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S124】多功能越障移动装置

图文展示3264(1)

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副标题

作品说明

作者:黄文欣 黄利强 谢泽河 吴梓贤

单位:厦门理工学院

指导老师:王平

      在这个工业智造、人工智能浪潮下,出现了越来越多的智能机械装置,为了设计出一款适应性极强的全地形移动装置,基于探索者创新套件设计平台,本项目通过自主构思和一系列设计调试设计出了一款以履带为主的多功能越障移动装置系统整体设计具备一定的实用性和美观。本移动机构主要由自主设计的履带式移动底盘、电机、电源、传感器和 Arduino程序等模块组成,通过这几大模块的组合作用实现通过指定障碍物的目的。此移动装置主体部分为履带式的移动底盘,本作品采用具有一定创新的履带式底盘、后置双电机驱动,这样通过障碍更加平稳,通过底盘前端履带上抬一定角度以通过具有一定高度的障碍,还有创新性的导轮以适应隧道等。通过Arduino设计的辅助作用的程序以确保更准确地通过障碍。设计过程中不断结合程序和机械底盘结构进行调试,以一定的机械原理知识设计安装机械结构软硬件相结合的方式安排设计程序和传感器、电机位置等,从而实现越过指定障碍的目的。

      关键词:越障;全地形;机械底盘;履带;Arduino

1. 引言

      在这个科技飞速发展的时代,多功能全自主全地形移动机械装置一直是人们热议的话题,这种类型的机械装置已经在社会发展中逐渐渗透到生活、工业等各方面,在人类社会各个领域发挥着一定的作用。大方面到美国NASA研制“好奇号”火星探测车,从整个着陆到机器人设计都充满了创意,代表了移动机器人发展的最高技术,受到了全世界的瞩目;小方面是京东智能自动的全地形无人送货机器人,物流仓库的自主移动搬运装置等。但在这个领域依旧存在各种各样的问题,主动越障机器人需要根据环境条件主动地调整结构来适应地形,因此需要具备良好的地形感知能力,并能够根据地形准确地进行运动控制,这就增加了机器人设计和控制难度。而被动跨越机器人的机构能够根据地形被动地进行自我结构调整来适应地形,不需要传感设备和太复杂的控制系统,降低了设计难度。越障小车作为典型的智能越障机器人,集合机械、电子控制、车辆工程等相关领域的研究,能够工作在险恶地形上,协助人类完成任务。目前现有的越障机器人按越障功能实现的原理主要分为腿式、履带式、轮式等几类,而后又衍生了诸如轮履式、轮腿式、铰接式等复合式行走机构。由于结构上的设计限制了越障的尺度,在稳定性和自我恢复性上不能很好地适应复杂的地形结构所以本项目研究力求在结构上创新来更好适应全地形的环境,并为这个领域--即越障移动装置提供更好的创新方案,以更好适应社会的创新发展。

2. 系统整体设计

      本项目设计的多功能越障移动底盘整个系统的设计分为机械结构设计、硬件设计、软件设计、整体系统的开发与调试。经过了信息收集、方案构思、方案实施、以及不断地测试调整,本作品最终确定以下方案:

      机械结构设计方面,我们采用履带式刚性底盘,并大胆创新结合导轮、张紧轮等辅助结构完善底盘设计,并且采取降低重心设计,增加稳定性,整个机械移动底盘设计为结合各方面资料自主创新的。

      硬件设计方面,使用的是双电机后轮驱动,电机为TT直流电机,然后应用双灰度传感器黑线循迹,电源为统一规格的电源,额定电压为7.4V。

      软件设计方面,使用Arduino编程模块进行程序的设计与调试。

      系统开发与调试方面,我们基于通过所有障碍、设计全地形越障移动底盘的目的对机械结构底盘和模块化的程序不断进行调试和优化,以期达到更好设计方案。

作品说明

多功能越障移动装置

2.1 机械结构设计

      本作品移动装置整体结构设计三维图如所示,整车结构以四轮小车为基础,运用履带轮移动,基本呈现对称结构,这样能够减少由结构上带来的通过障碍物时产生的误差,减少不必要的误差因素。同时整车设计轻巧便捷,为了能够尽可能平稳地通过障碍物,在设计时经过调试,适当地降低移动装置的重心。然后根据所给出的机械零件的大小和尺寸,合理地安排整车布局,使之能够主动通过所有障碍。

移动装置结构三维图

移动装置实物

2.2 硬件设计

      本作品所用的各零部件是统一的探索者创新套件,所以整个设计的重点在于结构设计而硬件设计是结构设计的基础。

      在硬件方面,本作品采用了两块5x7的孔平板和一块7x11的孔平板搭成底盘的主体部分,然后用机械手指、小轮片、支架、履带等零件组成移动底盘的机械结构控制器方面,用的是由Basra主控板和Bigfish扩展板组合而成的单片机模块,使用的是Arduino图形化程序电机方面,只采用两个额定电压为4.5伏的TT直流电机作为后轮驱动传感器方面,选用两个灰度传感器,在经过无数次距离与位置调试,将传感器安装在底盘中较为合适的位置。

2.3 软件设计

      在程序设计上,我们使用Arduino进行图形化程序设计。鉴于场地上有黑线,而障碍物要求摆放在黑线上,为了使移动装置能够直行通过障碍而不至于跑偏没有通过障碍,我们采用了双灰度传感器进行循迹,使其能够沿着黑线直行,因此本作品设计的程序以循迹为主。由于我们用的是Arduino程序设计,所以程序的主要流程图如下所示

程序流程图

程序源代码:

void stop();

void str();
void s();
void left();
void right();

void setup()
{
  pinMode( 17, INPUT);
  pinMode( 16, INPUT);
  pinMode( 10, OUTPUT);
  pinMode( 6, OUTPUT);
  pinMode( 5, OUTPUT);
  pinMode( 9, OUTPUT);
}

void loop()
{
  if (( !( digitalRead(16) ) && digitalRead(17) ))
  {
    stop();
    left();
    s();
  }
  if (( !( digitalRead(17) ) && digitalRead(16) ))
  {
    stop();
    right();
    s();
  }
  if (( !( digitalRead(16) ) && !( digitalRead(17) ) ))
  {
    str();
  }
  if (( digitalRead(16) && digitalRead(17) ))
  {
    str();
  }
}

void right()
{
  analogWrite(5 , 0);
  analogWrite(6 , 200);
  analogWrite(9 , 200);
  analogWrite(10 , 0);
  delay( 100 );
}

void stop()
{
  analogWrite(5 , 100);
  analogWrite(6 , 100);
  analogWrite(9 , 100);
  analogWrite(10 , 100);
  delay( 50 );
}

void s()
{
  analogWrite(5 , 236);
  analogWrite(6 , 0);
  analogWrite(9 , 200);
  analogWrite(10 , 0);
  delay( 100 );
}

void left()
{
  analogWrite(5 , 200);
  analogWrite(6 , 0);
  analogWrite(9 , 0);
  analogWrite(10 , 200);
  delay( 100 );
}

void str()
{
  analogWrite(5 , 236);
  analogWrite(6 , 0);
  analogWrite(9 , 200);
  analogWrite(10 , 0);
  delay( 100 );
}


2.4 系统开发与调试

      本项目设置的的十一个障碍物分别为栅格、减速带、小型阶梯、石型地块、方形管道、U型管道、防滑带、草地、大型阶梯、窄桥、高台,我们所有机械结构和程序都基于通过这十一个障碍物和设计一款全地形、适应性强的越障移动装置。因此整个系统的开发与调试根据障碍物大致可分为四类

      第一类包括栅格、减速带、石型地块、防滑带和草地。

      这类高度较小的障碍物,通过这类障碍物主要是要考究移动装置在不平路面行走问题,难度并不算大,只要调试好通过速度,使它能够平稳通过而不跑偏就行了。一开始使用四轮结构时,速度快,不好控制,并且容易在通过栅格等障碍物过程跑偏,为此,我们改用履带轮测试,以通过单个障碍物、多个障碍物组成的障碍物组的调试方法,调试后能够平稳顺畅通过。

      第二类是管道,包括方型管道和U型管道。

      通过管道由于难以用程序实现,而且大赛以机械设计为主,所以为了实现移动装置自主转向功能以通过管道,我们在车的四周安装了导向轮,从而改变车的运动轨迹。而方形管道,我们用一个外伸导轮实现自主转向,已通过管道。

      第三类为具有一定高度的阶梯和窄桥

      过此类障碍,要解决上下坡翻车和能够上坡的问题,为了通过此类障碍物,我们经过对结构的无数次调整,考虑各方面因素,决定将车前端履带借助机械结构上抬一定角度,然后改良底盘适应通过这类障碍。

      第四类为高难度的高台

      由于规则允许障碍分组通过,所以这个部分,我们用程序实现,借助窄桥或大型阶梯上去。

3. 结论

      本项目自主设计的这样一款全地形越障移动装置,运用了创新式导轮、张紧轮和自主设计的程序,在软件和硬件上,能够通过典型障碍,这些障碍能够代表生活中绝大部分的障碍,事实上在实际场景中,还要考虑电机功率、传感器灵敏度、外观设备等绝大部分的因素,来设计适应不同场合的移动装置,此次设计可为今后进一步设计创新研究做参考。

参考文献

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文集析出文章

论文

报纸析出文章

第十三届福建省大学生机械创新设计大赛题目9内容的通知
孙桓.机械原理[M].:高等教育出版社,2013.5
徐开军.刘飞龙.基于Arduino平台的多功能智能小车设计[J],2016

林佳纯.梁士儒.周小燕. 基于Arduino的智能越障小车设计[J],2017

苗庆龙.罗江涛等基于Arduino的智能越障小车设计[J],2018

韩捷.孙奇珍.曾文凡 履带机器人行走及越障能力分析研究[N].科技创新导报,2018


* 本项目未获得作者开源授权,无法提供资料下载

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