面粉廠吸塵機(jī)器人方輪式全方位行走機(jī)構(gòu)及定位糾偏設(shè)計(jì)

李光玲 周宏雷 張周新

（1.江蘇省信息融合軟件工程技術(shù)研發(fā)中心，江蘇 江陰 214405；2.江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 江陰 214405）

面粉廠廠房內(nèi)小麥的輸送、破碎、磨研、篩分和包裝等生產(chǎn)環(huán)節(jié)都是產(chǎn)生粉塵的源頭，一方面工人長期工作在粉塵中會造成呼吸道方面的疾病；另一方面粉塵會給面粉廠安全埋下隱患。隨著科技的進(jìn)步，吸塵機(jī)器人將會越來越多地替代人工用于粉塵清掃。在此過程中，要求吸塵機(jī)器人既要實(shí)現(xiàn)粉塵的全面清掃，又要降低成本，提高效率，節(jié)約能耗，而實(shí)現(xiàn)這些要求的關(guān)鍵在于機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)。由此，設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)、高效、節(jié)能的吸塵機(jī)器人全方位行走機(jī)構(gòu)越來越迫切。

國內(nèi)外雖然對行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行了長期的研究，但是全方位［1］的行走機(jī)構(gòu)還僅局限于幾種固有的形式：Swedish輪［2，3］、連續(xù)切換輪［4，5］、正交輪、偏心方向輪、球輪［6］，上述幾種機(jī)構(gòu)的共性是結(jié)構(gòu)和驅(qū)動復(fù)雜，電機(jī)成本高，電機(jī)無用功輸出較多，在不平坦的場合使用時(shí)，自控能力差，目前大都處于摸索階段，尚未能廣泛地在生產(chǎn)中應(yīng)用。

本研究擬通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)輪子布局方式及方形輪子的配套組合等關(guān)鍵部件，進(jìn)一步提高吸塵機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的工作效率，降低成本；通過光電移動檢測傳感器解決吸塵機(jī)器人行進(jìn)過程中因廠區(qū)不平造成的路線偏離問題；通過海綿接觸型傳感器避免吸塵機(jī)器人行進(jìn)過程中與廠區(qū)內(nèi)隨意擺放的障礙物的碰撞問題，減小不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

1 傳統(tǒng)輪式機(jī)器人的不足

傳統(tǒng)的輪式機(jī)器人普遍采用左右輪驅(qū)動加上萬向輪輔助支撐的二自由度移動方式［7，8］，它在向左或右運(yùn)動時(shí)需有一個(gè)轉(zhuǎn)彎的過程，目前的輪式機(jī)器人一次轉(zhuǎn)彎相當(dāng)于它平均行走0.785（π/4）個(gè)輪間距。這種行走方式最大的缺點(diǎn)是耗時(shí)又耗能，且最困難的是難以在轉(zhuǎn)彎后與原方向保持垂直。

如圖1所示，假設(shè)機(jī)器人在行進(jìn)過程中遇到一垛斜向設(shè)置的墻，傳統(tǒng)的二自由度移動機(jī)構(gòu)所走的總長度為：

式中：

L——行走的總長度，cm；

L1——斜向墻在X方向的投影長度，cm；

L2——斜向墻在Y方向的投影長度，cm；

D——兩行走輪的輪間距，cm；

S——行走機(jī)構(gòu)的步進(jìn)距離或坐標(biāo)單位長度，cm。

圖1 某一垛斜向墻示意圖Figure 1 Schematic of a certain diagonal wall

假設(shè)機(jī)器人的移動速度為25cm/s，啟動到停止用時(shí)0.4s，每次轉(zhuǎn)過90°用時(shí)3s（轉(zhuǎn)彎速度不能太快，否則慣性對轉(zhuǎn)過的角度有較大的影響），則機(jī)器人在這個(gè)過程中所用的總時(shí)間約為105s，實(shí)際的有效行程僅為80cm，有效時(shí)間為3.2s。對于理想的全方位移動機(jī)構(gòu)就應(yīng)減少其中的轉(zhuǎn)彎過程，如果考慮機(jī)器人啟停時(shí)間，則所用的時(shí)間為15.2s。

由此可見，如果大功率機(jī)器人采用傳統(tǒng)移動方式會浪費(fèi)大量的電能，而且效率低。

2 方輪式全方位行走機(jī)構(gòu)

2.1 行走輪

行走機(jī)構(gòu)采用兩組軸線互相垂直的輪系，在排列方式上輪子共4列，呈長方形排列，同方向轉(zhuǎn)動的為一組；在輪子形狀上將傳統(tǒng)意義上圓形改成方形輪子，目的是利用它的長徑抬高車位使其在垂直方向的輪子被抬離地面而不成為阻礙。

行走輪的工作原理如圖2所示：當(dāng)行走機(jī)構(gòu)不動時(shí)，所有輪子由于慣性作用停留在一個(gè)平面上（即方輪的一條邊與地面接觸），也就是行走機(jī)構(gòu)的最低位置；當(dāng)一組輪子開始轉(zhuǎn)動時(shí)，整個(gè)機(jī)構(gòu)被漸漸抬離地面，另一組輪子也跟著被抬離地面，當(dāng)轉(zhuǎn)動的輪子轉(zhuǎn)過其最高位置后，靠整個(gè)機(jī)構(gòu)的重力慣性又回到它的最低位置（方輪的另一條邊）。如此重復(fù)，兩個(gè)電動機(jī)交差運(yùn)行，加上正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，機(jī)構(gòu)可隨時(shí)向前后左右作直線運(yùn)動。

圖2 行走輪工作原理Figure 2 Working principle of walking wheel

2.2 糾偏輪

為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，行走機(jī)構(gòu)增加糾偏輪，它是套裝在行走輪一側(cè)的輪軸上的單獨(dú)驅(qū)動（差動）的比行走輪略小的非圓形或圓形偏心輪上。如圖3所示，行走機(jī)構(gòu)的輪子轉(zhuǎn)動時(shí)，糾偏輪不轉(zhuǎn)；行走結(jié)構(gòu)不動時(shí)，糾偏輪可（正向或反向）轉(zhuǎn)動糾偏。如此行走機(jī)構(gòu)完全可以在前后、左右、轉(zhuǎn)向3個(gè)動作上任意轉(zhuǎn)換，并且轉(zhuǎn)換過程不需要多余時(shí)間和動作。

圖3 糾偏輪工作原理Figure 3 Working principle of correcting wheel

2.3 輔助行走輪

在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，多邊形輪子在邊長相等的情況下，邊數(shù)越多，跨越的高度越小；同形輪子為了提高跨越高度，只能增大輪子的尺寸，但相應(yīng)的步距也同比增加。在對步距精度要求高的場合，需對行走機(jī)構(gòu)做進(jìn)一步改進(jìn)：在每組輪子（行走輪）的輪軸上再增加一組非圓形輪，其長徑略大于多邊形輪子的短徑，且有獨(dú)立的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，在此稱它為輔助行走輪。其具體工作原理（圖4）為：當(dāng)行走輪轉(zhuǎn)動時(shí)，輔助行走輪不轉(zhuǎn)，行走機(jī)構(gòu)大步距移動；當(dāng)機(jī)器人需要小步距調(diào)整時(shí)，行走輪不轉(zhuǎn)，輔助行走輪轉(zhuǎn)動，將行走機(jī)構(gòu)略微抬升移動。

輔助行走輪類似于糾偏輪，但與糾偏輪的區(qū)別在于糾偏輪是空套在行走輪輪軸上的單側(cè)輪（也可以是各自獨(dú)立的雙側(cè)輪），而輔助行走輪則是對稱分布在行走輪輪軸上的同軸雙側(cè)輪；糾偏輪是可以只存在在前后輪或左右輪中的一組上（也可以兩組上都有），而輔助行走輪則是在前后驅(qū)動輪輪軸和左右驅(qū)動輪輪軸上都有。

圖4 輔助行走輪工作原理Figure 4 Working principle of auxiliary wheel

3 定位糾偏方案

3.1 多套光電傳感器配合

在實(shí)際使用中，吸塵機(jī)器人的工作空間會由于地表不平等因素在移動中都會偏離預(yù)計(jì)的路線。本設(shè)計(jì)利用新的移動平臺和多冗余度光電感知系統(tǒng)，并結(jié)合特征點(diǎn)匹配（比如充電座、比如障礙物的轉(zhuǎn)角）的軟件輔助定位方案，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，結(jié)合模糊控制算法［9］，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人定位糾偏的精度提高。

傳統(tǒng)移動機(jī)構(gòu)移動中位置變化相對穩(wěn)定的只有兩個(gè)驅(qū)動輪連線的中心位置，最多能搭載一套光電移動檢測傳感器，容易產(chǎn)生誤差。而本研究采用不需轉(zhuǎn)彎的行走機(jī)構(gòu)，因而可以在機(jī)器人底部4個(gè)角附近安裝4套光電移動檢測傳感器，機(jī)器人每移動一步，傳感器均能記錄其在橫向移動了多少、在縱向移動了多少。同時(shí)，可利用對光電傳感器的檢測，自動調(diào)整驅(qū)動行走輪、輔助行走輪、糾偏輪轉(zhuǎn)過固定角度所需要的脈沖寬度（PWM）?？晒┻x擇的移動檢測傳感器還包括超聲波、激光測距傳感器方案［10，11］。

3.2 海綿接觸型傳感器

面粉廠由于原料、貨物、人員流動性較大，造成廠房內(nèi)障礙物位置的隨意性增大，為避免吸塵機(jī)器人與工作空間內(nèi)的貨物、生產(chǎn)設(shè)備發(fā)生碰撞，造成不必要的損失，本研究設(shè)計(jì)了海綿接觸型傳感器。它是在吸塵機(jī)器人外殼上覆蓋一層有一定厚度的海綿，并在海綿下安裝薄膜式微動開關(guān)。當(dāng)安裝接觸傳感器的機(jī)器人遇到障礙物時(shí)，表面的海綿受壓，壓力迅速被海綿吸收并傳遞到反面的塑料薄膜式微動開關(guān)上，相當(dāng)于微動開關(guān)被直接壓下，這樣吸塵機(jī)器人便可感知某一方向上或某一部位遇到了障礙物。這種接觸型傳感器可利用海綿本身的張力固定在吸塵機(jī)器人表面所需安裝的部位，具有工藝簡單、安裝方便、重量輕、成本低等特點(diǎn)。

4 方輪行走機(jī)構(gòu)實(shí)例及性能分析

4.1 定位糾偏行走機(jī)構(gòu)實(shí)例

按照上述原理設(shè)計(jì)的8個(gè)方輪的全方位行走機(jī)構(gòu)［12，13］結(jié)構(gòu)圖見圖5。

圖5 八方輪行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Figure 5 Structure diagram of 8quartet-wheels walking mechanism

經(jīng)過變型設(shè)計(jì)，也可以設(shè)計(jì)成兩輪驅(qū)動的方輪行走機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)見圖6，實(shí)物見圖7。

4.2 性能分析

按照行走機(jī)構(gòu)的應(yīng)用需求，既可選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，也可選用直流電機(jī)［14］。若需實(shí)現(xiàn)控制精準(zhǔn)則選用步進(jìn)電機(jī)，但其成本高、驅(qū)動復(fù)雜、負(fù)載能力低；而采用普通直流電動機(jī)，則可降低成本、控制簡單、易于實(shí)現(xiàn)大功率驅(qū)動。

由于采用“雙向驅(qū)動”加上“凸輪糾偏”的設(shè)計(jì)，行走機(jī)構(gòu)完全可以使其在前后、左右移動和調(diào)整方向3個(gè)動作上任意轉(zhuǎn)換，不需要多余的時(shí)間和動作，遇到障礙時(shí)可以直接橫向移動實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，省略了原地轉(zhuǎn)向的動作，縮短了時(shí)間，提高了效率，節(jié)約了電能。

行走機(jī)構(gòu)部件模塊化、參數(shù)可調(diào)整、可重構(gòu)特點(diǎn)使其具有很大的靈活性。如可根據(jù)使用規(guī)模、地面環(huán)境，采用不同功率和不同電壓電機(jī)、不同長度和不同粗細(xì)輪軸、不同大小、不同形狀、厚度及材質(zhì)的行走輪、輔助行走輪和糾偏輪，得到適用的全方位行走機(jī)構(gòu)［8］。

5 結(jié)論

以此全方位行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的吸塵機(jī)器人不僅能實(shí)現(xiàn)粉塵的全面清掃，而且具有行走準(zhǔn)確，轉(zhuǎn)彎便捷，成本低、控制精確、高效節(jié)能、配置靈活等優(yōu)點(diǎn)；多套光電移動檢測傳感器和海綿接觸型傳感器配合，解決了機(jī)器人的移動控制和定位糾偏難題和與障礙物碰撞的難題。此全方位行走機(jī)構(gòu)不僅可應(yīng)用于面粉吸塵機(jī)器人，還可推廣應(yīng)用于自動地面打臘機(jī)、自動清掃機(jī)、自動拖地機(jī)、自動打磨拋光設(shè)備、自動割草機(jī)、掃雷機(jī)器人等裝置，具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖6 兩輪驅(qū)動的四方輪行走機(jī)構(gòu)圖Figure 6 Diagram of two-wheel driving for quartet-wheels walking mechanism

圖7 兩輪驅(qū)動的四方輪行走機(jī)構(gòu)實(shí)物Figure 7 Diagram of the practical omni-directional and correcting position for mobile robots

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