琚靈釗，蒯蘇蘇，費(fèi)鋮邦，沈志豪，謝靜，吳佰慧

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Arduino草方格鋪設(shè)機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)的研究＊

琚靈釗1，蒯蘇蘇1，費(fèi)鋮邦1，沈志豪1，謝靜2，吳佰慧3

（1.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.鎮(zhèn)江市第一人民醫(yī)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 3.江蘇大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

研制了一種Arduino草方格鋪設(shè)機(jī)器人，創(chuàng)建了UG栽插麥草曲柄增力機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)，仿真分析曲柄增力機(jī)構(gòu)中關(guān)鍵部件滑塊的位移、速度、加速度曲線，驗(yàn)證了曲柄增力機(jī)構(gòu)能夠完成在沙丘坡面插入沙層內(nèi)約20～25 cm的草方格。創(chuàng)新設(shè)計(jì)了“計(jì)算機(jī)、 MegaPi Pro控制器、RJ25擴(kuò)展板、Me_電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、Me_傳感器模塊和2.4 G無(wú)線手柄”的控制體系結(jié)構(gòu)，在集成機(jī)器人硬件的基礎(chǔ)上，軟件程序設(shè)計(jì)包括Arduino—MegaPi Pro主程序、驅(qū)動(dòng)程序、避障程序、送料程序、栽插程序、沙埋程序、手柄遙控程序，實(shí)現(xiàn)高層次分級(jí)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行走、避障、送料、栽插、沙埋、計(jì)數(shù)等功能。

草方格；曲柄增力機(jī)構(gòu)；全向輪；MegaPi Pro程序

1 引言

針對(duì)草方格鋪設(shè)機(jī)器人的工作環(huán)境和運(yùn)動(dòng)要求，本文提出，先在沙丘上劃好機(jī)器人用的全向輪行走路徑方格網(wǎng)線，再將修剪均勻整齊的麥草或稻草等材料由送料機(jī)構(gòu)橫放在方格線上，用曲柄增力機(jī)構(gòu)工具置于鋪草料中間，用力插下去，插入沙層內(nèi)約20～25 cm，使草的兩端翹起，直立在沙面上，露出地面的高度約10～15 cm。再用氣動(dòng)鏟斗擁沙埋掩草方格沙障的根基部，使之牢固。根據(jù)試驗(yàn)，草方格沙障的規(guī)模以1 m×1 m的正方形效果最好。

2 Arduino機(jī)器人行走軌跡規(guī)劃

Arduino草方格鋪設(shè)機(jī)器人主要由行走系統(tǒng)、送料系統(tǒng)、栽插系統(tǒng)、沙埋機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。Arduino草方格鋪設(shè)機(jī)器人底部結(jié)構(gòu)由鋁合金組件組合而成，安裝全向輪后，通過(guò)4個(gè)大功率編碼直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)4個(gè)全向輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使用Arduino IDE控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)大功率編碼直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)器小車(chē)按照指令運(yùn)行，安裝在對(duì)角線的①、③號(hào)全向輪，朝同一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，②、④號(hào)全向輪不動(dòng)，小車(chē)沿方向行走，或①、③號(hào)全向輪不動(dòng)，②、④號(hào)全向輪朝另外一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，小車(chē)沿方向行走。

對(duì)于機(jī)器人在沙漠中自移動(dòng)功能，采用循跡行駛算法：根據(jù)位置狀態(tài)對(duì)控制量進(jìn)行調(diào)整，采用PIT定時(shí)中斷，對(duì)AD進(jìn)行一個(gè)連續(xù)序列的轉(zhuǎn)換，以保證機(jī)器小車(chē)沿正方形方格網(wǎng)線行駛。小車(chē)在自控階段走直線時(shí)由于兩個(gè)輪子在行進(jìn)過(guò)程中，分別遇到的阻力不一樣，兩輪的轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生偏差，解決的方法是通過(guò)編碼電機(jī)進(jìn)行速度與方位的精確控制，通過(guò)Arduino軟件編程調(diào)控大功率編碼直流電機(jī)M1、M2、M3、M4的PID參數(shù)，采用不同輪子不同速度的方式來(lái)解決不同輪子摩擦力不同的問(wèn)題，使它能在不同環(huán)境下達(dá)到最佳工作狀態(tài)。當(dāng)小車(chē)避障時(shí)，用超聲波傳感器檢測(cè)到機(jī)器人接近了相關(guān)障礙物體10 cm時(shí)，自動(dòng)調(diào)整方向，避障或繞障行走。使小車(chē)執(zhí)行前進(jìn)、后退，左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止和速度切換動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自移動(dòng)、橫走、豎直走、零半徑轉(zhuǎn)彎的功能。

圖1 Arduino草方格鋪設(shè)機(jī)器人

3 曲柄增力機(jī)構(gòu)UG建模

3.1 增力比

由圖1可知，送料系統(tǒng)、栽插系統(tǒng)、沙埋機(jī)械系統(tǒng)中，麥草被送料機(jī)構(gòu)鋪在沙子表面，設(shè)計(jì)了一種能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)將草料用力插下去的曲柄增力機(jī)構(gòu)，如圖2所示，曲柄增力機(jī)構(gòu)由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)（1，2，3，6） 和搖桿滑塊機(jī)構(gòu)（3，4，5，6）組合而成。

1—曲柄；2，4—連桿；3—搖桿；5—滑塊；6—機(jī)架。

3.2 UG仿真分析

對(duì)曲柄增力機(jī)構(gòu)的UG建模采用自底向上的裝配方式，即預(yù)先設(shè)計(jì)好部件幾何模型，再將模型添加到裝配中，通過(guò)定義固定鉸鏈，創(chuàng)建連桿，添加運(yùn)動(dòng)副、施加力和驅(qū)動(dòng)，創(chuàng)建解算方案，查看NX8.5運(yùn)動(dòng)仿真曲線和動(dòng)畫(huà)，對(duì)曲柄增力機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)ANALYSIS_位移、速度、加速度曲線進(jìn)行分析。利用拉伸的命令繪制4個(gè)桿件，長(zhǎng)度分別為=40 cm、=120 cm、=50 cm、=100 cm，機(jī)架位置=30 cm、=120 cm，滑塊導(dǎo)軌=150 cm，建立滑塊，厚度設(shè)為3 cm，完成拉伸的創(chuàng)建。新建一個(gè)asm文件，將上述的4個(gè)桿件通過(guò)接觸對(duì)齊自動(dòng)判斷中心軸，和首選接觸裝配在一起，并將滑塊導(dǎo)軌為固定機(jī)架，Ctrl+B隱藏約束的線條。點(diǎn)擊應(yīng)用模塊中的運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航器右擊asm文件，新建仿真文件，定義連桿，其中即長(zhǎng)度為150 cm為固定，=120 cm為固定，其他的連桿不勾選固定。定義運(yùn)動(dòng)副、移動(dòng)副和旋轉(zhuǎn)副。最后就是環(huán)境方案和求解了，設(shè)置步數(shù)1 000和時(shí)間60 s，完成后點(diǎn)擊求解，點(diǎn)擊動(dòng)畫(huà)，點(diǎn)擊播放，UG仿真曲柄增力機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖3所示。施加約束后的曲柄增力機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件滑塊的位移、速度和加速度曲線如圖4所示。

圖3 施加約束后的曲柄增力機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)

圖4 曲柄增力機(jī)構(gòu)滑塊的位移、速度、加速度曲線

從圖4（a）看到滑塊的工作行程達(dá)31 cm，控制曲柄初始位置使麥草能夠在沙丘坡面插入沙層內(nèi)約20～25 cm；從圖4（b）可以看出，滑塊在工作行程內(nèi)最大速度可以達(dá)到22 cm/s；圖4（c）表示滑塊在工作行程內(nèi)加速度值逐漸增大，最大加速度達(dá)到29 cm/s2，軌跡范圍有足夠的栽插深度，機(jī)構(gòu)尺寸符合工程固沙要求。

4 Arduino草方格鋪設(shè)機(jī)器人控制系統(tǒng)

4.1 MegaPi Pro控制器硬件電路

MegaPi Pro是一個(gè)基于ATmega2560微主控板，完全兼容Arduino編程的控制器硬件電路。通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)接口的封裝，Me_傳感器等電子模塊可以方便地驅(qū)動(dòng)編碼電機(jī)、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、氣泵電機(jī)。由任務(wù)要求及機(jī)器人工作的軟硬體設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)、Arduino的開(kāi)源電子平臺(tái)，圖5表示了草方格鋪設(shè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。

自控階段：機(jī)器人通過(guò) MegaPi Pro控制器、四個(gè)大功率直流編碼電機(jī)以及超聲波傳感器，讓機(jī)器人四個(gè)全向輪小車(chē)實(shí)現(xiàn)自主行走。在機(jī)械系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了直流編碼電機(jī)1驅(qū)動(dòng)曲柄增力機(jī)構(gòu)，直流編碼電機(jī)2，3驅(qū)動(dòng)送料機(jī)構(gòu)，氣泵電機(jī)1，2驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)鏟斗機(jī)構(gòu)，完成鋪草、栽插和沙埋過(guò)程。直接利用控制器進(jìn)行計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)，由Me_數(shù)碼管顯示。

手柄遙控階段：自定義手柄按鍵功能，撥碼開(kāi)關(guān)與板子上電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊地址相互對(duì)應(yīng)，乘以1.5電機(jī)靈敏系數(shù)，動(dòng)力從手柄上對(duì)應(yīng)按鍵按下時(shí)采集得到，將手柄與2.4 G模塊配對(duì)成功，手柄遙控機(jī)器小車(chē)。

圖5 Arduino草方格鋪設(shè)機(jī)器人的硬件電路

4.2 程序設(shè)計(jì)

機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在搭接機(jī)器人硬件的基礎(chǔ)上，按照功能要求，程序設(shè)計(jì)包括Arduino—MegaPi Pro主程序、驅(qū)動(dòng)程序、避障程序、送料程序、曲柄增力機(jī)構(gòu)栽插程序、氣動(dòng)鏟斗沙埋程序以及手柄遙控程序，實(shí)現(xiàn)高層次分級(jí)控制。 機(jī)器人部分程序如下。

MegaPi Pro超聲波避障程序如圖6所示，機(jī)器小車(chē)行走主程序如圖7所示。

圖6 超聲波避障程序

圖7 機(jī)器人自移動(dòng)行走程序

5 結(jié)束語(yǔ)

研制了一種Arduino草方格鋪設(shè)機(jī)器人，對(duì)曲柄增力機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，用UG繪制出曲柄增力機(jī)構(gòu)滑塊部位的位移、速度、加速度參數(shù)曲線，避免了繁冗的動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，從而直接獲得各個(gè)零部件的準(zhǔn)確位置，為物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)和制造提供參數(shù)依據(jù)。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)了“計(jì)算機(jī)、 MegaPi Pro控制器、RJ25擴(kuò)展板、Me_電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、Me_傳感器模塊和2.4 G無(wú)線手柄”的控制體系結(jié)構(gòu)，在集成機(jī)器人硬件的基礎(chǔ)上，按照功能要求，實(shí)現(xiàn)高層次分級(jí)控制，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行走、避障、送料、栽插、沙埋、計(jì)數(shù)等功能。對(duì)更新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程、縮短開(kāi)發(fā)周期，降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的理論和實(shí)踐意義。

［1］蒯蘇蘇，沈志豪，王震，等.基于Arduino葡萄套袋智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)［J］.精密制造與自動(dòng)化，2018（2）.

［2］鄒慧君.機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，1994.

［3］孫術(shù)發(fā)，劉晉浩，葉郁.防風(fēng)固沙草方格鋪設(shè)機(jī)器人橫向割斷機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析［J］.中國(guó)沙漠，2011，31（5）.

［4］羅善明.曲柄增力機(jī)構(gòu)的模擬設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2002，21（3）.

［5］蒯蘇蘇.基于Matlab7.0 / SimMechanics的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)建模與仿真［C］//第五屆中國(guó)系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)高層論壇論文集，北京：總裝備部仿真技術(shù)專業(yè)組，2010.

2095－6835（2018）20－0045－03

TP242

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.20.045

江蘇大學(xué)工業(yè)中心2017大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐基金項(xiàng)目立項(xiàng)（編號(hào)：ZXJG201726）資助

琚靈釗（1997—），男，浙江衢州人，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)、軟件技術(shù)研究。

蒯蘇蘇（1958—），女，江蘇吳江人，江蘇大學(xué)高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，從事機(jī)械原理及設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)、智能機(jī)器人研究。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕