摘要：本文在“遠(yuǎn)程腦”概念的基礎(chǔ)上，提出了“遠(yuǎn)程小腦”的概念，以此設(shè)計(jì)了基于Zigbee技術(shù)的全方位移動(dòng)機(jī)器人，詳細(xì)給出了機(jī)器人的各個(gè)功能模塊的硬件實(shí)現(xiàn)方案，并進(jìn)行了深入的分析和論證。 關(guān)鍵詞：全方位移動(dòng)機(jī)器人；遠(yuǎn)程腦;Zigbee技術(shù)； 麥卡納姆輪 [align=center]Design of Omni-directional Mobile Robot Body Based on Zigbee Technology Ding ru1, Zheng tong1，2, Zhao li1 （1.Automation Engineering Department, Tianjin University of Technology and Education, Tianjin 300222, China;State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments, Tianjin University, Tianjin 300072, China） 丁茹1， 鄭桐1，2，趙麗1 （1.天津工程師范學(xué)院自動(dòng)化工程系，天津 300222；2.天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300072）[/align] Abstract: The conception of remote- cerebellum based on remote-brained conception is present in this paper. According to it, the Omni-directional mobile robot based on Zigbee Technology is designed. And the hardware design scheme of each function module in the robot is introduced in detail. This paper also analyzes and demonstrates the realization scheme. Keywords: Omni-directional mobile robot; Remote-brained ;Zigbee Technology; Mecanum wheel 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，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、語音模塊等。 [align=center] 圖1 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)框圖 Fig.1. The configuration diagram of the robot body[/align] 2.1 無線通訊模塊 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(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無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CCA引腳狀態(tài)可以得到空閑信道估計(jì)。通過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。 [align=center] 圖2 單片機(jī)與CC2420的接口電路 Fig.2 Interface of MCU and CC2420[/align] 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（Mecanum wheels）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。 [align=center] 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[/align] 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，位姿檢測裝置實(shí)時(shí)檢測動(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)器人小腦通過無線傳輸模塊通知遠(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。 [align=center]表1 所用傳感器的有效距離 Table1. Efficiency distance of used sensor [/align] 2.5 語音模塊 從人性化設(shè)計(jì)方面考慮，本設(shè)計(jì)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(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，通過語言模塊發(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)器人語音模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。 [align=center] 圖4語音模塊結(jié)構(gòu)框圖 圖5 全方位移動(dòng)機(jī)器人實(shí)物圖 Fig.4. Speech module frame Fig.5. Omnidirectional mobile robot[/align] 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。 參考文獻(xiàn) [1] MASAYUKI INABA. Remote-brained humumanoid project [J]. Advanced Robotics, 1997, 11（6）:605-620. [2] JAMES J. Dynamically-Stable Motion Planning for Humanoid Robots [J]. Autonomous Robots, 2002, 12: 105-118. 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