摘要：爬楼机器人是一种能适应多种参数楼梯及复杂障碍的移动式机器人。本设计通过轮组交替变换的方式实现机器人的爬楼功能，系统应用无线远程控制模式，采用PWM调速实现机器人的行进控制，通过步进电机驱动实现爬楼和越障功能。本文完成了对爬楼机器人的硬件系统和软件控制程序设计，并通过实物验证了设计方案的可行性和实用性。79899

毕业论文关键词：轮组机器人；爬楼控制；红外传感

1 爬楼机器人结构

现有轮式机器人具有较好的水平移动能力，但其越障性能较差，难以满足现场工作的复杂环境要求。为了使爬楼机器人能自主探知障碍，并调整运动状态，其硬件系统应包括以下功能模块：主控模块、驱动模块、障碍检测模块、电源模块等。爬楼机器人控制系统结构图如图1所示。本系统以STC89C52单片机为控制核心，通过红外传感器探测爬楼机器人周围有无障碍以及车体离障碍的距离等信息，经CPU处理后产生行进控制信号和爬楼控制信号，分别实现直流电机的行进PWM调速控制和步进电机的爬楼越障控制[1,2

图1爬楼机器人系统结构图

2 爬楼机器人的硬件设计

2。1系统结构设计

轮组式爬楼机器人的整体结构由两部份组成，包括位于机器人中问部位由两个轮组驱动的主车架，及轮组机构。主车架由一根车轴及辅助支撑部分组成。机器人的控制部分固定于主车轴四周的支撑机构上，移动时和主轴一起同步旋

转。轮组结构由两个双层的”Y”型铝制支架构成，三个等长的轮辐互成120o夹角，如图2所示。主轴和用于越障的步进电机分别位于固定于轮辐的交点的内外侧。车轮的传动部分位于各轮辐的端点处，由大减速比的直流电机直接驱动轮子运动。从而通过轮组的翻转与步进电机的配合实现机器人水平运动及爬楼动作。

图2轮组结构示意图

2。2控制电路设计

该电路采用STC89C52单片机作为控制芯片，各控制部分使用模块化的设计结构。为了提高整个系统的可靠性，其输入部分采用无线输入控制与键盘输入控制两种形式相结合的方式。

2。3电机驱动电路设计论文网

本机器人轮辐处使用直流减速电机，采用集成芯片L298来驱动左右两组直流减速电机。L298驱动电路原理图如图3所示。其中，控制器产生的两路PWM信号分别接于L298的ENA和ENB引脚，用于调节电机的转速。同时IN1、IN2、IN3、IN4端口是L298逻辑控制端口，通过IN1到IN4电平的高低不同控制OUT1、OUT2电机的动作。

为了增大机器人楼爬越障时的力矩，提高其图3直流电机驱动电路图越障的成功率。因此轮组轴心处采用步进电机实现爬楼及越障功能。所用步进电机为四相步进

电机，采用单极性直流电源供电。对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，使步进电机步进转动。通过控制驱动模块ULN2003芯片10～13引脚电平的高低变化，控制CON1输出端口的通电时序来实现步进电机正传、反转和转动角度。步进电机驱动器原理图如图4所示。

图4步进电机驱动电路图

2。4无线控制电路设计

2。5传感器电路

楼梯检测采用红外测距传感器模块，用以实现机器人自主检测障碍、翻越障碍的能力。红外测距模块利用红外对管发射与接收红外线，判断机器人与障碍物之间的间距，为机器人下一步的运动方式提供依据[3,4]。采用霍尔传感器可实现测速功能，将检测到的数据传送到单片机经校正算法处理后输出校正信号。为了减少传感器之间的相互干扰，传感器的打开与关闭用处理器控制，确保不出现两个以上传感器同时打开的情况，消除相互干扰。红外测距及测速电路接线图如图6所示。