基于3D打印技術的雙輪自平衡機器人創新實驗平臺

楊 亮, 李文生, 傅 瑜

( 電子科技大學 中山學院, 廣東 中山 528402 )

基于3D打印技術的雙輪自平衡機器人創新實驗平臺

楊 亮, 李文生, 傅 瑜

( 電子科技大學 中山學院, 廣東 中山 528402 )

設計了一種基于3D打印技術的雙輪自平衡機器人創新實驗平臺,采用OpenSCAD開源建模軟件設計機器人的機械結構,并通過3D打印技術打印機器人各零部件；該機器人由2個步進電機驅動,采用雙閉環控制結構控制左右輪速度實現機器人的平衡控制與速度控制,具有魯棒性好、可擴展性強的優點；機器人上配置有WiFi網絡接入模塊,可通過TCP協議與上位機控制系統通信,能夠自如實現前進、后退、轉向等功能。實踐表明該創新實驗平臺具有結構簡單、組裝方便、趣味性強的優點,能有效改善實驗教學效果。

自平衡機器人； 3D打印； 速度控制； 創新實驗

隨著互聯網熱潮和3D打印技術[1-4]、微控制器等開源硬件平臺日益成熟,創客教育[5-7](maker education)正掀起一股席卷全球的教育變革浪潮,培養大學生的創新實踐能力已成為當前我國高等教育教學改革的核心目標之一[1]。如何將“做中學”的教學思想融入高等教育創新實驗體系已成為當前高等教育中需要重點解決的問題之一。與此同時,雙輪自平衡機器人[8-11]是移動機器人領域極具應用前景與趣味性的研究性課題,涉及機械、自動控制、電子應用技術、通信等諸多學科。雙輪自平衡機器人因其結構簡單、實用價值高的特點,目前已被開發成一種交通工具,廣泛應用于機場服務、安防、高爾夫球場等場合,具有良好的應用前景與研究價值。

借助雙輪自平衡機器人兼具實用性與趣味性的優點,本文設計了一種基于3D打印技術的雙輪自平衡機器人創新實驗平臺,采用OpenSCAD開源建模軟件完成機器人的機械結構設計,并采用雙閉環控制結構實現機器人平衡控制及速度控制,具有結構簡單、組裝方便、趣味性強的優點。

1 總體設計方案

雙輪自平衡機器人采用2個步進電機分別控制左右輪速度實現自平衡及轉向功能,該創新實驗平臺由機器人本體及上位機控制軟件2部分組成。其中,機器人本體設計包括機械結構設計、硬件控制電路設計、控制算法優化。

為降低生產成本、滿足高校創新實驗需求,該雙輪自平衡機器人的機械結構部分除必要的步進電機、螺絲、電池外,其他部分均采用3D打印技術制作完成。在硬件電路方面,選取鋰電池作為供電電源,以微處理Atmega32u4為核心,根據陀羅儀及加速度傳感器檢測到的機器人傾角及角速度信息,輸出兩路PWM波控制左右輪的速度實現自平衡控制及轉向控制。其實物圖見圖1。

圖1 雙輪自平衡機器人實物圖

2 自平衡機器人機械結構及硬件設計

2.1 機械結構設計

為適應實驗教學需要,采用最簡化的機械結構設計。機器人的機械結構由上頂板、側欄、硬件支撐板、車輪、底板等部分組成,各部件具體規格見表1。

表1 部件規格

采用開源3D建模軟件OpenSCAD進行機械結構設計。與其他建模軟件不同,OpenSCAD提供了一系列的API,在設計過程中通過編寫代碼調用API的方式生成最終的機械設計圖,這種設計方式非常適用于對精度要求較高的場合,其設計界面見圖2。

圖2 基于OpenSCAD的機械結構設計界面圖

該雙輪自平衡機器人采用步進電機作為動力驅動部件,通過底板、硬件支撐板及側欄構成的固定支架進行固定,硬件控制電路板和鋰電池通過螺絲及膠帶固定在硬件支撐板及側欄上,其機械結構示意圖見圖3。

圖3 雙輪自平衡機器人機械結構示意圖

機械結構的簡化不僅降低了成本,而且降低了組裝難度,非常適合應用于高校創新實驗教學中。

2.2 硬件方案設計

硬件電路是整個控制系統的基石,所有系統功能的實現都需要一個穩定的硬件電路平臺。該雙輪自平衡機器人硬件控制電路包含Atmega32u4微處理器、傳感器模塊、WiFi網絡通信模塊、電機驅動模塊及供電模塊等部分,其硬件電路示意框圖見圖4。

圖4 雙輪平衡機器人硬件原理框圖

作為整個系統的核心,Atmega32u4處理器通過IIC總線與傳感器相連,每隔5 ms采集一次機器人姿態角度及角加速度信息,根據當前狀態計算出期望的左右輪速度,并輸出兩路PWM，通過電機驅動模塊驅動電機實現機器人的自平衡及轉向控制。特別地,WiFi網絡通信模塊選用ESP8266通信模塊,該模塊內置TCP/IP協議棧,與微處理器通過串口連接,可無縫實現串口與WiFi之間的轉換,使用方便。

在電機驅動[12]方面,采用A4988芯片驅動步進電機,該驅動模塊在步進模式下,輸出驅動能力高達35 V和2 A,其具體接口電路如圖5所示。

圖5 步進電機驅動器接口電路

該電機驅動模塊使用方便,微控制器通過2個I/O口與電機驅動模塊A4988相連,輸出脈沖即可控制步進電機的方向和步進距,大大降低了軟件編程的復雜性。

3 雙輪自平衡機器人控制系統設計

3.1 控制系統框圖

雙輪自平衡機器人通過左右輪的轉動保持身體的平衡。將機器人看成一個控制對象,該動力學模型相當于倒立擺模型,它的輸入量就是2個步進電機的轉速,最終的輸出有2個目標：達到期望的運動速度以及保持運動過程中的動態平衡。

圖6 雙閉環控制框圖

在完成平衡控制及速度控制后,機器人的方向控制相對簡單,在收到轉向指令后,按指令給定的方向及速度與左右輪轉速分別進行加減運算,完成左右輪的差速運行,進而實現轉向控制功能。

3.2 上位機控制軟件設計

為實現遠程控制機器人以及方便調試,設計了上位機控制軟件。該軟件采用具有良好跨平臺特性的QT[15-16]框架實現,具有遠程控制機器人、查詢機器人狀態信息等功能,其控制界面如圖7所示。

圖7 上位機控制軟件主界面

上位機軟件通常安裝在PC機或工作站上,通過WiFi網絡與雙輪機器人通信,機器人在開機后自動進入站立狀態,并自動連接上位機軟件,采用TCP通信協議。在界面上可實時查詢到機器人左右輪轉速及傾角信息。

4 系統測試

運動過程中保持平衡是雙輪自平衡機器人最基礎、也是最重要的功能。為驗證本文所提設計方案的有效性,分別測試了機器人在非負重及負重情況下的自平衡性能。

首先將機器人置于平整桌面之上,開機初始化后保持站立狀態,如圖8(a)所示；使用上位機軟件發出全速前進指令,接到指令后,機器人驅動左右輪全速前進,如圖8(b)和(c)所示,由圖可看出,為獲得盡可能大的加速度,機器人身體前傾,傾角明顯增大；下發停止指令后,機器人降低左右輪轉速,并減小身體傾斜角度,如圖8(d)所示。

圖8 機器人在運動過程中身體傾角的變化

為測試機器人在負重情況下的自平衡及轉向能力,在機器人上放置了裝滿飲料的塑料瓶,并完成直行、轉向等動作,如圖9所示。實驗表明,負重情況下,該自平衡機器人可較好完成啟動、起先、轉向等動作。

圖9 負重場景下的雙輪自平衡控制

5 結語

雙輪自平衡機器人具有結構簡單、趣味性強的特點,涉及電子、自動化、計算機、機械等諸多學科。本文提出的雙輪自平衡機器人創新實驗平臺采用OpenSCAD開源建模軟件設計機器人的機械結構,并通過3D打印技術制作機器人的各零部件,具有成本低、易于組裝的優點。在教學實踐方面,該創新實驗平臺目前已應用于本校學科競賽及“嵌入式Linux應用開發”等課程的綜合課程實訓中。試用結果表明,該創新實驗平臺完全滿足“做中學”的實驗教學改革需求,能有效激發學生的學習熱情,并為順利開展大學生創新實踐提供有力保障。

References)

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Innovative experimental platform for two-wheel self-balancing robot based on 3D printing technology

Yang Liang, Li Wensheng, Fu Yu

(Zhongshan Institute,University of Electronic Science and Technology of China,Zhongshan 528402,China)

The innovative experimental platform for the two-wheel self-balancing robot based on 3D printing technology is designed. By adopting the open-source software of OpenSCAD,the mechanical structure of the robot is designed. Subsequently,all parts of the robot are printed by 3D printing technology,which has the advantages of the simple structure and easy assembly. The robot is driven by two stepping motors,and adopts the double closed loop control structure to control the speed of the left wheel and the right wheel,realizing the balance control and speed control of the robot,and having the advantages of good robustness and expandability. The robot equipped with WiFi network access module can communicate with the host computer through the TCP protocol and can realize the functions of advancing,retreating and steering freely. The practice shows that this innovative experimental platform has the advantages of simple structure,convenient assembly and strong interest and can improve the effect of experimental teaching.

self-balancing robot; 3D printing; speed control; innovative experiment

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.021

2017-01-23

2017-03-17

廣東省教育科學研究項目(2015GXJK178); 廣東省自然科學基金項目(2016A030313018)；廣東省創新強校工程項目“嵌入式技術及物聯網方向”;廣東省教學質量與教學改革項目；電子科技大學質量工程項目(精品資源共享課ZYGX2016)；中山市科技計劃項目(2016A1028,2016A1011)

楊亮(1980—),男,江西婺源,博士,副教授，研究方向為智能機器人系統與技術.

E-mail：alex_yangliang@foxmail.com

TP242；G484

A

1002-4956(2017)07-0076-04