基于Arduino控制的球形機器人

陳利標 鄭暖暖 蘇宗梓

（華南理工大學廣州學院，廣州510800）

1 方案設(shè)計

基于Arduino控制的球形機器人的實現(xiàn)方案如圖1所示，PS2通過無線連接（4G信號）將信號發(fā)送到球形機器人上的信號接收器，Arduino控制器接收信號接收器上的信號，處理信號并作出反應，控制直流減速電機的轉(zhuǎn)動，電機通過輪子與外殼之間的摩擦帶動外殼，實現(xiàn)機器人的移動，同時內(nèi)部驅(qū)動小車通過配重塊實現(xiàn)自平衡，達到平穩(wěn)狀態(tài)。

圖1 設(shè)計方案流程

圖2即是球形機器人的內(nèi)部驅(qū)動小車的結(jié)構(gòu)圖。圖2中，車子底部銀白色金屬就是配重塊。主要作用為調(diào)節(jié)驅(qū)動小車的重心，使小車能夠在輪子與外殼摩擦力的反作用力的作用下達到平衡的狀態(tài)，防止小車在內(nèi)部翻滾，帶動外殼。

圖2 球形機器人結(jié)構(gòu)圖

圖3就是球形機器人的外殼，這是一個外觀美化過的亞克力外殼。相比原裝的亞克力外殼更加美觀、耐磨，同時也更加具備神秘感。

圖4就是PS2遙控手柄，PS2手柄采用無線連接（4G），信號延遲較其他連接更低。

圖3 球形機器人的外殼

圖4 PS2遙控手柄

2 球形機器人各部分機構(gòu)介紹

（1）遙控部分：本設(shè)計采用PS2遙控手柄進行遙控。它的連接方式是無線連接。

（2）驅(qū)動部分：本設(shè)計采用負載扭矩為3.4的直流減速電機，驅(qū)動器采用L298N，只需要簡單輸出PWM就能控制直流減速電機的轉(zhuǎn)速。

（3）配重部分：在球形機器人內(nèi)，有一個配重結(jié)構(gòu)，發(fā)揮調(diào)節(jié)機器人重心的作用。它是本設(shè)計的一大亮點。當球形機器人內(nèi)部電機轉(zhuǎn)動的時候，在重力的作用下內(nèi)部小車不會傾斜，但是因為在電機作用下，內(nèi)部小車與球體相對轉(zhuǎn)動，所以當內(nèi)部小車在配重塊的作用下處于平衡狀態(tài)時，球體運動。

（4）支撐部分：驅(qū)動小車主要以驅(qū)動輪與四個牛眼輪作為支撐，能更加平穩(wěn)自如地在球體內(nèi)運動，減少摩擦損耗。

（5）控制器部分：本設(shè)計使用Arduino作為控制器，Arduino控制庫十分豐富，編程簡單方便，性能方面也滿足要求，性價比高。

（6）球殼部分：使用亞克球殼，耐磨不易碎，并使用美工膠進行美化。一是能增強球殼的耐磨性，減少外殼的損耗；二是更加美觀；三是增加機器人的神秘感。

（7）電池部分：使用12V鋰電池，這是因為鋰電池可以充電反復使用，而且相對蓄電池更加輕便與安全。另外，12V的鋰電池能直接給L298N驅(qū)動供電，不需要轉(zhuǎn)換電壓。另外，L298N模塊能轉(zhuǎn)換出5V電壓，給控制器供電，無需外接電壓轉(zhuǎn)換模塊。

3 選型

（1）電機：本設(shè)計采用負載扭矩為3.4的直流減速電機。原因是：相比步進電機，直流電機的速度更容易控制、扭矩足，同時也能節(jié)省很多空間，性價比相對較高。

（2）遙控器：本設(shè)計采用PS2遙控手柄，為4G無線連接。選擇PS2遙控手柄的原因是：相比藍牙等連接更加穩(wěn)定，延遲更低，控制效果更佳，遙控體驗更佳。

（3）控制器：本設(shè)計采用Arduino作為控制器。原因是：性能滿足要求，編程方便，性價比高。

（4）電池：本設(shè)計采用12V鋰電池。原因是：電機的額定電壓為12V，而鋰電池相比鉛蓄電池重量更輕、更安全。

4 基于Arduino控制的球形機器人控制要求

球形機器人能否根據(jù)PS2遙控手柄上的遙控做出相應的動作，這就取決于Arduino。

PS2遙控手柄上的芯片，能夠采集PS2手柄上按鍵或者遙感的變化，然后把數(shù)據(jù)通過無線連接，發(fā)送到連接在球形機器人內(nèi)部小車上的PS2接收器。Arduino再收集接收器上的數(shù)據(jù)，通過分析，并輸出高低電平和PWM脈沖控制L298N驅(qū)動器，再由L298N驅(qū)動器發(fā)出對應的電壓值控制直流減速電機運轉(zhuǎn)，再通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)實現(xiàn)球形機器人的運動。

5 結(jié)語

本論文主要介紹了總體方案的設(shè)計、球形機器人的機構(gòu)設(shè)計以及球形機器人的控制要求。球形機器人設(shè)計與實現(xiàn)的總體方案設(shè)計、機構(gòu)細節(jié)設(shè)計是做好研究的根本途徑。機構(gòu)硬件的選型也是重點，需要考慮到機構(gòu)的合理性和經(jīng)濟性，選定適當型號、尺寸和價格的硬件。

本設(shè)計的球形機器人的直徑尺寸為300mm，它一般用于娛樂、表演或者偵查上。而在原有的基礎(chǔ)上擴大球形機器人的尺寸，例如1000mm，能將其應用在受災區(qū)的貨物運輸上等，因為其能全方位移動，所以相比車輛運輸會更高效，同時也能保證安全。而如果將大尺寸的球形機器人應用于旅游行業(yè)，將給顧客提供一種更優(yōu)良的觀光體驗，也將大大減少動物園動物傷人事件。當然，球形機器人也有其他的作用。

開展基于Arduino控制的球形機器人的研究工作，首先要具備機電一體化相關(guān)的基礎(chǔ)知識，對各種機構(gòu)、控制電路、單片機編程等有深入的了解。特別是在調(diào)試階段，會遇到各種問題，要具備良好心態(tài)，才能發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，這是一個極具考驗的過程。其次要有一個善于思考、團結(jié)合作的團隊。在此過程中，會遇到各種意想不到的問題，可通過查找資料等方式解決。雖然球形機器人還存在很多缺點，但是未來會通過不斷努力使它更加完善。

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