基于麥克納姆輪及碼垛原型的全并聯(lián)全向移動(dòng)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究

田兆豐+劉新海+王磊+胡威

摘 要：工業(yè)4.0的快速發(fā)展使得對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線上的自動(dòng)化操作設(shè)備的多功能性提出了更高要求，在保證生產(chǎn)效率及穩(wěn)定成本的基礎(chǔ)上增加原有設(shè)備的功能及部件成為了一個(gè)前景廣闊的研究方向。文章提出了一種將麥克納姆輪全向移動(dòng)平臺(tái)和碼垛機(jī)械手結(jié)合并拓展成全并聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，使用前人提供的運(yùn)動(dòng)控制算法作為理論依據(jù)，自主開(kāi)發(fā)了兩式部件配合工作的新型工業(yè)4.0現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備。

關(guān)鍵詞：麥克納姆輪；全向移動(dòng)；碼垛機(jī)械臂；聯(lián)合機(jī)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）05-0052-02

Abstract： With the rapid development of Industry 4.0， higher requirements are put forward for the versatility of automatic operation equipment on industrial fieldbus. It has become a promising research direction to increase the functions and components of the original equipment on the basis of ensuring the production efficiency and stable cost. In this paper， a design scheme which combines Mecanum Wheel omnidirectional mobile platform with palletizing manipulator and extends the whole parallel mechanism is proposed， and the motion control algorithm provided by previous researchers is used as the theoretical basis. A new type of Industry 4.0 Fieldbus equipment with two components working together has been developed independently.

Keywords： Mecanum Wheel； omnidirectional movement； palletizing manipulator； joint mechanical structure

1 概述

隨著AGV在智能制造工業(yè)4.0現(xiàn)場(chǎng)總線中的深化應(yīng)用和普及，對(duì)于現(xiàn)有AGV的導(dǎo)航循跡及自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)的完善，提供了一個(gè)開(kāi)闊的市場(chǎng)空間留給外部器件加載到AGV上的設(shè)計(jì)區(qū)域，這是工業(yè)4.0對(duì)于智能制造多功能設(shè)備的需求。在全向AGV領(lǐng)域，其中最基礎(chǔ)的部件全向移動(dòng)平臺(tái)使用麥克納姆輪的設(shè)計(jì)已經(jīng)在近十年內(nèi)得到業(yè)界的廣泛認(rèn)可，其穩(wěn)定性、可靠性及抗疲勞性已經(jīng)得到長(zhǎng)期實(shí)踐的改善，對(duì)于全向移動(dòng)平臺(tái)的功能開(kāi)始有了更大的追求。而另一常用部件碼垛機(jī)械臂作為一種典型的工業(yè)機(jī)器人，集成了計(jì)算機(jī)、人工智能、信息和傳感等多學(xué)科的知識(shí)，以其強(qiáng)大的柔性工作能力、高度智能化、小占地面積、可同時(shí)處理多品種物料等優(yōu)點(diǎn)，在包裝物流等工業(yè)領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文著重于兩者結(jié)合的聯(lián)合機(jī)構(gòu)研究。

已投入工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線中的麥克納姆輪全向移動(dòng)平臺(tái)以德國(guó)KUKA工業(yè)生產(chǎn)的KR10R900型為例，其設(shè)計(jì)采用長(zhǎng)方形框架包裹結(jié)構(gòu)，內(nèi)部鋼梁構(gòu)建，外鋪鋼板，使用分離式電氣線路模塊化整合安裝，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為伺服電機(jī)，主控采用PLC。

已投入工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的碼垛機(jī)器人以ABB的IRB460為例，整體材料為鑄鋼，由十個(gè)部分的主要機(jī)械零部件組裝而成，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中十個(gè)部件均有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，是一個(gè)較為復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，需要進(jìn)行一定的運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解計(jì)算得出其變換規(guī)律。主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由四個(gè)伺服電機(jī)構(gòu)成，可以看做是四軸的一種。

2 項(xiàng)目方案

本文所描述的聯(lián)合機(jī)構(gòu)研究采用一體化主控設(shè)計(jì)，使用基于STM32F1系列的32位單片機(jī)進(jìn)行多軸電機(jī)控制及運(yùn)動(dòng)算法研究，自主研發(fā)多軸工控主板及嵌入式系統(tǒng)。

基于麥克納姆輪的移動(dòng)平臺(tái)搭建，起始方案選用了厚度為3mm方形鋼板作為主要承重底盤(pán)，SolidWorks建模，AutoCAD出圖激光切割加工，最后噴塑做防銹耐磨處理。使用折彎工藝加工底盤(pán)搭配的4個(gè)電機(jī)座，電機(jī)選用24V帶編碼器和電機(jī)霍爾的工業(yè)用無(wú)刷電機(jī)，配30：1減速機(jī)，曲軸輸出連接聯(lián)軸器，聯(lián)軸器延長(zhǎng)鋼軸安裝Mecanum輪，邊緣設(shè)計(jì)抗震處理。

為了能有更多空間放置主控電氣柜、傳感器及機(jī)械臂，使用12根M6螺桿將一塊同樣3mm厚的激光切割鋼板架在底盤(pán)上，作為上頂板使用。基于方便拆裝修理考慮，所有上頂板與底盤(pán)的電氣連接都使用接插件，機(jī)械連接均用螺栓固定。

電源選用24V鉛酸蓄電池，連同充電電路及充電口一同固定在底盤(pán)上，并將24V直接通過(guò)接插件輸出給上頂板，這樣可分離式電源的好處是上下頂板隨時(shí)可以通過(guò)拔除電源接插件和螺栓來(lái)分離，便于拆裝搬運(yùn)和維修。

傳感器、主控制器、機(jī)械臂均安裝在上頂板上。由于碼垛機(jī)械臂本身機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，本文首先選用57步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的絲杠滑臺(tái)進(jìn)行上下擺動(dòng)測(cè)試力矩平衡和底盤(pán)承重性能。主控制器內(nèi)載4路無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（帶有靜態(tài)PID參數(shù)調(diào)節(jié)），2路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供絲杠滑臺(tái)使用，以及一塊自主研發(fā)的基于STM32F1的工控主板，并配有通用的外設(shè)模塊，帶有6軸控制單元及電源檢測(cè)等功能。同時(shí)與外界使用HC06藍(lán)牙模塊進(jìn)行自定義協(xié)議通信。

3 項(xiàng)目技術(shù)問(wèn)題解決

接下來(lái)的下地測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了諸多問(wèn)題，具有代表性的有三個(gè)問(wèn)題。第一，由于機(jī)械加工裝配以及抗震處理帶來(lái)的裝配誤差，再加上Mecanum輪本身的輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，導(dǎo)致移動(dòng)平臺(tái)無(wú)法完全按照既定的軌跡路線完成平面坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)；第二，工業(yè)通用的紅外測(cè)距傳感器探測(cè)距離有限，不能在環(huán)境復(fù)雜、障礙較多的場(chǎng)地內(nèi)穩(wěn)定工作；第三，絲杠滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于電機(jī)加速度產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的震動(dòng)直接傳遞到整臺(tái)機(jī)器，長(zhǎng)期的抖動(dòng)容易造成螺絲松動(dòng)和電子器件故障及線路短路，并影響相關(guān)傳感器的穩(wěn)定工作。endprint

針對(duì)以上三個(gè)代表性問(wèn)題，中期的方案提出了對(duì)應(yīng)的解決方法。

因?yàn)闄C(jī)械加工裝配的誤差導(dǎo)致的軌跡錯(cuò)位不可消除只能使用更加精準(zhǔn)的零部件加工方案，會(huì)增加該項(xiàng)目的測(cè)試成本，不宜采用。故將著眼點(diǎn)投放到對(duì)于行跡的航向校準(zhǔn)。這里借用了航模飛行器的陀螺儀原理，懸浮在空中的飛行棋存在三個(gè)歐拉角即俯仰角、翻滾角和航向角，對(duì)于行走在地面上的移動(dòng)平臺(tái)我們更加觀注的是它的航向角，即對(duì)地X軸和Y軸的偏移。所以在中期方案中，我們給控制板多加了一路型號(hào)為MPU6050的陀螺儀模塊，該模塊為六軸陀螺儀，配有加速度計(jì)、陀螺儀和片內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)模塊，集成在一塊十分小巧的PCB板上。該模塊采用I2C通信協(xié)議，通過(guò)主控芯片發(fā)給它的工作指令來(lái)完成工作。

該模塊配套的六軸陀螺儀航向測(cè)算算法經(jīng)過(guò)測(cè)試不能正常的對(duì)歐拉角進(jìn)行檢測(cè)，于是在這一塊領(lǐng)域耗費(fèi)了大量時(shí)間查找相應(yīng)的資料。根據(jù)能夠查找到的工程、代碼、論文以及參考文檔，我們?cè)贗MU（慣性測(cè)量裝置）算法上嘗試了Madgwick、Mahony、InvSense等的開(kāi)源項(xiàng)目，進(jìn)行ARHS姿態(tài)解算比較測(cè)試。InvSense的開(kāi)源代碼內(nèi)含過(guò)多復(fù)雜難以分辨其具體作用的函數(shù)，解析其運(yùn)行機(jī)制需要耗費(fèi)大量時(shí)間而且效果不佳；Mahony和Madgwick的項(xiàng)目工程代碼上沒(méi)有太多差異，關(guān)鍵在一些比較細(xì)節(jié)的算法處理上，Madgwick的實(shí)際測(cè)試效果要好很多，所以最終選用了Madgwick開(kāi)源在Github上的項(xiàng)目稍作重構(gòu)修改后移植到我們的主控制器中。

這里順帶提供一個(gè)比較有趣的快速逆平方根浮點(diǎn)算法，該算法來(lái)自于經(jīng)典游戲雷神之錘3。其中ImageBias為定義在頭文件中的一個(gè)神奇的數(shù)0x5f3759df。

得到相對(duì)應(yīng)的航向角度偏移后發(fā)現(xiàn)如果將該輸出數(shù)據(jù)建立一個(gè)時(shí)域模型，它將呈現(xiàn)出一個(gè)抖動(dòng)較大的時(shí)域曲線，采集數(shù)據(jù)使用Matlab進(jìn)行FFT分析得知數(shù)據(jù)本身存在許多高頻噪聲，推斷該噪聲大多來(lái)自于芯片內(nèi)部的問(wèn)題，外部不能完全解決，需要在程序接口處加入一個(gè)濾波算法。工控系統(tǒng)中常用的濾波算法有很多種，經(jīng)常提到的如Kalman濾波、互補(bǔ)濾波等。本項(xiàng)目所使用的機(jī)器視覺(jué)框架來(lái)自于開(kāi)源計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別處理庫(kù)OpenCV，該框架內(nèi)部在處理圖像算法時(shí)同樣采用了Kalman濾波，故在陀螺儀航向角數(shù)據(jù)輸出這一塊也使用可靠性較高的Kalman濾波算法。

Kalman濾波算法在很多資料中都以純數(shù)據(jù)模型的形式復(fù)述，但對(duì)于轉(zhuǎn)化為能讓計(jì)算機(jī)運(yùn)行的程序代碼，其項(xiàng)目數(shù)量在Github上繁多，不便一一測(cè)試其運(yùn)行效果，本文選用其中一到兩個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行比較重構(gòu)，總結(jié)出一套自使用的Kalman濾波算法代碼。

以上算法在項(xiàng)目實(shí)際進(jìn)展過(guò)程中均已封裝成庫(kù)，便于今后研究直接調(diào)用。

對(duì)于傳感器測(cè)距在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜的情形下無(wú)法穩(wěn)定工作的問(wèn)題，本文在實(shí)際測(cè)試多次后決定放棄測(cè)距循跡使用的紅外傳感器，全部改用工業(yè)攝像頭配合工控主機(jī)的基于OpenCV的機(jī)器視覺(jué)來(lái)完成運(yùn)行軌跡的計(jì)算，這樣整個(gè)環(huán)境探測(cè)的重心全部轉(zhuǎn)移到對(duì)于上位機(jī)圖像處理的部分中去，充分使用工控主機(jī)的運(yùn)行資源并減小控制器的代碼量，畢竟本文使用的主控芯片STM32F103RET6內(nèi)存資源有限，盡量把需要大型內(nèi)存完成的工作交給工控主機(jī)。

對(duì)于絲杠滑臺(tái)運(yùn)行時(shí)步進(jìn)電機(jī)在加減速過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)，本文采用了降低底盤(pán)高度和優(yōu)化步進(jìn)電機(jī)S形加減速驅(qū)動(dòng)程序的方法來(lái)解決。根據(jù)德國(guó)KUKA公司開(kāi)放的內(nèi)部資料，KR10R900型Mecanum全向移動(dòng)平臺(tái)本身底盤(pán)使用的就是加厚鋼板，并且對(duì)于Mecanum輪的制造工藝也有很高的水平。本文的加工工藝無(wú)法提升到國(guó)際大公司的水準(zhǔn)，只能在其他方面摸索來(lái)彌補(bǔ)工藝上的不足。在多次重構(gòu)優(yōu)化后整個(gè)系統(tǒng)逐步趨于穩(wěn)定。

本文的重復(fù)性測(cè)試過(guò)程采用一個(gè)機(jī)械抓手和泡沫塑料制成的20x20x20cm方塊。將方塊放置在A地區(qū)，目標(biāo)地點(diǎn)B地區(qū)，劃定范圍，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)引導(dǎo)用機(jī)械抓手拿起物塊不斷靠近B地區(qū)的指定范圍，并在每個(gè)周期后記錄偏差值。采樣多組數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，找出偏差活動(dòng)的規(guī)律，循環(huán)這一測(cè)試過(guò)程來(lái)完善機(jī)器的各個(gè)部分。

4 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試后能夠保證在實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線中穩(wěn)定工作。其中Mecanum輪的制造工藝、主控制器電機(jī)驅(qū)動(dòng)算法和機(jī)器視覺(jué)路徑規(guī)劃算法是核心部分，需要根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境來(lái)改進(jìn)參數(shù)。

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