基于Zigbee技術(shù)的全方位移動(dòng)機(jī)器人本體設(shè)計(jì)

1.引言

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

2.全方位移動(dòng)機(jī)器人本體設(shè)計(jì)

基于遠(yuǎn)程腦的類人機(jī)器人本體采用模塊化設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括智能模塊（小腦）、無(wú)線通訊模塊、機(jī)械手控制及驅(qū)動(dòng)模塊、車體運(yùn)動(dòng)控制及驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器信號(hào)采集及處理模塊、語(yǔ)音模塊等。

圖1機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)框圖
Fig.1.Theconfigurationdiagramoftherobotbody

2.1無(wú)線通訊模塊

由于機(jī)器人大小腦分離，且機(jī)器人有一定的活動(dòng)范圍，因此，本設(shè)計(jì)采用無(wú)線通信模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程大腦和機(jī)器人小腦之間的信息傳輸，省掉了通信線纜，便于機(jī)器人移動(dòng)。遠(yuǎn)程大腦處理操作者的命令，并將處理后的控制指令進(jìn)行編碼后，通過(guò)無(wú)線傳輸模塊發(fā)送到小腦，小腦接收命令后，經(jīng)過(guò)分析、判斷，將分解的指令傳送至各運(yùn)動(dòng)模塊的控制器，同時(shí)小腦將采集的各種信息編碼后通過(guò)無(wú)線通訊模塊傳送至大腦?？紤]到遠(yuǎn)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(yuǎn)近等要求，本設(shè)計(jì)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(wú)線接入技術(shù)，與藍(lán)牙相比，它具有低成本、低功耗、組網(wǎng)方便、可實(shí)現(xiàn)自路由功能和數(shù)據(jù)的可靠傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)[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(wú)線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250kbps，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)[5]。CC2420EM模塊集成了CC2420及其所需的外圍電路。機(jī)器人小腦與射頻模塊的具體接口電路如圖2所示。單片機(jī)通過(guò)4線SPI總線（STE1、SIMO1、SOMI1、UCLK1）控制和設(shè)置芯片的工作模式，并實(shí)現(xiàn)讀/寫緩存數(shù)據(jù)，讀/寫狀態(tài)寄存器等。通過(guò)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(jī)的中斷引腳。通過(guò)CCA引腳狀態(tài)可以得到空閑信道估計(jì)。通過(guò)SFD引腳狀態(tài)可以得到發(fā)射幀和接收幀的定時(shí)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(jī)的時(shí)鐘捕捉引腳。

圖2單片機(jī)與CC2420的接口電路
Fig.2InterfaceofMCUandCC2420

2.2車體運(yùn)動(dòng)控制及驅(qū)動(dòng)模塊

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

車體采用四輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)，四個(gè)麥卡納姆車輪分別由四個(gè)直流電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，通過(guò)對(duì)這四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，就可以實(shí)現(xiàn)其橫向、縱向、繞自身中心旋轉(zhuǎn)以及斜向等移動(dòng)。每個(gè)麥卡納姆車輪由兩部分組成：主動(dòng)的輪轂和輪轂外緣按一定傾斜方向均勻分布的多個(gè)被動(dòng)滾輪組成。

圖3麥卡納姆車輪結(jié)構(gòu)與速度示意圖
Fig.3.SketchmapofMecanumwheels’configurationandspeed

該機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的核心為一塊Atmega128。每個(gè)麥卡納姆車輪由一臺(tái)直流電機(jī)配合減速器獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，每個(gè)電機(jī)由4個(gè)功率器件VMOS（IRLZ44N）組成橋式電路，為了獲得較好的動(dòng)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(shí)實(shí)現(xiàn)了正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行以及制動(dòng)。

2.3機(jī)械手控制及驅(qū)動(dòng)模塊

機(jī)械手部分采用專門的兩塊模塊分別控制兩個(gè)機(jī)械手。驅(qū)動(dòng)模塊控制機(jī)械手的動(dòng)作，位姿檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)動(dòng)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(méi)有完成用戶指令時(shí)，繼續(xù)執(zhí)行用戶指令；當(dāng)已經(jīng)完成用戶指令時(shí)，機(jī)器人小腦通過(guò)無(wú)線傳輸模塊通知遠(yuǎn)程腦已經(jīng)完成用戶指令。

2.4傳感器信號(hào)采集及處理模塊

對(duì)于機(jī)器人而言，傳感器就像它的眼、耳、鼻，能夠幫助機(jī)器人正確分辨它所處的環(huán)境，為機(jī)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(jì)需要，采用了探底光電傳感器、探邊光電傳感器和超聲波測(cè)距傳感器。機(jī)器人上所有傳感器由一單獨(dú)的單片機(jī)進(jìn)行控制采集，并通過(guò)小腦實(shí)時(shí)向上位機(jī)發(fā)送信息。當(dāng)上位機(jī)發(fā)出指令使機(jī)器人向某個(gè)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)同時(shí)發(fā)給傳感器模塊對(duì)應(yīng)信息，則傳感器模塊會(huì)查詢對(duì)應(yīng)方向的傳感器信號(hào)，并及時(shí)將其反饋給上位機(jī)進(jìn)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(huì)首先發(fā)給車體控制模塊一個(gè)中斷信號(hào)，使其停車，然后再反饋上位機(jī)進(jìn)行處理，并繼續(xù)查詢。各傳感器有效距離如表1所示。

表1所用傳感器的有效距離
Table1.Efficiencydistanceofusedsensor

2.5語(yǔ)音模塊

從人性化設(shè)計(jì)方面考慮，本設(shè)計(jì)增加了語(yǔ)音模塊，這樣在遇到人員阻擋或者是遇到障礙的時(shí)候，機(jī)器人可以根據(jù)上位機(jī)指令要求或外部輸入信號(hào)發(fā)出的要求，通過(guò)語(yǔ)言模塊發(fā)出警報(bào)，通知操作者或提示障礙源，從而避免發(fā)生事故。機(jī)器人語(yǔ)音模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4語(yǔ)音模塊結(jié)構(gòu)框圖圖5全方位移動(dòng)機(jī)器人實(shí)物圖
Fig.4.SpeechmoduleframeFig.5.Omnidirectionalmobilerobot

3.實(shí)驗(yàn)研究及分析

全方位移動(dòng)機(jī)器人的樣機(jī)如圖5所示。經(jīng)行駛試驗(yàn)，全方位移動(dòng)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)前、后、左、右、左前、右前、左后、右后、逆時(shí)針、順時(shí)針的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。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(jī)器人采用的電機(jī)為帶減速箱的減速電機(jī)，故其在小角度斜平面上可以自鎖停滯，也可以慢速移動(dòng)。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活平穩(wěn)，且運(yùn)動(dòng)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(jī)器人的體積與重量還有變化的空間。

4.總結(jié)

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