Stable球系统研究设计

蔡志凯，张福鼎

(江苏第二师范学院物理与电子工程学院，江苏南京，211222)

0 引言

目前市场已出现智能运输机器人、送餐机器人、医院送物送药机器人等。这些机器人的诞生说明人工智能在未来市场会占据很大一部分的优势，以及说明智能运输、售卖系统并不是天方夜谭，实用且可实施。但这些机器都有一个共同的缺点：人形态或者支架形态都容易发生损坏、碰撞、翻到等意外情况的发生。针对这一情况，球形态就可大大避免发生此类问题。

现如今虽然这些机器人能完成基本的配送，但是无法保证配送东西的完好，所以本次项目想通过保持重心的稳定来使得物体在运输过程中受到碰撞和倾斜后仍保持物体不倾斜。目前已出现无人驾驶勘探机器人、以及针对疫情防控发明的防疫、消毒、消杀机器人以及红外测温机器人等，同样的也会出现此类问题。近些年出现的深水以及地底勘探机器人，容易受到强大的压强作用，球形态可以最大程度分散表皮所受到的压力。市场上的智能外卖保温箱，虽说保温，却容易出现泄露，碰撞，翻倒，从而影响菜品的质量，而stable球系统可以解决此类问题。

近年来，机械运动对稳定性方面的追求越来越重视，国际上有关运输类机器人技术的探究应用，都迅速成为国内外学者的研究热点。稳定性领域的主要研究课题是如何运用电机驱动器、稳定器等外接设备在外界干扰的状态下始终保持稳定（平稳）。经过初步调研,该方面市场运用场景非常广泛，尤其在新崛起的智能运输机器人方面，创新运用种类繁多，无不体现科学魅力。

目前国外市场已经出现智能运输机器人，送餐送货机器人等[2-3]。如Starship Technologies里的自动驾驶机器人，Starship具有完整的避障功能，可以完全自动执行任务。而此前在亚马逊进行测试取得配送机器人Scout，它由电池进行驱动，行驶速度与人类步行速度接近，因此在配送过程中不容易出现物品的侧翻及泄漏；丹麦的MIR公司生产的MIR机器人，是仓储机器人[4]，可以360度全方位识别障碍物，实现稳定；国外的AXTER公司生产的叉车式AGV，该机器配有能360度障碍物检测的激光安全扫描仪，当遇到障碍物接近时，能自动减速停车，达到平稳行驶的目的，使得配送的物品保持稳定而不会倾倒。

目前国内的研究程度来看，随着群众生活水平的提高，对于物质的需求更加的大，从以前的只能手工完成一些笨重且危险的活，到现在的有了相应的机器人去完成。从之前的仅能完成一些基本动作的机器人到现在智能系统的出现，机器人也变得智能化了，尤其是送餐送货机器人的研发。国内无人物流配送以京东的研究投入最为突出[5-6]，2016年9月，其自主研发的国内受辆无人配送车开始实施路测，2017年6月，京东无人车在中国人民大学顺利完成首单配送任务。近几年来，菜鸟、美团和苏宁等有着强大物流体系背景的公司也同样致力于无人配送技术的研究，其中最主要致力解决的问题就是物流运输过程中保持运输物品的完整。北京的极智嘉公司生产的极智机器人，属于仓储机器人具有举升搬运、导航避障、智能调度等功能，这些功能在很大的程度上能够保证物品的完整，不会导致损坏；我国的美团公司生产的无人配送车，使用超声波、激光雷达等传感器融合方案，可在室外低速安全平稳地运输食物。虽然在低速运动下能够保证配送物品保持相对稳定，但是遇到突然刹车或者被其他物品碰撞就会导致食物侧翻从而导致配送失败。

1 Stable球系统设计

STC89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有4K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程Flash,使得STC89C51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。而本项目stable球系统电路主要靠STC89C51中央控制器完成对整个电路的控制，供电系统通过STC89C51中央控制器控制电机驱动模块从而完成对升降电机的驱动。压敏传感器属于传感器的一种，通常用于感受压力信号，它不但能够感受压力信号而且还能够有规律的将压力信号转换成可以使用的电信号。压敏传感器通常由压力敏感元件和信号处理单元组成，在工业实践中最为常用，其广泛运用于各种工业自控环境，涉及铁路交通、智能建筑、生产自控、电力等众多行业，而压敏传感器在本电路中主要用于控制电路电压，在检测到压力时，电路电压减小，从而影响电路的通断。

电机驱动电路既可以通过继电器或功率晶体管驱动，也可利用可控硅或功率型MOS场效应管驱动。而电机驱动器可以通过控制电机的旋转角度和运转速度，以此来实现对占空比的控制，来达到对电机怠速控制的方式。而在本电路中，主要运用了L298N电机驱动芯片，L298N，是一款接受高电压的电机驱动器，直流电机和步进电机都可以驱动。一片驱动芯片可同时控制两个直流减速电路做不同动作，在以12V左右为范围的一个基础内，提供2安培的电流，并且具有过热自断和反馈检测功能。L298N可对电机进行直接控制，通过主控芯片的I/0输入对其控制电平进行设定，就可以为电机进行正转和反转驱动，稳定性好、操作简单，可以满足直流电机的大电流驱动条件。

ULN2003A是一个7路反向器电路，即当输入端为高电平时ULN2003A输出端为低电平，当输入端为低电平时ULN2003A输出端为高电平。由于ULN2003A是集电极开路输出，为了让这个二极管起到续流作用，必须将COM引脚（pin9）接在负载的供电电源上，只有这样才能够形成续流回路。也可以作为一些器件，如步进电机的驱动电路。

Stable球系统的主要框架由两个同心球面完成，设想是通过在两个同心球面之间的间隙填充大小合适，质量适宜，润滑度高的滚珠（类似于轴承的制作原理），使得该系统外表皮和内核相互隔开却又紧密联系。滚珠也是隔离带的一种，同时，这种设计并不一定止步于双层，若是运送比较重的物品，加厚加层可以更好的保障物品和机器的安全，并且通过铺加多层的滚珠，使内核更加不易受到外界环境的影响，从而达到外界晃动，但内核依旧保持原状态相对静止的目的。

本项目Stable球系统电路可分为重心保持模块，电机驱动模块，主单片机电路板，制动模块等。重心保持模块用于实现稳定和测控，目前设计方案是：主要框架由两块平行电路板完成，设想是通过在两块平行电路板之间的间隙填充大小合适，质量适宜，润滑度高的金属球体，存放在底层电路板重心抠出的一个凹槽处，并在底层方形电路板的四端设置四个空心的导电贴片，倘若整体产生一定倾斜角度，金属球体则会从凹槽中滚出，滚动到相对位置较低的贴片一端，由于金属球可以导电，则可利用金属球导通对应电机驱动模块，相当于可移动开关，从而导通相对应的电机电路，实现电机驱动，达到制衡的目的，同时，这种设计并不一定止步于双层，若是运送比较重的物品，加厚加层可以更好的保障物品和机器的安全。本设计Stable球系统电路板主要是使用单片机控制电机，从而使框架保持平衡这样的一个系统，然后使运输物品达到平衡和安全的效果。

图1 Stable系统硬件模型

本项目的电源输入主要采用直流电源，由于电机驱动模块的输入电压是12V，需采用5号电池组提供直流电源。使用杜邦线导通至中央控制模块。本项目使用的传感器是压力传感器。用于控制电路的通断，当金属球触碰到压力传感器时，压力产生变化，电路电压随即产生变化，控制对应电机工作，从而达成控制电路的目的。

主单片机电路板用于控制整体电路的供电和线路设计，采用STC89c51单片机，元件置放于顶层板，实现基础的电路供应的同时不影响底层平衡系统的运行。STC89C51是一种低功耗、高性能CMOS，8位微控制器。具有4K在系统可编程Flash存储器。使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单片机上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得STC89C51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

采用STC89C51单片机作为中央控制模块的核心部件，用作处理电路的开关通断、外设连接等，并控制动力模块中的电器驱动模块，而且承载着电源模块的供电，为整个系统提供电能。中央控制模块的STC89C51单片机控制处理来自总线的各类信息，并可烧录相关程序代码控制零部件的工作，例如控制电机的频率电压，达到调速、运行、停止、步进、匀速等目的。各电路中的信息也可由单片机系统检测诊断并控制，从而排除故障。

L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率为25W。该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机。也可以驱动两台直流电机。

ULN2003A是一个7路反向器电路，即当输入端为高电平时ULN2003A输出端为低电平，当输入端为低电平时ULN2003A输出端为高电平。由于ULN2003A是集电极开路输出，为了让这个二极管起到续流作用，必须将COM引脚（pin9）接在负载的供电电源上，只有这样才能够形成续流回路。也可以作为一些器件，如步进电机的驱动电路。

本模块主采用电机驱动模块，接通电源后可以控制电机的运行：调速、运行、停止、步进、匀速等操作。一块电机驱动模块电路板可以驱动两个电机运动，本项目预计两块电机驱动模块板，从而完成四个电机的驱动。制动模块主要由电机和转轮构成，由于只能控制正转和反转，则可控制整体一侧的上升或下降，通过电路设计达到平衡。升降机原理是指提升设备控制两缸的运动方向，从而实现货物提升的目的。本模块主要指电机运作，本项目预计采用四个升降电机，放在系统板的四端，通过系统电路，控制电机调节系统的平稳。

Stable球系统电路板主要是由驱动模块，主单片机板和制动模块共同运作导通相对应的电机电路，实现电机驱动，达到制衡的目的，电机驱动电路的作用指通过控制电机的旋转角度和运转速度，以此来实现对占空比的控制，来达到对电机减速控制的方式。主单片机电路板用于控制整体电路的供电和线路设计。

2 总结与展望

基于本论文对Stable球系统电路板研究说明，接下来我们还需要在以下几个方面对其进行研究和分析讨论：本论文结合机电一体化设计、传感技术、电子电路、机械传动技术，实现智能化、自动化、人性化、安全化。该系统未来升级由Arduino单片机为核心实现智能化控制。Stable球系统电路板在软件上如何实现，但并未有具象的物体设计出来并且运用到生活中，所以接下来可能还需要设计一个运用到Stable球系统电路板的物品，使其便利我们的生活。代码在测试过程中还不够完善，后续可能需要完善代码，编写更多的功能完善我们的Stable球系统电路板。