服務機器人移動平臺的設計

重慶市第一中學校 李雙岑

服務機器人移動平臺的設計

重慶市第一中學校 李雙岑

針對服務機器人的工作環境，以功能和可靠性為設計目標，對服務機器人移動平臺進行了設計。在結構設計方面，設計了帶有懸掛裝置的從動輪，提高了移動平臺的穩定性；在傳感器布置方面，采用多種傳感器組合成傳感器網絡，增加了移動平臺的智能性；最后建立了移動平臺的動力學模型，并對設計方案進行了可行性分析。

移動平臺；結構設計；傳感器網絡；可行性分析

《中國制造2025》中強調將機器人作為未來重點發展的領域之一，提出要圍繞工業機器人和服務機器人兩大方向，積極研發新的產品，擴大機器人的應用市場。最近五年，服務機器人一直呈現出一種快速增長的趨勢。國際機器人聯合會給出的數據顯示：2013年，家用/個人服務機器人和專業服務機器人的全球銷量分別為400萬臺和2.1萬臺，同比增長28%和4%。未來幾年，隨著機器人技術獲得重大突破，機器人生產和維護成本大幅降低，服務機器人的發展將繼續快速增長[1]。

本文介紹了該移動平臺的機械結構設計，并建立了移動平臺的動力學模型，結合相關軟件對移動平臺進行了可行性分析[2-4]。

1.機器人移動平臺功能要求

本服務機器人移動平臺主要用于室內導游或會場迎賓，根據其實際的使用場所確定了其相關運動參數和功能。運動參數要求：正常行駛速度0.5m/s，最大行駛速度1m/s；最大加速度0.5m/s2；最小轉彎半徑0m；最大爬坡度10°；最大越障能力10mm，最小離地間隙20mm；最大承載能力50kg。機器人移動平臺運動功能要求：能夠在特定的環境下實現尋跡功能、目標識別功能和避障功能。

2.機器人移動平臺結構設計

在服務機器人中，輪式移動平臺具有比腿式機器人運動更快、更平穩，控制更簡單等優點；比履帶式機器人結構簡單、噪音小和振動小等優點。此外，輪式移動平臺具有更好的活動能力、效率高、便于拆裝和維護。根據本服務機器人移動平臺的應用場所和功能要求，輪式移動平臺是最佳選擇。機器人移動平臺的設計主要包括車輪方案、驅動電機、減速器、傳感器的確立；主、從動輪以及懸掛裝置的設計；移動平臺總體設計和可行性分析。

圖1 移動平臺車輪配置

2.1 移動平臺輪系配置

機器人輪式移動平臺常見的車輪配置有三輪配置和四輪配置。一般迎賓機器人的高寬比較大，機器人在行駛過程中容易摔倒，由于三輪配置的穩定性不如四輪配置，初步選定四輪配置的方案。考慮到移動平臺最小轉彎半徑為0m的要求，移動平臺車輪的布局如圖1所示：四個車輪呈十字型布置，中間是兩個對稱且同軸的獨立驅動輪，前后端各一個萬向從動輪。移動平臺尺寸參數：驅動輪距，從動輪距；驅動輪直徑，輪寬，滑動摩擦系數，滾動摩擦系數；從動輪直徑，輪寬，滑動摩擦系數，滾動摩擦系數。

2.2 驅動電機及減速器的確立

2.2.1 驅動電機功率計算

當移動平臺在坡道上行駛時需要克服：地面的滾動阻力Ff、空氣作用在移動平臺行駛方向上的空氣阻力Fw、重力沿坡道的分力即坡度阻力Fi以及加速阻力Fj。由于移動平臺是勻速行駛且速度極慢，故加速助力和空氣阻力均為零，其受力如圖2所示。所以移動平臺在坡道上的總驅動力為：。假設移動平臺的重力均勻分布在四個車輪上，①當坡度、移動速度時，滾動阻力；坡度阻力。根據以上三個式子可以得到：移動平臺在坡道上勻速行駛時的牽引力，每個電機所需要提供的功率。②當移動平臺以最大加速度0.5m/s在平路上行駛時，驅動力。其中滾動阻力；加速阻力。以此可以得出移動平臺在平路上以最大加速度行駛時的牽引力，每個電機所需要提供的功率。

圖2 移動平臺坡道受力圖

2.2.2 驅動電機力矩計算

通過上面的分析可以得出：平均功率輸出最大一般出現在爬坡工況中。下面將對移動平臺的轉向和越障工況中的力矩進行計算。

（1）轉向工況下力矩計算移動平臺在水平路面上轉向行駛時，機器人質心與驅動的距離，質心與萬向輪的距離；驅動輪作純滾動運動，其受到滾動阻力和垂直于輪面方向的靜摩擦力的作用；每個車輪所受的滾動阻力。如圖3（a）和（b）所示，左輪和右輪的驅動力分別表示為FL和Fr，R表示轉彎半徑，由此可以得到移動平臺力和力矩的平衡方程為：

用相關軟件可以繪出左右輪驅動力隨轉彎半徑變化的關系曲線，如圖4所示。通過以上分析，時所需驅動力最大，最大驅動力約為10N，驅動力矩：

圖3 移動平臺轉彎工況受力圖

圖4 驅動力變化曲線圖

（2）越障工況下力矩計算移動平臺在通過障礙物的受力如圖5所示，假設臺階高度為t，驅動輪驅動力矩為T2。其中：

驅動輪作用在從動輪上的力：

平臺在翻越障礙物的過程中，F1必須滿足：

用相關軟件可以繪出驅動輪驅動力矩T2隨障礙物高度t變化的關系曲線，如圖6所示。通過以上分析，當時，驅動力矩。

圖5 移動平臺越障是受力圖

圖6 驅動力矩隨障礙物高度變化圖

2.3 懸掛裝置的設計

移動平臺在行駛過程中有可能出現某一個輪子懸空的現象，這必然會影響到機器人的穩定性。為了防止上述現象的發生就必須使車輪能夠上下自動調整，由于驅動輪需要和減速器、電機等連接，為了簡化移動平臺結構，所以將懸掛裝置設計在從動輪上。設計的懸掛裝置機構圖如圖7所示，其自由度。懸掛裝置彈簧剛度系數和可壓縮量的選取直接關系到懸掛效果的好壞。下面對彈簧剛度系數的選取進行計算。

（1）移動平臺在水平路面上的受力分析

水平路面上移動平臺機構簡化模型如圖8所示，其中M表示機器人自身重量，NL、NR分別表示左右驅動輪所受的支持力，NF、ND分別表示前后從動輪所受的支持力，彈簧剛度K、初始變形量為X0。由力的平衡關系有：

（2）移動平臺在凹坑路面上的受力分析

凹坑路面移動平臺機構簡化模型如圖9所示，由力的平衡關系有：

假設從動輪相對于參考平衡點的壓縮行程為Ve1，伸展行程為Ve2。為了滿足最小法向支持要求彈簧剛度應滿足：

2.4 移動平臺總體設計

移動平臺用于支撐機器人本體，安裝各種傳感器及元器件，具有非常重要的作用。根據車輪的布置和尺寸要求。整體框架由方形鋼管焊接而成，鋼管與上面的平板連接。

傳感器是機器人感知外部環境的器官。根據移動平臺的使用場所，采用反射式的紅外傳感器安裝在移動平臺的前后方，實現尋跡功能；采用熱釋電傳感器安裝在移動平臺的前后方，實現對生命體的檢測；采用超聲波傳感器安裝在移動平臺的四周，實現避障功能。

3.機器人移動平臺可行性分析

在對移動平臺進行制造之前，需要對移動平臺的可行性進行分析，以此來判斷設計的移動平臺是否達到設計要求。虛擬樣機技術能夠對設計的產品進行仿真分析，并以此判斷產品的可行性。本文對移動平臺的越障工況和爬坡工況進行仿真分析，以此作為判斷移動平臺可行性的參考標準。

3.1 越障工況仿真分析

根據設計要求，將障礙物設為10mm高的臺階型障礙，仿真結果如圖13所示。從圖中可以看到移動平臺由靜止啟動到成功越過臺階的整個過程中，驅動力絕大部分是小于3200N.mm，峰值力矩也遠小于9600N.mm。在1.5-3秒區間內驅動力矩出現幾個峰值，分別對應前輪、驅動輪和后輪越障的瞬間，在此瞬間驅動力明顯增大，這說明仿真結果符合實際情況。

3.2 爬坡工況仿真分析

根據設計要求，對移動平臺的爬坡工況進行仿真分析，仿真結果如圖14所示。由圖可知，驅動力絕大部分是小于3200N. mm，只有在移動平臺前輪和后輪接觸坡道的瞬間驅動力矩產生了明顯的增加，此時驅動力矩增至堵轉力矩大小。

通過上面的分析可以得出：本研究所選擇的電機和減速器是合理的，設計的移動平臺是可行的。

4.結論

本研究根據服務機器人的應用場所，設計了一款具有尋跡，目標識別和避障功能的通用型移動平臺。該移動平臺能夠滿足最小轉彎半徑、正常行駛速度和最大爬坡度等要求。

[1]工信部裝備工業司.《中國制造2025》推動機器人發展[J].機器人技術與應用,2015(3):31-33.

[2]陳軍,陳振華,李素平,等.迎賓機器人輪式移動工作臺的設計與控制方法研究[J].機械制造,2009,47(11):24-26.

[3]許松清,吳海彬,楊興裕.兩輪驅動移動機器人的運動學研究[J].電子機械工程,2005,21(6):31-34.