电机、气泵电机。由任务要求及机器人工作的软硬体设计了计算机、Arduino的开源电子平台，图5表示了草方格铺设机器人的控制系统硬件结构。

自控阶段：机器人通过 MegaPi Pro控制器、四个大功率直流编码电机以及超声波传感器，让机器人四个全向轮小车实现自主行走。在机械系统中，设计了直流编码电机1驱动曲柄增力机构，直流编码电机2，3驱动送料机构，气泵电机1，2驱动气动铲斗机构，完成铺草、栽插和沙埋过程。直接利用控制器进行计数统计，由Me_数码管显示。

手柄遥控阶段：自定义手柄按键功能，拨码开关与板子上电机驱动模块地址相互对应，乘以1.5电机灵敏系数，动力从手柄上对应按键按下时采集得到，将手柄与2.4 G模块配对成功，手柄遥控机器小车。

图5 Arduino草方格铺设机器人的硬件电路

4.2 程序设计

机器人控制系统软件设计在搭接机器人硬件的基础上，按照功能要求，程序设计包括Arduino—MegaPi Pro主程序、驱动程序、避障程序、送料程序、曲柄增力机构栽插程序、气动铲斗沙埋程序以及手柄遥控程序，实现高层次分级控制。 机器人部分程序如下。

MegaPi Pro超声波避障程序如图6所示，机器小车行走主程序如图7所示。

图6 超声波避障程序

图7 机器人自移动行走程序

5 结束语

研制了一种Arduino草方格铺设机器人，对曲柄增力机构进行了运动学仿真，用UG绘制出曲柄增力机构滑块部位的位移、速度、加速度参数曲线，避免了繁冗的动力学、运动学计算，从而直接获得各个零部件的准确位置，为物理样机的设计和制造提供参数依据。

创新设计了“计算机、 MegaPi Pro控制器、RJ25扩展板、Me_电机驱动模块、Me_传感器模块和2.4 G无线手柄”的控制体系结构，在集成机器人硬件的基础上，按照功能要求，实现高层次分级控制，以实现机器人行走、避障、送料、栽插、沙埋、计数等功能。对更新产品开发过程、缩短开发周期，降低成本、提高产品质量具有重要的理论和实践意义。

［1］蒯苏苏，沈志豪，王震，等.基于Arduino葡萄套袋智能机器人的设计［J］.精密制造与自动化，2018（2）.

［2］邹慧君.机械运动方案设计手册［M］.上海：上海交通大学出版社，1994.

［3］孙术发，刘晋浩，叶郁.防风固沙草方格铺设机器人横向割断机构的动力学分析［J］.中国沙漠，2011，31（5）.

［4］罗善明.曲柄增力机构的模拟设计［J］.机械科学与技术，2002，21（3）.

［5］蒯苏苏.基于Matlab7.0 / SimMechanics的曲柄摇杆机构建模与仿真［C］//第五届中国系统建模与仿真技术高层论坛论文集，北京：总装备部仿真技术专业组，2010.

2095－6835（2018）20－0045－03

TP242

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.20.045

江苏大学工业中心2017大学生创新实践基金项目立项（编号：ZXJG201726）资助

琚灵钊（1997—），男，浙江衢州人，主要从事机械设计、软件技术研究。

蒯苏苏（1958—），女，江苏吴江人，江苏大学高级实验师，从事机械原理及设计实验教学，机械创新设计、智能机器人研究。

〔编辑：严丽琴〕