李紅巖，侯媛彬(西安科技大學電氣與控制工程學院，陜西西安710054)

?

基于LPC2132的蛇形機器人前端執(zhí)行機構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計*

李紅巖，侯媛彬
(西安科技大學電氣與控制工程學院，陜西西安710054)

摘要:為了使蛇形機器人在不同地形環(huán)境下能更好地完成搜救任務(wù)，文中根據(jù)蛇形機器人的特點，從總體上設(shè)計了一種新型的前端執(zhí)行機構(gòu)。針對傳統(tǒng)的蛇形機器人頭部只有搜尋傳感器無執(zhí)行器的缺點，提出采用4自由度的正交機械臂作為前端執(zhí)行器的方法，并以ARM7－LPC2132為控制器、L298N為電機驅(qū)動模塊、液晶屏12864為人機交互界面搭建了系統(tǒng)的硬件平臺。通過無線路由器WR703n可將天敏S608攝像頭數(shù)據(jù)傳至上位機進行視頻監(jiān)控、上位機可通過NRF24L01無線數(shù)傳模塊對下位機進行實時控制、溫度測量、煙霧報警、機械臂除障等功能，從而可以進行復(fù)雜地形及位置領(lǐng)域的探測。系統(tǒng)程序軟件采用C語言及C#編寫。系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試，可以實現(xiàn)對障礙物的夾取和搬運等預(yù)定功能。無線遙控距離可以達到100 m，而且通信效果穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞:蛇形機器人;執(zhí)行機構(gòu); LPC2132;舵機; RF

0　引言

近年來，世界各地地震災(zāi)害頻發(fā)，它常常伴隨著地面的劇烈振動及地面裂縫。使得各類建筑物倒塌和損害，使得通信系統(tǒng)中斷。有毒有害氣體的泄漏，火災(zāi)的發(fā)生，瘟疫的發(fā)生，放射性物質(zhì)的泄漏等等諸多二次災(zāi)害造成了災(zāi)害現(xiàn)場各種的復(fù)雜地形。在人類歷史上，每次災(zāi)害都給帶來了巨大的損失，所以災(zāi)后的救援工作就顯得尤為重要，在位置狹小且二次災(zāi)害多發(fā)的搜救地點，就需要一個靈活的搜救設(shè)備，去采集現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，使知道現(xiàn)場的情況。蛇形機器人是近年來興起的仿生機器人分支之一。與傳統(tǒng)利用輪、腿或履帶移動的機器人不同，蛇形機器人可以模仿蛇的動作，通過身體的扭動和伸縮實現(xiàn)無肢運動，該運動方式具有穩(wěn)定性好、橫截面積小、柔性高等特點［1－2］。蛇形機器人在許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景:如在有輻射、有粉塵、有毒等戰(zhàn)場環(huán)境下，執(zhí)行偵察任務(wù);在地震、塌方及火災(zāi)后的廢墟中找尋傷員;在空間狹小和環(huán)境危險條件下探測和疏通管道等［3］。隨著科學技術(shù)的日新月異，科技的飛躍帶動了智能化的發(fā)展，蛇形機器人技術(shù)己經(jīng)受到越來越多的關(guān)注，蛇形機器人系統(tǒng)的研究己成為科學領(lǐng)域一個充滿活力、具有挑戰(zhàn)性的前沿發(fā)展方向。

蛇的爬行大致可分為4種方式［3－5］

1)蜿蜒運動。蛇體擺動近似于正弦波的規(guī)律，借助蛇的肌體接觸凸凹不平的地面所產(chǎn)生的反作用力前進;

2)伸縮運動。身體先收縮成樹立的S形，然后后部貼緊地面，前部向前伸出，接著前部再貼緊地面，后部收縮向前，如此循環(huán)完成向前移動;

3)側(cè)向運動。借助腹部和地面的摩擦力移動，蛇體從頭部開始，身體部分順次接地、抬起，借助腹部與地面之間的摩擦力完成側(cè)向運動;

4)直線運動。蛇體靠腹部和地面的摩擦力移動，當腹部與地面固定時提供牽引力，連接肋骨和彈性皮膚的肌肉提供推動力，皮膚相對骨骼移動，反復(fù)實現(xiàn)運動。

蛇形搜救機器人正是利用了蛇的運動特點，可以適應(yīng)各種復(fù)雜的地形，尤其是地震、礦井的災(zāi)害后的環(huán)境，它們具有障礙物多、地形狹窄、空間環(huán)境危險、容易產(chǎn)生易燃氣體等危險因素，蛇形機器人可以靈活的應(yīng)對這些環(huán)境，完成搜救任務(wù)，為搜救工作節(jié)約了寶貴的時間［6］。

1　蛇形機器人前端執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)的總體設(shè)計

蛇形機器人前端執(zhí)行機構(gòu)是以WR703n和LPC2132為核心。硬件電路由電源模塊、無線路由模塊、攝像頭模塊、機械臂模塊、煙霧報警模塊、液晶顯示模塊和上位機模塊組成。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　蛇形機器人前端執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)框圖Fig．1 Snake robot actuator front-end system diagram

電源模塊采用了ACE聚合物鋰電池組。它的額定輸出電壓為11. 1 V，額定容量為2 200 mA時，30C持續(xù)放電，采用平衡充電方式，充電電流為0. 5到1 A．經(jīng)過LM7805穩(wěn)壓芯片輸出5 V電壓，可以實現(xiàn)LPC2132最小系統(tǒng)、L298N模塊、MQ2煙霧傳感器模塊等外設(shè)的供電。對于機械臂上的4路舵機，由于其驅(qū)動電壓需要達到7. 4 V，故采用LM7808穩(wěn)壓后進行供電。而對于無線路由模塊WR703n來說，為了防止外設(shè)會對該模塊的干擾，保障其工作的穩(wěn)定性，采用獨立的5 V電源對其供電，這樣也可以保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

控制部分是通過LPC2132和上位機來實現(xiàn)的，控制器通過對L298N模塊的控制來實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)蛇形機器人的前進、后退、翻轉(zhuǎn)等動作;使用DS18B20傳感器來檢測周圍環(huán)境溫度，使用MQ2傳感器來檢測機器人所處環(huán)境的煙霧濃度，傳感器的數(shù)值在12864液晶屏上實時顯示。LPC2132與路由器之間使用串行數(shù)據(jù)傳輸，將路由器與上位機使用wifi進行連接，可以實現(xiàn)上位機對下位機的控制。

無線路由模塊主要作用是控制蛇形機器人執(zhí)行機構(gòu)的動作以及視頻傳輸。本次設(shè)計使用的無線路由器型號為TL－WR703n，703n路由器有3種工作的模式，分別為AP(無線AP)模式、3G Router(3G路由)模式和Wireless Router(無線路由)模式，這里主要使用無線路由模式。通過刷固件的方法對無線路由器進行改造，引出RXD，TXD 和GND接到LPC2132控制器，通過無線網(wǎng)絡(luò)連接電腦。天敏S608網(wǎng)絡(luò)攝像頭通過USB與無線路由器相連，所采集的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過無線路由器發(fā)送至上位機實現(xiàn)視頻的實時監(jiān)控功能［13］。

上位機模塊是使用C#語言進行編寫。上位機除了接收無線路由發(fā)回的視頻信號外，還可以將控制信號經(jīng)由無線路由器發(fā)至下位機來控制蛇形機器人的各種動作。

2　系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2. 1核心控制器與系統(tǒng)電源

控制器采用LPC2132開發(fā)板。LPC2132是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32位ARM7TDMI－STM CPU的微控制器，并帶有128kB的嵌入的高速Flash存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。多個32位定時器、1個10位8路ADC，2個32位定時器/外部事件計數(shù)器、PWM通道和47個GPIO以及多達9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制和醫(yī)療系統(tǒng)．為了保證續(xù)航能力，系統(tǒng)供電部分采用鋰聚合物航模電池，使用穩(wěn)壓模塊LM7805和AS1117分別給無線路由和主控芯片進行供電［7－9］。

2. 2執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計及控制方法

這里設(shè)計的機械臂4自由度的，機械臂模塊主要有舵機及控制板組成，搭配一對NRF204L01無線發(fā)射和接收模塊，可以實現(xiàn)舵機的遠程控制。由于無線模塊的控制距離最高可達100 m，可以不用靠近機器人就能實現(xiàn)機械臂的控制操作。

舵機是一種位置(角度)伺服的驅(qū)動器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。目前在高檔遙控玩具，如航模，包括飛機模型，潛艇模型;遙控機器人中已經(jīng)使用得比較普遍。舵機是一種俗稱，其實是一種伺服馬達。舵機的控制一般需要一個20 ms左右的時基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0. 5～2. 5 ms范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分。

本次設(shè)計中使用的舵機為輝盛SG90舵機，此舵機的特點為體積小，質(zhì)量僅為9 g，扭矩大。其主要參數(shù)如下

1)工作扭矩: 1. 6 kg/cm;

2)反應(yīng)轉(zhuǎn)速: 0. 12到0. 13 s/60°;

3)使用溫度:－30℃到60℃;

4)死區(qū)設(shè)定: 5 ms;

5)轉(zhuǎn)動角度:最大180°;

6)工作電壓: 3. 5到6 V．

輝盛SG90舵機信號控制圖如圖2所示。4自由度機械臂模塊實物圖如圖3所示。

圖2　SG90舵機信號控制圖Fig．2　SG90 servo control chart

圖3　4自由度機械臂模塊實物圖Fig．3 4 degree of freedom mechanical arm

通過舵機控制板來對機械臂模塊的舵機進行控制，使用電位器以精確控制舵機角度，從而達到理想的使用效果。

2. 3直流電機驅(qū)動電路

給蛇形機器人前端提供動力的是直流減速電機，這里使用L298N對其進行驅(qū)動［10］。L298N芯片的驅(qū)動電壓為5 V到35 V，邏輯工作電壓直流5 V，邏輯工作電流為0到36 mA，驅(qū)動電流最大單橋為2 A，存儲溫度為－20℃到+ 135℃，最大功率為25 W．本設(shè)計驅(qū)動電路如圖4所示，其中二極管為續(xù)流二極管，電容為濾波電容。當L298N使能端為低電平時，運轉(zhuǎn)狀態(tài)為停止。以下情況為當使能端為高電平時:輸入端1為高電平，輸入端2為低電平，電機運轉(zhuǎn)狀態(tài)正轉(zhuǎn);輸入端1為低電平，輸入端2為高電平，電機運轉(zhuǎn)狀態(tài)反轉(zhuǎn);輸入端1為高電平，輸入端2為高電平;電機運轉(zhuǎn)狀態(tài)剎停。輸入端1為低電平，輸入端2為低電平，電機運轉(zhuǎn)狀態(tài)停止。L298N驅(qū)動電路原理圖如圖4所示。

圖4　L298N驅(qū)動電路原理圖Fig．4 Schematic diagram of L298N driver circuit

圖5　NRF24L01無線模塊原理圖Fig．5 Schematic diagram of NRF24L01 wireless module

2. 4無線數(shù)傳電路

舵機的控制使用了無線模塊進行遠程遙控，無線模塊使用了NRF24L01無線模塊一對，無線模塊在空曠地帶實測控制距離100 m．工作電壓在1. 9 V到3. 6 V之間，傳輸速率為54 mbps，因為在空中傳輸?shù)乃俾史浅５亩?，所以有效的避免了無線傳輸中的碰撞現(xiàn)象，支持多頻點工作，共含有125個頻點，能夠滿足多點通信的需要和跳頻通信的需要［11］。模塊小巧內(nèi)置2. 4 GHz天線。為了減小電流消耗，當工作在應(yīng)答模式時，啟動時間縮小，在空間快速傳播，這樣就降低了電流的消耗。NRF24L01內(nèi)部集成了所有與RF協(xié)議相關(guān)部分的高速信號處理部分。NRF24L01無線模塊電路原理圖如圖5所示。

除此之外，還設(shè)計了可以檢測可燃氣體和煙霧的MQ2傳感器模塊電路，以及可以檢測溫度的ds18b20數(shù)字溫度傳感器電路［12－13］。

3　控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)下位機程序主要使用C語言編寫，在Keil uVision4開發(fā)環(huán)境下編譯調(diào)試完成。

各個功能模塊的程序由主程序和若干子程序組成，主程序包括GPIO口的定義初始化和顯示器配置程序。系統(tǒng)程序主要由電機驅(qū)動子程序、按鍵掃描子程序、顯示子程序等構(gòu)成。主程序流程圖如圖6所示。

上位機部分采用C#語言進行編寫［14－15］，通過Visual Studio(以下簡稱VS)軟件進行調(diào)試。上位機界面如圖7所示。

圖6　系統(tǒng)的主程序流程圖Fig．6 Main program flowchart of the system

圖7　上位機界面顯示圖Fig．7 Upper computer interface display

4　結(jié)論

文中主要完成了蛇形機器人前端執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計與制作。系統(tǒng)硬件部分主要完成了機械臂設(shè)計、電源模塊、直流電機驅(qū)動模塊、舵機驅(qū)動模塊、傳感器模塊、無線傳輸模塊及顯示模塊的設(shè)計制作。系統(tǒng)軟件部分以實現(xiàn)系統(tǒng)功能為目的，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計。本系統(tǒng)實現(xiàn)了預(yù)期計劃的功能，能夠良好地實現(xiàn)周邊環(huán)境的監(jiān)測，對障礙物的抓取及清理，無線控制距離能夠達到100 m，而且穩(wěn)定可靠。該執(zhí)行機構(gòu)的控制算法簡單，成本較低，速度調(diào)節(jié)簡單方便，舵機電機運行穩(wěn)定，追隨性能好，程序具有一定的通用性。

參考文獻References

［1］李斌．蛇形機器人的研究及在災(zāi)難救援中的應(yīng)用［J］．機器人技術(shù)與應(yīng)用，2003(3) : 22－26. LI Bin．Research and application of snake like robot in disaster rescue［J］．Robot Technique and Application，2003(3) : 22－26.

［2］Dowwling K．Limbless locomotion: learning to crawlwith a snake robot［D］．Robotics Institute: CarnegieMellon University，1997.

［3］陳麗，王越超，李斌．蛇形機器人研究現(xiàn)況與進展［J］．機器人，2002(6) : 559－563. CHEN Li，WANG Yue-chao，LI Bin．A study on the current situation and progress of snake robot［J］．Robot，2002(6) : 559－563.

［4］李紅巖，高陽東．基于LPC2131的RF遙控智能小車的設(shè)計［J］．自動化與儀表，2012(12) : 10－13. LI Hong-yan，GAO Yang-dong．Design of remote intelligent vehicle RF based on LPC2131［J］．Automation and Instrumentation，2012(12) : 10－13.

［5］李紅巖，高陽東．基于LPC2131的RF遙控多關(guān)節(jié)蛇形機器人［J］．自動化與儀表，2014(6) : 1－4. LI Hong-yan，GAO Yang-dong．RF remote control multi joint snake robot based on LPC2131［J］．Automation and Instrumentation，2014(6) : 1－4.

［6］白云．煤礦救援蛇形機器人環(huán)境建模方法研究［J］．西安科技大學學報，2014，34(4) : 485－489. BAI Yun．Study on coal mine rescue robot environment modeling method［J］．Journal of Xi’an University of Science and Technology，2014，34(4) : 485－489.

［7］周立功．ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程［M］．北京:北京航空航天大學出版社，2005. ZHOU Li-gong．ARM based embedded system tutorial ［M］．Beijing: Beihang University Press，2005．

［8］朱圣領(lǐng)．一種新型蛇形機器人的運動規(guī)劃研究［J］．機械設(shè)計與研究，2004，20(5) : 23－25. ZHU Sheng-ling．Study on motion planning of a new kind of snake robot［J］．Machine Design and Research，2004，20(5) : 23－25.

［9］溫乃寧，龔尚福．基于ARM的礦用溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)研究［J］．西安科技大學學報，2013，33(4) : 455－459. WEN Nai-ning，GONG Shang-fu．Research on temperature and humidity monitoring system of mine based on ARM［J］．Journal of Xi’an University of Science andTechnology，2013，33(4) : 455－459.

［10］樊榮，侯媛彬，張軼斌，等．基于專家系統(tǒng)隨機逼近的激光傳感器的溫度補償研究［J］．西安科技大學學報，2015，35(4) : 492－497. FAN Rong，HOU Yuan-bin，ZHANG Yi-bin，et al．Temperature compensation of laser sensor based on stochastic approximation of expert system［J］．Journal of Xi’an University of Science and Technology，2015，35(4) : 492 －497.

［11］馮育長，雷思孝，馬金強．單片機系統(tǒng)設(shè)計與實例分析［M］．西安:西安電子科技大學出版社，2007．FENG Yu-chang，LEI Si-xiao，MA Jin-qiang．Design and analysis of single chip microcomputer system．［M］．Xi’an: Xi’an Electronic and Science University Press，2007．

［12］姜杰．煤礦機器設(shè)備的可靠性研究［J］．西安科技大學學報，2014，34(1) : 75－80. JIANG Jie．Reliability research of the coal mine machinery and equipment［J］．Journal of Xi’an University of Science and Technology，2014，34(1) : 75－80.

［13］來望銀．視頻監(jiān)控系統(tǒng)在火災(zāi)報警中的應(yīng)用［J］．西安科技大學學報，2013，33(4) : 400－403. LAI Wang-yin．Application of video surveillance system in fire alarm system［J］．Journal of Xi’an University of Science and Technology，2013，33(4) : 400－403.

［14］汪洋，李斌，陳麗，等．蛇形機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］．機器人，2003(6) : 491－494，500. WANG Yang，LI Bin，CHEN Li，et al．Design and implementation of robot control system［J］．Robot，2003(6) : 491－494，500.

［15］Masashi S，Masakazu F，Tetsuya I．Serpentine locomotion with robotic snakes［J］．IEEE Control Systems Magazine，2002，22(1) :64－81.

《西安科技大學學報》獲“中國科技論文在線優(yōu)秀期刊”一等獎

2015年底，教育部科技發(fā)展中心公布了“中國科技論文在線優(yōu)秀期刊”暨“中國科技論文在線科技期刊優(yōu)秀組織單位”評選結(jié)果。評選出“中國科技論文在線優(yōu)秀期刊”一等獎111項，二等獎183項;評選出“中國科技論文在線科技期刊優(yōu)秀組織單位”64個。其中，《西安科技大學學報》獲“中國科技論文在線優(yōu)秀期刊”一等獎，同時，西安科技大學獲“中國科技論文在線科技期刊優(yōu)秀組織單位”殊榮。

Design of snake-like robot front end actuator and control system based on LPC2132

LI Hong-yan，HOU yuan-bin
(College of Electrical and Control Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China)

Abstract:In order to make the snake-like robot can better perform search and rescue missions in different terrain environment，according to the characteristics of the snake-like robot，a new front end actuator was designed．According to the faults of traditional snake-like robot head only has sensor without actuator，the method of 4 degree of freedom is proposed as the front end effector，the hardware platform is built with ARM7-LPC2132 as the controller，L298N as the motor driving module and LCD screen 12864 as the man-machine interface．Through a wireless router WR703n Mortimer S608 camera data can be transferred to the host machine．By the wireless data transmission module the host machine can real-time control the lower machine，temperature measurement，smoke alarm，mechanical arm in addition to the barrier，which can perform complex terrain and device field detection．The program is written by C and C# language．After debugging，the function of the clamping and handling of the obstacle etc．can be achieved．The wireless remote control distance can reach 100 meters，and the communication effect is stable and reliable．

Key words:snake robot; actuator; LPC2132; servo; RF

通訊作者:李紅巖(1980－)，男，山東東阿人，高級工程師，E-mail: lihongyan@ xust．edu．cn

基金項目:國家級大學生創(chuàng)新項目(201410704032)

*收稿日期:2015－09－18責任編輯:高佳

DOI:10．13800/j．cnki．xakjdxxb．2016．0218

文章編號:1672－9315(2016) 02－0265－06

中圖分類號:TP 242

文獻標識碼:B