全地形工程越野机器人设计

姜明慧 刘文芝 郑培珍 梁业淇

摘  要：工程越野机器人属于机构及控制结合的机械创新实验设计项目，该装置的设计不仅要满足机构的动作要求，而且需要结合控制及编程技术，以最简单的机构实现能顺利通过不同场地障碍物的要求。文章在主要零部件不超出“探索者”模块化机器人组件设备要求的范围内，经原型设计、装配、调试、运作，设计并完成了无任何形式的远程控制干预，靠自主控制能顺利通过十种不同特点、不同难度的障碍物的机器人小车。

关键词：全地形;工程越野机器人;机构;控制

中图分类号：TP242.3       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）08-0041-03

Abstract： The engineering off-road robot belongs to the mechanical innovation experiment design project which combines the mechanism and the control. The design of the device should not only meet the action requirements of the mechanism， but also need to combine the control and programming technology， so as to achieve the requirements of smooth passage through obstacles in different sites with the simplest mechanism. In this paper， with the main parts not exceeding the requirements of the "seeker" modular robot component equipment， through prototype design， assembly， debugging， and operation， designs and completes remote control intervention without any form.This robot car that can successfully pass through ten obstacles with different characteristics and difficulties by autonomous control.

Keywords： all terrain; engineering off-road robot; mechanism; control

引言

隨着现代科技的发展，机器人及相关技术不断被完善，各类机器人层出不穷地被应用到了诸多领域。车辆机器人在各类运输和探寻工作中发挥着重要作用，它可以在特殊环境工况中开展人类几乎无法开展的工作，如：在沙漠、沼泽、丛林等恶劣环境下迅速掌握情报、快速做出应对策略;在地震、洪水、泥石流等特殊救援中快速输送救灾人员和物资，在废墟中行进并快速探寻被困人员;也可在极温环境中进行运输探查工作，如南、北极科考工作等。

本文针对“2017年中国工程机器人大赛暨国际公开赛”中“工程越野赛全地形项目”的要求，利用“探索者”模块化机器人组件设备设计全地形机器人。结合比赛进行全地形工程越野机器人机构创新实验设计的总体设计思路：（1）机器人小车设计与制造。（2）机器人小车过模拟全地形障碍实验。

1 基本原理

全地形工程越野机器人主要由车辆主体机构、传感器及控制系统组成;为了达到用最简单的机构实现复杂的功能的目的，车辆前、后轮转向机构采用平行双曲柄机构，可以使车辆在既定速度下运行的同时缓冲吸震;控制系统采用ARM7 LPC2138芯片主控板，无任何形式的远程控制干预，靠自主控制能顺利通过十种不同特点、不同难度的障碍物。

平行双曲柄机构是一种应用广泛的连杆机构，可独立应用，也可串联应用。前者如机车车轮连动装置，后者如剪义放大机构[1]。

全地形机器人运用探索者套件做出平行双曲柄机构使得相对杆始终保持平行，且两连杆的角位移、角速度和角加速度也始终相等，所增加的驱动轮即相当于所增加的平行杆，它既能帮助渡过运动不确定位置，又能增加最大启动牵引力。并且多个平行双曲柄机构叠加使用可起到放大位移的作用[2]。

2 机器人结构设计

（1）底盘结构设计。全地形机器人底盘主体由“探索者”模块化机器人组件组成，因该机器人小车需要过多种地形，必须要保证整体质量轻，而构件全部由铝镁合金材料制成，质量轻且强度高有效的保证了机器人具有良好的越野性能。机器人小车的前后各有一个与地面垂直的平行双曲柄机构。平行双曲柄机构所用的杆件之间均用螺钉、轴套和螺母固定。其两长杆之间共四个短杆，其中间两个短杆分别连接两条长杆用以连接两个平行四边形机构构成全地形机器人小车的底盘。

（2）驱动装置。驱动采用4个M06双轴直流电机的4个A17 1：10模型轮胎，实现全地形机器人小车的前进、后退、左转及右转。

3 电路控制部分设计

（2）主控板。主控板是整机的核心原件，采用ARM7 LPC2138芯片主控板，电脑上用TKstudio进行编程，Launch LPC210x_ISP.exe进行烧录， ARM7 LPC2138芯片主控板上有端口和串口，通过输入输出接口线连接主控板与电池、主控板与传感器、主控板与电机，实现全地形机器人小车的运行。

（3）传感器。传感器运用探索者套件的3个黑标。

4 全地形机器人小车过模拟全地形障碍效果验收

在主要零部件不超出“探索者”模块化机器人组件设备要求的范围内，经分析、原型设计、装配、调试、运作，主体转向装置采用两组正平行双曲柄机构叠加，同时用直流电机驱动， ARM7 LPC2138芯片控制，设计并完成了无任何形式的远程控制干预，靠自主控制能顺利通过十种不同特点、不同难度的障碍物的机器人小车，如图3所示。

该机器人小车经过测试，噪音小，速度快及运行平稳，自动寻线并能顺利通过栅格地形、減速带、小型阶梯、石块地形、U型隧道、凹形隧道、防滑带、柔软草地、大楼梯、窄桥等十个不同场地、不同形状和尺寸的障碍物。如下为机器人小车通过障碍物时的照片：

5 该全地形工程越野机器人的创新点

（1）简易的设计。该机器人小车的平行四边形机构底盘组装简易并适用于多种地形;动力系统采用4个直流电机供给，采用电机驱动模拟轮胎的行走方式极大地提高了减震性能和电能的供给;控制系统使ARM7 LPC2138芯片主控板，完成了无任何形式的远程控制干预，靠自主控制能顺利通过十种不同特点、不同难度的障碍物的机器人小车。机器人小车的零部件之间的连接都采用可拆卸的连接方式，方便替换维修，并且构件可以在拆卸后继续使用。

（2）可实现性高。机器人小车整体设计简易，现有的全地形工程越野机器人多为履带式和专门设计的轮胎，不易投入现实生产中;该机器人小车运用的零件是模拟现实中已有的零件，容易制造成品运用于现实社会。

（3）实现多学科的配合。该机器人小车涉及机械设计、三维软件建模、机械原理、自动化、传感器、电路控制、C语言编程、计算机模拟、材料分析等现代技术，是多学科综合运用的结果。

6 结论

本设计通过利用平行双曲柄机构实现可通过十余种特殊地形的越野车辆机器人。铝镁合金质量轻，制作简单;直流电机驱动模拟轮胎，动作灵活;ARM7 LPC2138芯片主控板，可实现自主探路自主控制;经过现实实验，可成功通过模拟障碍。经实际应用和改进，该机器人优化空间更大，对全地形工程越野机器人的更替进步具有重要的意义。

工程越野机器人创新实验设计，涉及到机构、机械、动力学、控制及编程等多项内容。通过机器人的创新实验设计，还可以综合应用先修课程的知识如：理论力学、材料力学、计算机等，不仅提高课堂教学的有效性，同时保证教学的外延性，即把理论学习过程进一步演化成“做”的过程，“做中学”、“学中用”，从而较为全面地提高我们分析问题、解决问题的意识及能力;通过对组成机器人的机构原型创新实验，把设计、装配、调试、运作相结合，进一步培养我们的思维创新、团队协作及综合应用能力。

参考文献：

[1]苗志怀，姚燕安，田耀斌.4U平行四边形机构的一类新用途——整体设计为两足步行机构[J].机器人，2011，07.

[2]百度百科.平行四边形机构[Z].