多自由度鋪軌道板機器人

李雪萊

研究目的和背景

承載高鐵列車的無砟軌道需使用預制的、一定規格的軌道板鋪設。這種軌道板的安裝精度要求非常高，1m范圍內誤差不能超過2mm。

一般說來，為了將一個物體從初始位置（對高鐵軌道鋪設，就是龍門吊放置的初始位置）精確放置到另外一個位置，有可能需要對物體作6個參數的調節，即要對x、y、z軸3個方向的位移和分別繞x、y、z軸的轉動等6個自由度進行調節，這就是我要制作六自由度機器人的緣由。我設計制作了多自由度鋪軌道板機器人，為工程建設中使用機械精確定位、安裝大型工件和設備提供了一種解決方案。

機械結構設計

總體設計

多自由度鋪軌道板機器人整體框架結構如圖1所示。框架采用不銹鋼型材制作，零件連接處采用螺栓連接。框架主要分為抓取部與走行部2大部分，工作時走行部的門架結構移動橫跨到被抓取物體上，抓取部抓取物體后在由門架結構寬度及高度形成的工作區域內調整物體的空間位置進行精確定位并安放。

整個方案的執行機構分為控制部、抓取部和走行部。其中控制部位于整個機器人的上部。

抓取部

抓取部負責完成對被抓取物體進行抓取、定位的工作，是本機構最主要的部分。抓取部主要分為六自由度轉臺和抓取架2部分。工作時抓取架用于抓取物體，六自由度轉臺由ARM控制板控制，可以對空間上的6個坐標準確地定位，對抓取物體的方向、位置進行定位調整，抓取部的結構如圖2所示。

定位部分采用6個電動推桿推動6自由度空間并聯機構。通過改變6自由度并聯機構6個電動推桿的長度，就能夠驅動被控對象到達指定的位置和姿態。

抓取部分負責抓取物體，同時也是六自由度轉臺的動平臺。其結構主要為抓取架，以及架四角安裝的4個可轉動的抓手，工作時抓手轉動至被抓取物體下方，六自由度轉臺（定位部）向上提起即完成抓取動作。抓取架用輕質鋁板制作，使用螺栓連接固定。

4個抓手分為前后2對，分別由1個舵機帶動抓手管完成轉動動作。電機由ARM控制板控制，能夠接收指令后精確地轉到固定角度，并不需要額外的限位開關。

走行部

走行部承載抓取、定位機構和被抓取物體的重量，在工作中提供穩固的支撐。走行部門架結構兩邊各安裝了1個履帶輪，每個鋁合金履帶輪都是由獨立電機驅動，2個大扭力碳刷全金屬齒輪電機牽引。在正式的抓取、定位工作前，機構在驅動輪的帶動下運行至被抓取物體的上方，左右兩邊的車輪橫跨在被抓取物體兩邊。驅動輪的直流電機在ARM控制板的控制下工作，可以對運行的距離和方向進行控制，以便機構在合理的位置對物體進行抓取。

控制系統設計

總體設計

整個抓取部和定位部是以1塊ARM控制板為核心，用它精確控制6個電動推桿、4個舵機和2個驅動輪電機。控制系統配置了無線傳輸攝像頭，上位機與ARM控制板通過RS232進行數據傳輸，同時顯示實時的圖像信息，整個系統通過AD/DC模塊將220 V交流電轉換成直流電給整個系統供電。

硬件系統設計

硬件系統結構如圖3所示。系統分為主控系統、定位部分控制系統、抓取部分控制系統、走行部分控制系統、無線傳輸系統和電源系統6部分。

主控系統采用ARM32位核心的控制板，它具有控制能力強、運算速率快、外設接口豐富等優點。能接收上位機的指令，協調同步定位和抓起系統的動作，使整個機械系統能夠良好地配合，形成一串完整流暢的控制動作，達到作業目的。

定位部分控制系統采用6個電動推桿推動六自由度平臺，在一定范圍內對被抓取物體作空間6自由度的位置調整及定位，所以對位置控制精確和同步都要求較高。故采用集成帶位置反饋的電動推桿，通過驅動器的采集和輸出，使每個電動推桿位置系統組成一個完整的位置閉環控制系統，達到較高的位置控制精度。為了使每個推桿保持同步，驅動器配置了RS485的接口，通過RS485總線采用MODBUS協議通信，ARM控制板通過總線依次快速給6個驅動器發出位置控制指令，使6個電動推桿的運動得到高度同步。

抓取部分控制系統通過4個舵機執行機構“抓起”軌道板。抓取放下時，每個舵機必須轉動一定的角度，舵機內部集成了小角度閉環控制系統，能達到很高的控制精度和輸出力矩。為了同步4個舵機動作時間和角度，控制系統采用RS232總線，能夠同時依次快速給每個串行驅動器下達轉角位置指令，達到“抓起”軌道板的目的，同理，當放下軌道板的時候，只要逆向轉動指定角度即可。

走行部分控制系統采用市場上較為成熟的小車控制系統，ARM控制板輸出PWM波，通過H橋直流電路驅動模塊驅動2個電機，通過改變電機正反轉達到行走和轉向的目的。

電源系統將220V交流電轉換為12V直流電，并通過電壓轉換模塊轉換為各個模塊需要的電壓。

軟件系統設計

在硬件設計的基礎上，選擇了以安卓系統為核心軟件的遙控器，可以實現行走控制、六自由度轉臺控制、抓取機構控制，整體結構簡潔、美觀、易于操作。

總結

多自由度鋪軌道板機器人模型實物如圖4所示。

該作品為工程建設中使用機械精確定位、安裝大型工件和設備提供了一種解決方案，創新地采用了六自由度空間并聯機構作為運動的主體，整個系統具有控制可行性好、控制精度高和控制靈活的特點，頗具實用性、趣味性和觀賞性。

該項目獲得第30屆全國青少年科技創新大賽創新成果競賽項目中學組工程學一等獎。

專家評語

該項目選題專業性較強，為工程實際中需要解決的問題。研究方案合理，研究過程正確，設計的六自由度并聯機構實現了對軌道板的位置移動，同時制作的模型現場演示效果較好。