基于Zigbee技術(shù)的全方位移動機器人本體設(shè)計

1.引言

1998年日本東京大學(xué)井上研究所提出的“遠程腦”[1-2]概念，是移動機器人控制體系結(jié)構(gòu)的進步。近年來，移動機器人的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用范圍正逐漸拓寬，全方位移動機器人由于具有平面運動的全部三個自由度，理論上可以在任何角度以任何速度在機器人所處平面上運動，因此具有廣闊的應(yīng)用前景和良好的社會效益[3]。本文在遠程腦的基礎(chǔ)上，提出了遠程小腦的概念，將遠程腦概念分為遠程大腦和遠程小腦兩部分。遠程大腦同樣安裝在機器人體外，遠程小腦則安裝在機器人體內(nèi)，兩者之間以及機器人之間采用Zigbee模塊構(gòu)建通訊網(wǎng)絡(luò)。這樣，遠程大腦控制遠程小腦，向遠程小腦下達各項指令和命令，再由遠程小腦控制機器人體內(nèi)的各個功能模塊，指揮機器人完成各項任務(wù)，并且機器人之間可以通過Zigbee組網(wǎng)，實現(xiàn)信息交換和資源共享。

2.全方位移動機器人本體設(shè)計

基于遠程腦的類人機器人本體采用模塊化設(shè)計，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括智能模塊(小腦)、無線通訊模塊、機械手控制及驅(qū)動模塊、車體運動控制及驅(qū)動模塊、傳感器信號采集及處理模塊、語音模塊等。

圖1 機器人本體結(jié)構(gòu)框圖

Fig.1. The configuration diagram of the robot body

2.1 無線通訊模塊

由于機器人大小腦分離，且機器人有一定的活動范圍，因此，本設(shè)計采用無線通信模塊進行遠程大腦和機器人小腦之間的信息傳輸，省掉了通信線纜，便于機器人移動。遠程大腦處理操作者的命令，并將處理后的控制指令進行編碼后，通過無線傳輸模塊發(fā)送到小腦，小腦接收命令后，經(jīng)過分析、判斷，將分解的指令傳送至各運動模塊的控制器，同時小腦將采集的各種信息編碼后通過無線通訊模塊傳送至大腦?？紤]到遠程大腦和小腦之間命令傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、快速性以及通訊距離的遠近等要求，本設(shè)計選用了Chipcon公司的基于ZigBee協(xié)議的CC2420EM射頻模塊。ZigBee是一種新型的短距離無線接入技術(shù)，與藍牙相比，它具有低成本、低功耗、組網(wǎng)方便、可實現(xiàn)自路由功能和數(shù)據(jù)的可靠傳輸?shù)葍?yōu)點[4]。CC2420是Chipcon公司推出的首款基于ZigBee技術(shù)的射頻收發(fā)器。它只需極少數(shù)外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持數(shù)據(jù)傳輸率高達 250kbps，可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)[5]。CC2420EM模塊集成了CC2420及其所需的外圍電路。機器人小腦與射頻模塊的具體接口電路如圖2所示。單片機通過4線SPI總線(STE1、SIMO1、SOMI1、UCLK1)控制和設(shè)置芯片的工作模式，并實現(xiàn)讀/寫緩存數(shù)據(jù)，讀/寫狀態(tài)寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP引腳接口的狀態(tài)可設(shè)置發(fā)射/接收緩存器，F(xiàn)IFOP引腳必須連接到單片機的中斷引腳。通過CCA引腳狀態(tài)可以得到空閑信道估計。通過SFD引腳狀態(tài)可以得到發(fā)射幀和接收幀的定時信息從而判斷系統(tǒng)的工作狀態(tài)，SFD引腳應(yīng)該接到單片機的時鐘捕捉引腳。

圖2 單片機與CC2420的接口電路

Fig.2 Interface of MCU and CC2420

2.2 車體運動控制及驅(qū)動模塊

本文所研究的行走載體，由麥卡納姆輪系(Mecanum wheels)構(gòu)成。麥卡納姆輪系是移動機器人中常用的全方位移動機構(gòu)，它可沿任意平面方向靈活運動，尤其具有左右橫移和原地僅以自身半徑轉(zhuǎn)動的獨一無二的功能[6-7]。

車體采用四輪移動機構(gòu)，四個麥卡納姆車輪分別由四個直流電機獨立驅(qū)動，通過對這四個電機轉(zhuǎn)速的控制，就可以實現(xiàn)其橫向、縱向、繞自身中心旋轉(zhuǎn)以及斜向等移動。每個麥卡納姆車輪由兩部分組成：主動的輪轂和輪轂外緣按一定傾斜方向均勻分布的多個被動滾輪組成。

圖3 麥卡納姆車輪結(jié)構(gòu)與速度示意圖

Fig.3. Sketch map of Mecanum wheels’ configuration and speed

該機器人運動控制的核心為一塊Atmega128。每個麥卡納姆車輪由一臺直流電機配合減速器獨立驅(qū)動，每個電機由4個功率器件 VMOS(IRLZ44N)組成橋式電路，為了獲得較好的動態(tài)性能和低速的平穩(wěn)性，故采用H型PWM調(diào)速方式，同時實現(xiàn)了正、反轉(zhuǎn)運行以及制動。

2.3 機械手控制及驅(qū)動模塊

機械手部分采用專門的兩塊模塊分別控制兩個機械手。驅(qū)動模塊控制機械手的動作，位姿檢測裝置實時檢測動作關(guān)節(jié)的位置與姿態(tài)，反饋給小腦，小腦判斷是否完成用戶指令。當(dāng)沒有完成用戶指令時，繼續(xù)執(zhí)行用戶指令;當(dāng)已經(jīng)完成用戶指令時，機器人小腦通過無線傳輸模塊通知遠程腦已經(jīng)完成用戶指令。

2.4 傳感器信號采集及處理模塊

對于機器人而言，傳感器就像它的眼、耳、鼻，能夠幫助機器人正確分辨它所處的環(huán)境，為機器人順利完成自己的工作提供幫助。傳感器的數(shù)量和種類很多，本文根據(jù)設(shè)計需要，采用了探底光電傳感器、探邊光電傳感器和超聲波測距傳感器。機器人上所有傳感器由一單獨的單片機進行控制采集，并通過小腦實時向上位機發(fā)送信息。當(dāng)上位機發(fā)出指令使機器人向某個方向運動時，會同時發(fā)給傳感器模塊對應(yīng)信息，則傳感器模塊會查詢對應(yīng)方向的傳感器信號，并及時將其反饋給上位機進行處理，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況，如將要撞到墻壁或物體，則傳感器模塊會首先發(fā)給車體控制模塊一個中斷信號，使其停車，然后再反饋上位機進行處理，并繼續(xù)查詢。各傳感器有效距離如表1所示。[!--empirenews.page--]

表1 所用傳感器的有效距離

Table1. Efficiency distance of used sensor

2.5 語音模塊

從人性化設(shè)計方面考慮，本設(shè)計增加了語音模塊，這樣在遇到人員阻擋或者是遇到障礙的時候，機器人可以根據(jù)上位機指令要求或外部輸入信號發(fā)出的要求，通過語言模塊發(fā)出警報，通知操作者或提示障礙源，從而避免發(fā)生事故。機器人語音模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4語音模塊結(jié)構(gòu)框圖 圖5 全方位移動機器人實物圖

Fig.4. Speech module frame Fig.5. Omnidirectional mobile robot

3.實驗研究及分析

全方位移動機器人的樣機如圖5所示。經(jīng)行駛試驗，全方位移動機器人可以實現(xiàn)前、后、左、右、左前、右前、左后、右后、逆時針、順時針的平穩(wěn)運動。直線行駛具有良好的線性度，原地旋轉(zhuǎn)任意角度后，位置誤差較小。由于該機器人采用的電機為帶減速箱的減速電機，故其在小角度斜平面上可以自鎖停滯，也可以慢速移動。機器人運動靈活平穩(wěn)，且運動不受限于所處工作空間，可使其應(yīng)用范圍更為廣泛。但由于未考慮的總體重量以及外形尺寸，機器人的體積與重量還有變化的空間。

4.總結(jié)

本文在“遠程腦”的基礎(chǔ)上，提出了“遠程小腦”的概念，二者之間采用Zigbee技術(shù)進行通信，并采用Mecanum式全向移動輪及模塊化設(shè)計方法，實現(xiàn)了全方位移動機器人的本體設(shè)計，最大限度地提高了機器人的自主性。由于該機器人具有無線通訊、全方位移動、自動避障和機器手夾取等功能，因此可以用于很多路面相對平坦的工作場合，而且以此機器人為平臺，可以開發(fā)出更先進更完善的機器人。