一种爬坡机器人设计与实现＊

许笃添，陈公兴，何志强，陈嘉扬，余冠群



一种爬坡机器人设计与实现＊

许笃添，陈公兴，何志强，陈嘉扬，余冠群

（广东技术师范学院天河学院电气与电子工程学院，广东 广州 510540）

机器人是机械科学与电子信息技术相结合的产物，是计算机科学、控制理论、信息科学和传感技术等多交叉学科综合性高科技产物，它是一种仿人操作、高速运行、重复操作和精度较高的自动化设备。机器人技术的出现和发展，不但使工业生产和科学研究发生变化，而且对人类的社会生活产生了深远的影响。

传感装置；自动化设备；爬坡机器人；坡度

在作品设计中，对不同板块传感装置的相关信号进行检测，通过手机APP，利用蓝牙模块通信，控制爬坡机器人完成既定任务，实现在不同坡度下的爬坡功能。以A53开发板为控制核心，爬坡机器人通过L298N芯片实现对电机运转的控制，能够自行对轨迹路线进行识别，当遇到障碍物时能调整方向实现避障绕行，沿着斜坡前进，直达目标地。

爬坡机器人作为移动机器人的一个应用分支，它涉及机械学、控制学、仿生学及信息处理技术等多个学科。随着机器人技术的发展和社会需求的日益扩大，爬坡机器人在实际执行任务的过程中，不可避免地会遇到路面比较复杂、坡道较多的地形，爬坡、越障能力成为衡量其性能的主要指标，逐渐成为国内外机器人研究领域的一个热点。

1 爬坡机器人方案设计与动力学建模

如图1所示，爬坡机器人以A53开发板为控制核心，经过相关传感装置等获得的数据信息将其传递给CPU，借助主控的操作，完成电机的运作，进而准确地躲避障碍物，保持持续前进，通过蓝牙控制，在设定的斜坡中行驶。

图1 系统总体框架

根据爬坡机器人的重力与斜坡角度计算出电机驱动车轮的转矩，从而保证机器人沿斜坡方向的平衡度。通过机器人车轮滚动摩阻和摩擦力矩的数值计算出相应的驱动转矩，使得机器人不会后滑，提高了机器人的爬坡能力。机器人车体的动力学分析、机器人车轮的动力学分析分别如图2和图3所示。

图2 机器人车体的动力学分析

图3 机器人车轮的动力学分析

基于图2和图3的分析，可列出爬坡机器人动力学平衡方程：

联合以上3个方程，可以得到：

机器人驱动轮所需要的驱动力矩为：

1=qd+r. （7）

式（7）中：q为滚动摩阻因数；为摩擦力；为驱动轮半径。

2 系统程序设计

在智能爬坡机器人的设计中，通过手机APP，借助蓝牙模块，手机发出指令，随后运用红外传感装置达到躲避障碍物的效果。将获得的信息传递到主处理器设备方面，进而使爬坡机器人在合理的轨道上前进后退，系统程序流程如图4所示。

图4 系统程序流程图

3 系统调试

在蓝牙无法配对时，手机APP和蓝牙指示灯闪烁，需要调整蓝牙的参数。

3.1 修改AT命令集

测试通讯方面，发送AT（返回OK，1 s左右发1次），返回OK。

3.2 修改蓝牙串口通讯波特率

发送AT+BAUD1，返回OK1200；发送AT+BAUD2，返回OK2400。

3.3 改蓝牙配对密码

发送AT+PINXXXX，返回OKsetpin。

参数xxxx：所要设置的配对密码，4个字节，此命令可用于从机或主机。从机是适配器或手机弹出要求输入配对密码窗口时，手工输入此参数就可以连接从机。主机则是在用主蓝牙模块时，机器人是从机，找到机器人的配对密码，再设置主蓝牙模块。爬坡机器人控制界面与实物如图5所示。

经过反复调试，爬坡机器人能通过蓝牙控制，顺利爬坡并避开障碍物，具备以下功能：①通过手机APP控制，可以直线行走和转弯、调速、爬坡等；②当探测到前方存在障碍物时，适当地改变方向，进行避障；③在0°～45°斜坡上，能够实现爬坡任务。

图5 爬坡机器人控制界面与实物

［1］王晶，翁显耀，梁业宗，等.自动寻迹爬坡机器人小车的传感器模块设计［J］.现代电子技术，2008，31（22）.

［2］孙颖.基于路径规划的智能爬坡机器人小车控制系统研究［D］.青岛：青岛大学，2007.

［3］密加永.基于智能汽车的控制算法的研究与应用［D］.济宁：曲阜师范大学，2008.

TP242

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.22.116

2095－6835（2018）22－0116－02

2016年国家级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：201612668005）

陈公兴。

〔编辑：张思楠〕