陳 林，程詩豪，李大寨

（1.北京航空航天大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院，北京 100191；2.北京市第二中學(xué)，北京 100010）

折疊三角警示牌移動機器人的設(shè)計與實現(xiàn)

陳 林1，程詩豪2，李大寨1

（1.北京航空航天大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院，北京 100191；2.北京市第二中學(xué)，北京 100010）

從高速公路上人工放置三角警示牌的危險性出發(fā)，設(shè)計了一種可遠程控制的搭載可自動折疊三角警示牌的移動機器人。機器人的機械結(jié)構(gòu)主要由底盤、輪式行走機構(gòu)、可折疊三角警示牌等組成，通過在三角警示牌的關(guān)節(jié)處放置驅(qū)動舵機，實現(xiàn)三角警示牌的自動折疊與展開。其控制系統(tǒng)采用STM32F103RCT6芯片作為控制核心，通過L298N電機驅(qū)動模塊控制電機，通過舵機供電電源模塊給舵機供電；采用FS-GT3C遙控器，其頻率范圍：2.40～2.48GHz其配備的接收機與單片機通過串口進行通信，從而實現(xiàn)對移動機器人的遠程控制。

折疊三角警示牌；移動機器人；STM32；串口通信

0 引言

移動機器人作為機器人技術(shù)的一個分支已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于救災(zāi)、軍事、探索等諸多領(lǐng)域，它集中了機械設(shè)計、計算機技術(shù)、通信工程、人工智能和自動化控制等諸多學(xué)科不同領(lǐng)域的先進研究成果，是目前科學(xué)技術(shù)發(fā)展的熱門領(lǐng)域之一。

隨著人們生活水平的提高，汽車已逐步走進千家萬戶。車輛行駛途中難免發(fā)生一些故障，如果在高速路上汽車發(fā)生故障了，就需要人拿著三角警示牌放在車后150米處。由于高速路上車速快、車況復(fù)雜，人去放置三角警示牌具有很大的危險性，并且人在高速行走也違反交通法規(guī)。針對此問題，本文設(shè)計了搭載三角警示牌的移動機器人。該移動機器人有兩個特點，第一個是可通過遙控器進行遠程控制，第二個是可以實現(xiàn)三角警示牌的自動折疊、展開。

1 機器人機械機構(gòu)設(shè)計

1.1 機械結(jié)構(gòu)總體組成

該折疊三角警示牌移動機器人機械部分主要由移動底盤和折疊三角警示牌兩部分組成。圖1為該移動機器人搭載的折疊三角牌展開圖，圖2為該機器人三角牌折疊圖。

1.2 底盤設(shè)計

對于移動機器人底盤的制作，目前普遍采用一下兩種不同結(jié)構(gòu)形式的底盤。一種是通過多個部件以各種不同形式的聯(lián)結(jié)進行拼接，另一種是整體性的底盤，即直接進行整體加工。本文中的移動機器人采用拼接性的底盤結(jié)構(gòu)，通過螺栓將各部分固定，整個底盤由上底板、下底板、左側(cè)板、右側(cè)板、前側(cè)板、后側(cè)板六部分拼接而成，形成一個相對封閉的底盤，單片機等控制系統(tǒng)的模塊安放在下底板上，即位于封閉底盤中，可折疊警示牌位于上底板上。圖3為底盤的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 移動機器人三角警示牌展開圖

圖2 移動機器人三角警示牌折疊圖

圖3 折疊三角警示牌移動機器人底盤

1.2.1 底盤驅(qū)動方式

本課題中的移動機器人所搭載的三角警示牌重量輕，故采用兩只電機即可滿足要求，安裝在移動機器人前部的兩側(cè)；通過聯(lián)軸器與車輪相連，分別控制移動機器人的兩側(cè)運動；后部的兩輪從動，依靠兩側(cè)的速度差來實現(xiàn)移動機器人的轉(zhuǎn)向以及原地旋轉(zhuǎn)。

1.2.2 驅(qū)動電機

驅(qū)動電機采用直流減速電機，其詳細參數(shù)如表1所示。

1.2.3 折疊三角警示牌結(jié)構(gòu)設(shè)計

1）折疊三角警示牌結(jié)構(gòu)分析

折疊三角警示牌的各部分桿件采用硬質(zhì)塑料制作，外層涂上反光材料。折疊三角警示牌關(guān)節(jié)處采用舵機驅(qū)動，其整體結(jié)構(gòu)如圖4和圖5所示。

2）關(guān)節(jié)扭矩計算分析

由扭矩計算公式M=F.L，其中M表示扭矩，單位為N.m；F為作用力，單位為N。

下面對三個驅(qū)動關(guān)節(jié)承受的最大扭矩進行近似計算，首先對第一級關(guān)節(jié)需要承受的扭矩進行近似計算，承受作用力為4.7N，物體轉(zhuǎn)動時重心到轉(zhuǎn)動中心的最大等效距離為130mm，故第一級關(guān)節(jié)承受的最大扭矩為。

圖4 三角警示牌展開圖

圖5 三角警示牌折疊圖

第二級關(guān)節(jié)需要驅(qū)動警示牌展開，故上、中桿和基座桿的重量均在第二級關(guān)節(jié)處產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，其作用力等效為3.58N等效重心到關(guān)節(jié)中心的最大等效距離為95mm，故第二級關(guān)節(jié)承受的最大扭矩為。

第三級關(guān)節(jié)作用對稱分布，故只需要計算一側(cè)的關(guān)節(jié)承受扭矩即可。作用在上桿、中桿上的等效作用力為0.98N，展開時的轉(zhuǎn)動過程中距離第三季關(guān)節(jié)的最大等效距離為145mm，故第三級關(guān)節(jié)承受的最大扭矩為。

通過計算和仿真，選擇MG996R舵機進行關(guān)節(jié)的驅(qū)動，MG996R舵機的相關(guān)參數(shù)如表2所示。對三角警示牌進行運動分析，得到三級舵機承受的力矩變化曲線如圖6所示。

表1 JGA25-371直流減速電機參數(shù)

圖6 舵機關(guān)節(jié)力矩變化曲線

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制電路設(shè)計

控制系統(tǒng)核心采用ARM V7-M架構(gòu)微控制器STM32F103RCT6，通過STM32103RCT6控制電機驅(qū)動模塊從而控制電機?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 遙控器通信協(xié)議

FS-GT3C遙控器采用PPM信號與接收機進行通信，用調(diào)制信號控制脈沖序列中各脈沖的相對位置（即相位），使各脈沖的相對位置隨調(diào)制信號變化，配置流程如圖8所示。

圖8 通信協(xié)議配置

表2 MG996R的相關(guān)參數(shù)

4 結(jié)論

本文設(shè)計的可折疊三角警示牌移動機器人的創(chuàng)新點在于避免了人工放置三角警示牌的危險性，有利于保障人員安全，并且三角警示牌設(shè)計成可折疊結(jié)構(gòu)有利于節(jié)省空間。該機器人的推廣使用具有十分重要的社會意義。

[1] 張毅,羅元,鄭太雄,等.移動機器人技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007,09:32.

[2] 張國良,敬斌,劉延飛,熊磊.自主移動機器人設(shè)計與制作[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2008:23-31.

The design and implementation of mobile robot with folding emergency refl ective triangles

CHEN Lin1, CHENG Shi-hao2, LI Da-zhai1

TP24

：B

1009-0134(2017)03-0145-03

2016-11-20

陳林（1994 -），男，湖南永州人，碩士研究生，研究方向為機器人控制技術(shù)。