李紅巖，侯媛彬(西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，陜西西安710054)

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基于LPC2132的蛇形機(jī)器人前端執(zhí)行機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

李紅巖，侯媛彬
(西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，陜西西安710054)

摘要:為了使蛇形機(jī)器人在不同地形環(huán)境下能更好地完成搜救任務(wù)，文中根據(jù)蛇形機(jī)器人的特點(diǎn)，從總體上設(shè)計(jì)了一種新型的前端執(zhí)行機(jī)構(gòu)。針對(duì)傳統(tǒng)的蛇形機(jī)器人頭部只有搜尋傳感器無(wú)執(zhí)行器的缺點(diǎn)，提出采用4自由度的正交機(jī)械臂作為前端執(zhí)行器的方法，并以ARM7－LPC2132為控制器、L298N為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、液晶屏12864為人機(jī)交互界面搭建了系統(tǒng)的硬件平臺(tái)。通過(guò)無(wú)線路由器WR703n可將天敏S608攝像頭數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)進(jìn)行視頻監(jiān)控、上位機(jī)可通過(guò)NRF24L01無(wú)線數(shù)傳模塊對(duì)下位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制、溫度測(cè)量、煙霧報(bào)警、機(jī)械臂除障等功能，從而可以進(jìn)行復(fù)雜地形及位置領(lǐng)域的探測(cè)。系統(tǒng)程序軟件采用C語(yǔ)言及C#編寫(xiě)。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)調(diào)試，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的夾取和搬運(yùn)等預(yù)定功能。無(wú)線遙控距離可以達(dá)到100 m，而且通信效果穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞:蛇形機(jī)器人;執(zhí)行機(jī)構(gòu); LPC2132;舵機(jī); RF

0　引言

近年來(lái)，世界各地地震災(zāi)害頻發(fā)，它常常伴隨著地面的劇烈振動(dòng)及地面裂縫。使得各類(lèi)建筑物倒塌和損害，使得通信系統(tǒng)中斷。有毒有害氣體的泄漏，火災(zāi)的發(fā)生，瘟疫的發(fā)生，放射性物質(zhì)的泄漏等等諸多二次災(zāi)害造成了災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)各種的復(fù)雜地形。在人類(lèi)歷史上，每次災(zāi)害都給帶來(lái)了巨大的損失，所以災(zāi)后的救援工作就顯得尤為重要，在位置狹小且二次災(zāi)害多發(fā)的搜救地點(diǎn)，就需要一個(gè)靈活的搜救設(shè)備，去采集現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，使知道現(xiàn)場(chǎng)的情況。蛇形機(jī)器人是近年來(lái)興起的仿生機(jī)器人分支之一。與傳統(tǒng)利用輪、腿或履帶移動(dòng)的機(jī)器人不同，蛇形機(jī)器人可以模仿蛇的動(dòng)作，通過(guò)身體的扭動(dòng)和伸縮實(shí)現(xiàn)無(wú)肢運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)方式具有穩(wěn)定性好、橫截面積小、柔性高等特點(diǎn)［1－2］。蛇形機(jī)器人在許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景:如在有輻射、有粉塵、有毒等戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，執(zhí)行偵察任務(wù);在地震、塌方及火災(zāi)后的廢墟中找尋傷員;在空間狹小和環(huán)境危險(xiǎn)條件下探測(cè)和疏通管道等［3］。隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，科技的飛躍帶動(dòng)了智能化的發(fā)展，蛇形機(jī)器人技術(shù)己經(jīng)受到越來(lái)越多的關(guān)注，蛇形機(jī)器人系統(tǒng)的研究己成為科學(xué)領(lǐng)域一個(gè)充滿活力、具有挑戰(zhàn)性的前沿發(fā)展方向。

蛇的爬行大致可分為4種方式［3－5］

1)蜿蜒運(yùn)動(dòng)。蛇體擺動(dòng)近似于正弦波的規(guī)律，借助蛇的肌體接觸凸凹不平的地面所產(chǎn)生的反作用力前進(jìn);

2)伸縮運(yùn)動(dòng)。身體先收縮成樹(shù)立的S形，然后后部貼緊地面，前部向前伸出，接著前部再貼緊地面，后部收縮向前，如此循環(huán)完成向前移動(dòng);

3)側(cè)向運(yùn)動(dòng)。借助腹部和地面的摩擦力移動(dòng)，蛇體從頭部開(kāi)始，身體部分順次接地、抬起，借助腹部與地面之間的摩擦力完成側(cè)向運(yùn)動(dòng);

4)直線運(yùn)動(dòng)。蛇體靠腹部和地面的摩擦力移動(dòng)，當(dāng)腹部與地面固定時(shí)提供牽引力，連接肋骨和彈性皮膚的肌肉提供推動(dòng)力，皮膚相對(duì)骨骼移動(dòng)，反復(fù)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

蛇形搜救機(jī)器人正是利用了蛇的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，可以適應(yīng)各種復(fù)雜的地形，尤其是地震、礦井的災(zāi)害后的環(huán)境，它們具有障礙物多、地形狹窄、空間環(huán)境危險(xiǎn)、容易產(chǎn)生易燃?xì)怏w等危險(xiǎn)因素，蛇形機(jī)器人可以靈活的應(yīng)對(duì)這些環(huán)境，完成搜救任務(wù)，為搜救工作節(jié)約了寶貴的時(shí)間［6］。

1　蛇形機(jī)器人前端執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

蛇形機(jī)器人前端執(zhí)行機(jī)構(gòu)是以WR703n和LPC2132為核心。硬件電路由電源模塊、無(wú)線路由模塊、攝像頭模塊、機(jī)械臂模塊、煙霧報(bào)警模塊、液晶顯示模塊和上位機(jī)模塊組成。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　蛇形機(jī)器人前端執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)框圖Fig．1 Snake robot actuator front-end system diagram

電源模塊采用了ACE聚合物鋰電池組。它的額定輸出電壓為11. 1 V，額定容量為2 200 mA時(shí)，30C持續(xù)放電，采用平衡充電方式，充電電流為0. 5到1 A．經(jīng)過(guò)LM7805穩(wěn)壓芯片輸出5 V電壓，可以實(shí)現(xiàn)LPC2132最小系統(tǒng)、L298N模塊、MQ2煙霧傳感器模塊等外設(shè)的供電。對(duì)于機(jī)械臂上的4路舵機(jī)，由于其驅(qū)動(dòng)電壓需要達(dá)到7. 4 V，故采用LM7808穩(wěn)壓后進(jìn)行供電。而對(duì)于無(wú)線路由模塊WR703n來(lái)說(shuō)，為了防止外設(shè)會(huì)對(duì)該模塊的干擾，保障其工作的穩(wěn)定性，采用獨(dú)立的5 V電源對(duì)其供電，這樣也可以保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

控制部分是通過(guò)LPC2132和上位機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，控制器通過(guò)對(duì)L298N模塊的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人的前進(jìn)、后退、翻轉(zhuǎn)等動(dòng)作;使用DS18B20傳感器來(lái)檢測(cè)周?chē)h(huán)境溫度，使用MQ2傳感器來(lái)檢測(cè)機(jī)器人所處環(huán)境的煙霧濃度，傳感器的數(shù)值在12864液晶屏上實(shí)時(shí)顯示。LPC2132與路由器之間使用串行數(shù)據(jù)傳輸，將路由器與上位機(jī)使用wifi進(jìn)行連接，可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的控制。

無(wú)線路由模塊主要作用是控制蛇形機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作以及視頻傳輸。本次設(shè)計(jì)使用的無(wú)線路由器型號(hào)為T(mén)L－WR703n，703n路由器有3種工作的模式，分別為AP(無(wú)線AP)模式、3G Router(3G路由)模式和Wireless Router(無(wú)線路由)模式，這里主要使用無(wú)線路由模式。通過(guò)刷固件的方法對(duì)無(wú)線路由器進(jìn)行改造，引出RXD，TXD 和GND接到LPC2132控制器，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接電腦。天敏S608網(wǎng)絡(luò)攝像頭通過(guò)USB與無(wú)線路由器相連，所采集的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)無(wú)線路由器發(fā)送至上位機(jī)實(shí)現(xiàn)視頻的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能［13］。

上位機(jī)模塊是使用C#語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)。上位機(jī)除了接收無(wú)線路由發(fā)回的視頻信號(hào)外，還可以將控制信號(hào)經(jīng)由無(wú)線路由器發(fā)至下位機(jī)來(lái)控制蛇形機(jī)器人的各種動(dòng)作。

2　系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2. 1核心控制器與系統(tǒng)電源

控制器采用LPC2132開(kāi)發(fā)板。LPC2132是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的32位ARM7TDMI－STM CPU的微控制器，并帶有128kB的嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。多個(gè)32位定時(shí)器、1個(gè)10位8路ADC，2個(gè)32位定時(shí)器/外部事件計(jì)數(shù)器、PWM通道和47個(gè)GPIO以及多達(dá)9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制和醫(yī)療系統(tǒng)．為了保證續(xù)航能力，系統(tǒng)供電部分采用鋰聚合物航模電池，使用穩(wěn)壓模塊LM7805和AS1117分別給無(wú)線路由和主控芯片進(jìn)行供電［7－9］。

2. 2執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制方法

這里設(shè)計(jì)的機(jī)械臂4自由度的，機(jī)械臂模塊主要有舵機(jī)及控制板組成，搭配一對(duì)NRF204L01無(wú)線發(fā)射和接收模塊，可以實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的遠(yuǎn)程控制。由于無(wú)線模塊的控制距離最高可達(dá)100 m，可以不用靠近機(jī)器人就能實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的控制操作。

舵機(jī)是一種位置(角度)伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。目前在高檔遙控玩具，如航模，包括飛機(jī)模型，潛艇模型;遙控機(jī)器人中已經(jīng)使用得比較普遍。舵機(jī)是一種俗稱(chēng)，其實(shí)是一種伺服馬達(dá)。舵機(jī)的控制一般需要一個(gè)20 ms左右的時(shí)基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0. 5～2. 5 ms范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分。

本次設(shè)計(jì)中使用的舵機(jī)為輝盛SG90舵機(jī)，此舵機(jī)的特點(diǎn)為體積小，質(zhì)量?jī)H為9 g，扭矩大。其主要參數(shù)如下

1)工作扭矩: 1. 6 kg/cm;

2)反應(yīng)轉(zhuǎn)速: 0. 12到0. 13 s/60°;

3)使用溫度:－30℃到60℃;

4)死區(qū)設(shè)定: 5 ms;

5)轉(zhuǎn)動(dòng)角度:最大180°;

6)工作電壓: 3. 5到6 V．

輝盛SG90舵機(jī)信號(hào)控制圖如圖2所示。4自由度機(jī)械臂模塊實(shí)物圖如圖3所示。

圖2　SG90舵機(jī)信號(hào)控制圖Fig．2　SG90 servo control chart

圖3　4自由度機(jī)械臂模塊實(shí)物圖Fig．3 4 degree of freedom mechanical arm

通過(guò)舵機(jī)控制板來(lái)對(duì)機(jī)械臂模塊的舵機(jī)進(jìn)行控制，使用電位器以精確控制舵機(jī)角度，從而達(dá)到理想的使用效果。

2. 3直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

給蛇形機(jī)器人前端提供動(dòng)力的是直流減速電機(jī)，這里使用L298N對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)［10］。L298N芯片的驅(qū)動(dòng)電壓為5 V到35 V，邏輯工作電壓直流5 V，邏輯工作電流為0到36 mA，驅(qū)動(dòng)電流最大單橋?yàn)? A，存儲(chǔ)溫度為－20℃到+ 135℃，最大功率為25 W．本設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示，其中二極管為續(xù)流二極管，電容為濾波電容。當(dāng)L298N使能端為低電平時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)為停止。以下情況為當(dāng)使能端為高電平時(shí):輸入端1為高電平，輸入端2為低電平，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)正轉(zhuǎn);輸入端1為低電平，輸入端2為高電平，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)反轉(zhuǎn);輸入端1為高電平，輸入端2為高電平;電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)剎停。輸入端1為低電平，輸入端2為低電平，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)停止。L298N驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖4所示。

圖4　L298N驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig．4 Schematic diagram of L298N driver circuit

圖5　NRF24L01無(wú)線模塊原理圖Fig．5 Schematic diagram of NRF24L01 wireless module

2. 4無(wú)線數(shù)傳電路

舵機(jī)的控制使用了無(wú)線模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，無(wú)線模塊使用了NRF24L01無(wú)線模塊一對(duì)，無(wú)線模塊在空曠地帶實(shí)測(cè)控制距離100 m．工作電壓在1. 9 V到3. 6 V之間，傳輸速率為54 mbps，因?yàn)樵诳罩袀鬏數(shù)乃俾史浅５亩蹋杂行У谋苊饬藷o(wú)線傳輸中的碰撞現(xiàn)象，支持多頻點(diǎn)工作，共含有125個(gè)頻點(diǎn)，能夠滿足多點(diǎn)通信的需要和跳頻通信的需要［11］。模塊小巧內(nèi)置2. 4 GHz天線。為了減小電流消耗，當(dāng)工作在應(yīng)答模式時(shí)，啟動(dòng)時(shí)間縮小，在空間快速傳播，這樣就降低了電流的消耗。NRF24L01內(nèi)部集成了所有與RF協(xié)議相關(guān)部分的高速信號(hào)處理部分。NRF24L01無(wú)線模塊電路原理圖如圖5所示。

除此之外，還設(shè)計(jì)了可以檢測(cè)可燃?xì)怏w和煙霧的MQ2傳感器模塊電路，以及可以檢測(cè)溫度的ds18b20數(shù)字溫度傳感器電路［12－13］。

3　控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)下位機(jī)程序主要使用C語(yǔ)言編寫(xiě)，在Keil uVision4開(kāi)發(fā)環(huán)境下編譯調(diào)試完成。

各個(gè)功能模塊的程序由主程序和若干子程序組成，主程序包括GPIO口的定義初始化和顯示器配置程序。系統(tǒng)程序主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序、按鍵掃描子程序、顯示子程序等構(gòu)成。主程序流程圖如圖6所示。

上位機(jī)部分采用C#語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)［14－15］，通過(guò)Visual Studio(以下簡(jiǎn)稱(chēng)VS)軟件進(jìn)行調(diào)試。上位機(jī)界面如圖7所示。

圖6　系統(tǒng)的主程序流程圖Fig．6 Main program flowchart of the system

圖7　上位機(jī)界面顯示圖Fig．7 Upper computer interface display

4　結(jié)論

文中主要完成了蛇形機(jī)器人前端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制作。系統(tǒng)硬件部分主要完成了機(jī)械臂設(shè)計(jì)、電源模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊、無(wú)線傳輸模塊及顯示模塊的設(shè)計(jì)制作。系統(tǒng)軟件部分以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能為目的，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期計(jì)劃的功能，能夠良好地實(shí)現(xiàn)周邊環(huán)境的監(jiān)測(cè)，對(duì)障礙物的抓取及清理，無(wú)線控制距離能夠達(dá)到100 m，而且穩(wěn)定可靠。該執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制算法簡(jiǎn)單，成本較低，速度調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單方便，舵機(jī)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，追隨性能好，程序具有一定的通用性。

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《西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)》獲“中國(guó)科技論文在線優(yōu)秀期刊”一等獎(jiǎng)

2015年底，教育部科技發(fā)展中心公布了“中國(guó)科技論文在線優(yōu)秀期刊”暨“中國(guó)科技論文在線科技期刊優(yōu)秀組織單位”評(píng)選結(jié)果。評(píng)選出“中國(guó)科技論文在線優(yōu)秀期刊”一等獎(jiǎng)111項(xiàng)，二等獎(jiǎng)183項(xiàng);評(píng)選出“中國(guó)科技論文在線科技期刊優(yōu)秀組織單位”64個(gè)。其中，《西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)》獲“中國(guó)科技論文在線優(yōu)秀期刊”一等獎(jiǎng)，同時(shí)，西安科技大學(xué)獲“中國(guó)科技論文在線科技期刊優(yōu)秀組織單位”殊榮。

Design of snake-like robot front end actuator and control system based on LPC2132

LI Hong-yan，HOU yuan-bin
(College of Electrical and Control Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China)

Abstract:In order to make the snake-like robot can better perform search and rescue missions in different terrain environment，according to the characteristics of the snake-like robot，a new front end actuator was designed．According to the faults of traditional snake-like robot head only has sensor without actuator，the method of 4 degree of freedom is proposed as the front end effector，the hardware platform is built with ARM7-LPC2132 as the controller，L298N as the motor driving module and LCD screen 12864 as the man-machine interface．Through a wireless router WR703n Mortimer S608 camera data can be transferred to the host machine．By the wireless data transmission module the host machine can real-time control the lower machine，temperature measurement，smoke alarm，mechanical arm in addition to the barrier，which can perform complex terrain and device field detection．The program is written by C and C# language．After debugging，the function of the clamping and handling of the obstacle etc．can be achieved．The wireless remote control distance can reach 100 meters，and the communication effect is stable and reliable．

Key words:snake robot; actuator; LPC2132; servo; RF

通訊作者:李紅巖(1980－)，男，山東東阿人，高級(jí)工程師，E-mail: lihongyan@ xust．edu．cn

基金項(xiàng)目:國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目(201410704032)

*收稿日期:2015－09－18責(zé)任編輯:高佳

DOI:10．13800/j．cnki．xakjdxxb．2016．0218

文章編號(hào):1672－9315(2016) 02－0265－06

中圖分類(lèi)號(hào):TP 242

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B