基于3D打印技术的双轮自平衡机器人创新实验平台

杨 亮, 李文生, 傅 瑜

( 电子科技大学 中山学院, 广东 中山 528402 )

基于3D打印技术的双轮自平衡机器人创新实验平台

杨 亮, 李文生, 傅 瑜

( 电子科技大学 中山学院, 广东 中山 528402 )

设计了一种基于3D打印技术的双轮自平衡机器人创新实验平台,采用OpenSCAD开源建模软件设计机器人的机械结构,并通过3D打印技术打印机器人各零部件；该机器人由2个步进电机驱动,采用双闭环控制结构控制左右轮速度实现机器人的平衡控制与速度控制,具有鲁棒性好、可扩展性强的优点；机器人上配置有WiFi网络接入模块,可通过TCP协议与上位机控制系统通信,能够自如实现前进、后退、转向等功能。实践表明该创新实验平台具有结构简单、组装方便、趣味性强的优点,能有效改善实验教学效果。

自平衡机器人； 3D打印； 速度控制； 创新实验

随着互联网热潮和3D打印技术[1-4]、微控制器等开源硬件平台日益成熟,创客教育[5-7](maker education)正掀起一股席卷全球的教育变革浪潮,培养大学生的创新实践能力已成为当前我国高等教育教学改革的核心目标之一[1]。如何将“做中学”的教学思想融入高等教育创新实验体系已成为当前高等教育中需要重点解决的问题之一。与此同时,双轮自平衡机器人[8-11]是移动机器人领域极具应用前景与趣味性的研究性课题,涉及机械、自动控制、电子应用技术、通信等诸多学科。双轮自平衡机器人因其结构简单、实用价值高的特点,目前已被开发成一种交通工具,广泛应用于机场服务、安防、高尔夫球场等场合,具有良好的应用前景与研究价值。

借助双轮自平衡机器人兼具实用性与趣味性的优点,本文设计了一种基于3D打印技术的双轮自平衡机器人创新实验平台,采用OpenSCAD开源建模软件完成机器人的机械结构设计,并采用双闭环控制结构实现机器人平衡控制及速度控制,具有结构简单、组装方便、趣味性强的优点。

1 总体设计方案

双轮自平衡机器人采用2个步进电机分别控制左右轮速度实现自平衡及转向功能,该创新实验平台由机器人本体及上位机控制软件2部分组成。其中,机器人本体设计包括机械结构设计、硬件控制电路设计、控制算法优化。

为降低生产成本、满足高校创新实验需求,该双轮自平衡机器人的机械结构部分除必要的步进电机、螺丝、电池外,其他部分均采用3D打印技术制作完成。在硬件电路方面,选取锂电池作为供电电源,以微处理Atmega32u4为核心,根据陀罗仪及加速度传感器检测到的机器人倾角及角速度信息,输出两路PWM波控制左右轮的速度实现自平衡控制及转向控制。其实物图见图1。

图1 双轮自平衡机器人实物图

2 自平衡机器人机械结构及硬件设计

2.1 机械结构设计

为适应实验教学需要,采用最简化的机械结构设计。机器人的机械结构由上顶板、侧栏、硬件支撑板、车轮、底板等部分组成,各部件具体规格见表1。

表1 部件规格

采用开源3D建模软件OpenSCAD进行机械结构设计。与其他建模软件不同,OpenSCAD提供了一系列的API,在设计过程中通过编写代码调用API的方式生成最终的机械设计图,这种设计方式非常适用于对精度要求较高的场合,其设计界面见图2。

图2 基于OpenSCAD的机械结构设计界面图

该双轮自平衡机器人采用步进电机作为动力驱动部件,通过底板、硬件支撑板及侧栏构成的固定支架进行固定,硬件控制电路板和锂电池通过螺丝及胶带固定在硬件支撑板及侧栏上,其机械结构示意图见图3。

图3 双轮自平衡机器人机械结构示意图

机械结构的简化不仅降低了成本,而且降低了组装难度,非常适合应用于高校创新实验教学中。

2.2 硬件方案设计

硬件电路是整个控制系统的基石,所有系统功能的实现都需要一个稳定的硬件电路平台。该双轮自平衡机器人硬件控制电路包含Atmega32u4微处理器、传感器模块、WiFi网络通信模块、电机驱动模块及供电模块等部分,其硬件电路示意框图见图4。

图4 双轮平衡机器人硬件原理框图

作为整个系统的核心,Atmega32u4处理器通过IIC总线与传感器相连,每隔5 ms采集一次机器人姿态角度及角加速度信息,根据当前状态计算出期望的左右轮速度,并输出两路PWM，通过电机驱动模块驱动电机实现机器人的自平衡及转向控制。特别地,WiFi网络通信模块选用ESP8266通信模块,该模块内置TCP/IP协议栈,与微处理器通过串口连接,可无缝实现串口与WiFi之间的转换,使用方便。

在电机驱动[12]方面,采用A4988芯片驱动步进电机,该驱动模块在步进模式下,输出驱动能力高达35 V和2 A,其具体接口电路如图5所示。

图5 步进电机驱动器接口电路

该电机驱动模块使用方便,微控制器通过2个I/O口与电机驱动模块A4988相连,输出脉冲即可控制步进电机的方向和步进距,大大降低了软件编程的复杂性。

3 双轮自平衡机器人控制系统设计

3.1 控制系统框图

双轮自平衡机器人通过左右轮的转动保持身体的平衡。将机器人看成一个控制对象,该动力学模型相当于倒立摆模型,它的输入量就是2个步进电机的转速,最终的输出有2个目标：达到期望的运动速度以及保持运动过程中的动态平衡。

图6 双闭环控制框图

在完成平衡控制及速度控制后,机器人的方向控制相对简单,在收到转向指令后,按指令给定的方向及速度与左右轮转速分别进行加减运算,完成左右轮的差速运行,进而实现转向控制功能。

3.2 上位机控制软件设计

为实现远程控制机器人以及方便调试,设计了上位机控制软件。该软件采用具有良好跨平台特性的QT[15-16]框架实现,具有远程控制机器人、查询机器人状态信息等功能,其控制界面如图7所示。

图7 上位机控制软件主界面

上位机软件通常安装在PC机或工作站上,通过WiFi网络与双轮机器人通信,机器人在开机后自动进入站立状态,并自动连接上位机软件,采用TCP通信协议。在界面上可实时查询到机器人左右轮转速及倾角信息。

4 系统测试

运动过程中保持平衡是双轮自平衡机器人最基础、也是最重要的功能。为验证本文所提设计方案的有效性,分别测试了机器人在非负重及负重情况下的自平衡性能。

首先将机器人置于平整桌面之上,开机初始化后保持站立状态,如图8(a)所示；使用上位机软件发出全速前进指令,接到指令后,机器人驱动左右轮全速前进,如图8(b)和(c)所示,由图可看出,为获得尽可能大的加速度,机器人身体前倾,倾角明显增大；下发停止指令后,机器人降低左右轮转速,并减小身体倾斜角度,如图8(d)所示。

图8 机器人在运动过程中身体倾角的变化

为测试机器人在负重情况下的自平衡及转向能力,在机器人上放置了装满饮料的塑料瓶,并完成直行、转向等动作,如图9所示。实验表明,负重情况下,该自平衡机器人可较好完成启动、起先、转向等动作。

图9 负重场景下的双轮自平衡控制

5 结语

双轮自平衡机器人具有结构简单、趣味性强的特点,涉及电子、自动化、计算机、机械等诸多学科。本文提出的双轮自平衡机器人创新实验平台采用OpenSCAD开源建模软件设计机器人的机械结构,并通过3D打印技术制作机器人的各零部件,具有成本低、易于组装的优点。在教学实践方面,该创新实验平台目前已应用于本校学科竞赛及“嵌入式Linux应用开发”等课程的综合课程实训中。试用结果表明,该创新实验平台完全满足“做中学”的实验教学改革需求,能有效激发学生的学习热情,并为顺利开展大学生创新实践提供有力保障。

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

广东省教育科学研究项目(2015GXJK178); 广东省自然科学基金项目(2016A030313018)；广东省创新强校工程项目“嵌入式技术及物联网方向”;广东省教学质量与教学改革项目；电子科技大学质量工程项目(精品资源共享课ZYGX2016)；中山市科技计划项目(2016A1028,2016A1011)

杨亮(1980—),男,江西婺源,博士,副教授，研究方向为智能机器人系统与技术.

E-mail：alex_yangliang@foxmail.com

TP242；G484

A

1002-4956(2017)07-0076-04