一種新型的三輪全向移動(dòng)攀爬機(jī)器人設(shè)計(jì)

王江華， 趙 燕

(1.華北科技學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，河北 三河 065201；2.燕京理工學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 三河 065201)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)不斷更新，可以說(shuō)機(jī)器人是人類進(jìn)一步探索自然的工具。因?yàn)闄C(jī)器人具有長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作、適用環(huán)境能力強(qiáng)、工作效率高等眾多優(yōu)良特性，所以機(jī)器人替代或取代人類，完成某項(xiàng)工作已逐漸成為趨勢(shì)[1]。本文通過(guò)構(gòu)建一個(gè)模擬的工作環(huán)境，使機(jī)器人完成一系列的任務(wù)動(dòng)作。從機(jī)器人停放點(diǎn)出發(fā)到達(dá)地面放置扇葉的位置，將扇葉拿起后按照地面的標(biāo)志線自主移動(dòng)行進(jìn)，攜帶扇葉移動(dòng)至需要攀爬的風(fēng)機(jī)立柱下方，之后通過(guò)兩主一從方式攀爬至立柱頂端將扇葉安裝至立柱頂端的風(fēng)機(jī)上。

1 總體方案

機(jī)器人在地面移動(dòng)部分采用三輪全向驅(qū)動(dòng)方式[2-3]；攀爬部分采用兩主一從的電動(dòng)機(jī)分布驅(qū)動(dòng)方式；機(jī)器人的高空作業(yè)安裝扇葉部分采用機(jī)械手完成。整個(gè)全向移動(dòng)機(jī)器人的控制由電控與氣控兩部分組成。直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分采用橋式驅(qū)動(dòng)電路，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的平滑調(diào)節(jié)。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分則通過(guò)機(jī)身攜帶的4個(gè)2 L的塑料瓶?jī)?chǔ)存氣源[4]，為整機(jī)的氣動(dòng)控制提供能量。路徑的自主識(shí)別部分采用可見(jiàn)光反射式檢測(cè)方式。

2 驅(qū)動(dòng)方案的選擇

按照本設(shè)計(jì)的任務(wù)要求，本設(shè)計(jì)需要具有地面移動(dòng)能力、立柱攀爬能力、扇葉的抓取與安裝能力。故方案設(shè)計(jì)大體分為地面移動(dòng)方式的設(shè)計(jì)、攀爬方式的設(shè)計(jì)、風(fēng)扇的抓取與安裝方式的設(shè)計(jì)。

2.1 地面移動(dòng)方式的選擇

(1) 輪式移動(dòng)機(jī)器人。輪式移動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的機(jī)器人具有比較高的移動(dòng)速度。但是相對(duì)來(lái)說(shuō)，這種移動(dòng)機(jī)構(gòu)也有它的缺點(diǎn)，就是對(duì)于路面的條件要求過(guò)高，在比較柔軟的地面很難保證其正常行進(jìn)[5]。

(2) 履帶式移動(dòng)機(jī)器人。履帶式機(jī)器人經(jīng)常工作在野外環(huán)境中，常用來(lái)應(yīng)對(duì)復(fù)雜的地理環(huán)境。機(jī)器人的主體是兩條可以產(chǎn)生形變的履帶，主要依靠?jī)蓚€(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)進(jìn)行前進(jìn)和后退。履帶式機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性能好，可以在原地360°旋轉(zhuǎn)來(lái)完成不同方向的行進(jìn)，不易打滑，但是履帶式機(jī)器人的行進(jìn)速度過(guò)于緩慢。

考慮到本設(shè)計(jì)應(yīng)用在特定環(huán)境下地面條件較好，所以輪式機(jī)器人比較適合。為了使輪式機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎上面更加靈活，本設(shè)計(jì)采用了3個(gè)全向輪相差120°的底盤安裝方式。

2.2 攀爬方式的選擇

攀爬物體的結(jié)構(gòu)方式無(wú)非以下兩種：①利用機(jī)械結(jié)構(gòu)變形抓住或者鎖住被攀爬物體；②利用磁力、黏性或者抽真空等方式讓機(jī)器人吸附在被攀爬物體的表面。

(1) 采用兩個(gè)夾手利用機(jī)械形變交替夾住支柱。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是可以大幅度加大攀爬機(jī)器人攜帶物體的能力。但是機(jī)械結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，攀爬速度相對(duì)較慢，攀爬效率很難保證。

(2) 采用貼合立柱的橡膠輪從立柱兩側(cè)將立柱夾緊，并通過(guò)橡膠的轉(zhuǎn)動(dòng)提供上升動(dòng)力[6]。采用這種方式進(jìn)行攀爬，既可以保證攀爬的效率，又可以提高機(jī)器人的載重能力。但是采用這種方式需要解決一個(gè)問(wèn)題：就是需要保證橡膠輪與立柱之間具有足夠的摩擦力[7]。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)與分析得出：方式(2)的可行性較高。如圖1所示方式，平時(shí)行進(jìn)狀態(tài)，動(dòng)力輪1、2處于水平右側(cè)，當(dāng)行動(dòng)至需要攀爬的立柱下方時(shí)，兩個(gè)動(dòng)力輪同時(shí)水平向左移動(dòng)，與輔助輪共同將立柱鎖緊，利用機(jī)器人自身的重力使動(dòng)力輪與立柱充分接觸增加摩擦力，動(dòng)力輪1與動(dòng)力輪2開(kāi)始旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生上升力。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 風(fēng)扇的抓取與安裝方式

本設(shè)計(jì)的作業(yè)機(jī)械部分模擬地是一個(gè)特定作業(yè)完成測(cè)試，機(jī)器人的工作任務(wù)就是拿取與安裝扇葉。按照設(shè)計(jì)目的在機(jī)器人的機(jī)身上安裝了一個(gè)可以上下移動(dòng)的Z軸平臺(tái)，夾取風(fēng)扇的機(jī)械手就安裝在這個(gè)平臺(tái)之上。風(fēng)扇夾取裝置采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)同步輪和同步帶的方式作為X軸，在同步帶的連接處固定了一對(duì)夾取扇葉的機(jī)械手。

3 控制系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1.1核心控制部分

核心控制部分是整個(gè)機(jī)器人控制電路的主體部分，負(fù)責(zé)機(jī)器人的所有控制任務(wù)。該系統(tǒng)以STM32F103為核心控制器[8]，并將驅(qū)動(dòng)部分、各種檢測(cè)電路、檢測(cè)接口、模式選擇開(kāi)關(guān)、OLED屏幕顯示接口以及必要的調(diào)試硬件集成在了一起，系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制框圖

3.1.2傳感器部分

傳感器部分包括了機(jī)器人某些關(guān)節(jié)部分的限位開(kāi)關(guān)、地面移動(dòng)輪的速度采集和地面移動(dòng)部分的路線跟蹤電路。

(1) 限位開(kāi)關(guān)。用于控制舵機(jī)和電子調(diào)速器等，實(shí)現(xiàn)攀爬過(guò)程中的位置檢測(cè)、作業(yè)機(jī)械部分的動(dòng)作檢測(cè)等。

(2) 測(cè)速及鑒向。本設(shè)計(jì)的3個(gè)地面動(dòng)力輪使用的是直流電動(dòng)機(jī)，且每個(gè)電動(dòng)機(jī)均安裝了光電編碼器。光電編碼器輸出兩個(gè)相位互差90°的脈沖波形，通過(guò)這個(gè)關(guān)系能夠判斷電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

(3) 地面線路跟蹤。地面線路跟蹤采用可見(jiàn)光反射式檢測(cè)方式，利用地面不同顏色所反射光的不同原理來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1.3遙控器部分

為了方便靈活地控制機(jī)器人移動(dòng)，采用搖桿電位器作為控制量的輸入方式，主要由兩個(gè)電位器組成，每個(gè)電位器分別檢測(cè)搖桿在X和Y軸方向的偏移量，通過(guò)AD轉(zhuǎn)化就可實(shí)現(xiàn)線性控制量的輸入。以RS-485來(lái)完成手持遙控器與全向移動(dòng)機(jī)器人的數(shù)據(jù)信息傳遞與控制[9]。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.2.1核心控制單元

在核心控制單元的程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先需要搭建串口、PWM、AD轉(zhuǎn)換、脈沖輸入捕捉、開(kāi)關(guān)量檢測(cè)、開(kāi)關(guān)量輸入輸出等驅(qū)動(dòng)層的程序模塊，然后按照各部分功能選擇相應(yīng)算法，完成直流電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制、機(jī)器人各部分的協(xié)調(diào)控制、地面自動(dòng)循跡等控制任務(wù)，以及與人機(jī)交互部分的通信任務(wù)。

3.2.2攀爬機(jī)器人地面運(yùn)動(dòng)模型建立

在機(jī)器人的相對(duì)坐標(biāo)中，以全向移動(dòng)機(jī)器人中心為參考點(diǎn)，vx、vy分別為機(jī)器人坐標(biāo)系速度的分解;v1、v2、v3為3個(gè)輪子的切向速度，則機(jī)器人坐標(biāo)和參考坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為[10]：

(1)

由式(1)可得，機(jī)器人與參考坐標(biāo)之間對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換矩陣為：

(2)

由上式可得，參考坐標(biāo)與機(jī)器人之間對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換矩陣為：

(3)

圖3是移動(dòng)機(jī)器人的地面運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，移動(dòng)機(jī)器人的參考坐標(biāo)系為X-Y，機(jī)器人的坐標(biāo)系為Xe-Ye[11-12]。機(jī)器人底盤每個(gè)輪子的軸心到機(jī)器人的中心均為l，輪子上的箭頭代表輪子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的切向速度v，當(dāng)輪子1和輪子2偏離機(jī)器人坐標(biāo)系Ye軸方向δ角度時(shí)，輪子3恰好和其成90°，機(jī)器人坐標(biāo)系Xe軸正方向和參考坐標(biāo)系X軸正方向形成的夾角為θ。由此可知，3個(gè)輪子產(chǎn)生的速度與參考坐標(biāo)系Y軸形成的3個(gè)夾角分別為：輪子1為δ+θ；輪子2為δ-θ；輪子3為90°-θ。通過(guò)分析得出該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方程為：

圖3 地面運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

(4)

用矩陣表示為：

(5)

從整體結(jié)構(gòu)考慮，一般取δ=30°，可得：

(6)

式中

(7)

4 仿真實(shí)踐與實(shí)物測(cè)試

攀爬機(jī)器人雖然通過(guò)兩主一從的方式進(jìn)行攀爬柱面，但是,由于機(jī)器人向上攀爬的過(guò)程中自身左右質(zhì)量不能達(dá)到絕對(duì)的均衡，所以會(huì)產(chǎn)生自身的旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致攀爬路徑產(chǎn)生一定的偏差。

機(jī)器人自旋會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)旋轉(zhuǎn)角度，一個(gè)為自旋角度，即機(jī)器人所在位置與中心線和圓心所形成的角度；另一個(gè)為自旋偏移角度，即機(jī)器人所在位置與中心線和底部中點(diǎn)所形成的角度。攀爬測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

將上述數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)Matlab仿真可以看出數(shù)據(jù)離散分布情況[13-15]。自旋偏移角度仿真結(jié)果如圖4所示，自旋角度仿真結(jié)果如圖5所示。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，高度為3 m，半徑為5.5 cm的柱面，攀爬機(jī)器人軌跡自旋角度的平均值為

方差為

攀爬機(jī)器人軌跡的自旋偏移角度的平均值為

方差為

表1 攀爬測(cè)試數(shù)據(jù)表

注：負(fù)自旋角度表示向左偏移，正自旋角度表示向右偏移；負(fù)自旋偏移角度表示向左偏移，正自旋偏移角度表示向右偏移。

圖4 自旋偏移角度仿真結(jié)果

圖5 自旋角度仿真結(jié)果

以下是攀爬機(jī)器人實(shí)物測(cè)試環(huán)節(jié)，攀爬實(shí)驗(yàn)如圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地說(shuō)明了機(jī)器人攀爬控制模型的誤差在允許誤差之內(nèi)，滿足實(shí)際要求。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)攀爬機(jī)器人的具體特性從機(jī)械設(shè)計(jì)、電子硬件設(shè)計(jì)、實(shí)際仿真效果等方面進(jìn)行了具體的分析設(shè)計(jì)，并制作出實(shí)物樣機(jī)。經(jīng)過(guò)研究與設(shè)計(jì)分析，得出以下結(jié)論：

(1) 分析了攀爬機(jī)器人的工作特點(diǎn)，并進(jìn)行了攀爬方式的受力分析，驗(yàn)證了“兩主一從氣動(dòng)型”攀爬機(jī)構(gòu)的可行性和高效性。

(2) 對(duì)三輪全向移動(dòng)進(jìn)行了建模分析，推導(dǎo)出三輪運(yùn)動(dòng)方程，并成功應(yīng)用到實(shí)物測(cè)試場(chǎng)合中，運(yùn)動(dòng)控制精度高，實(shí)物運(yùn)行良好。

(3) 設(shè)計(jì)出實(shí)物測(cè)試模型，制作了整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了多次的全向移動(dòng)和攀爬測(cè)試，運(yùn)行平穩(wěn)，攀爬效率較高，完全滿足實(shí)際工作場(chǎng)合的應(yīng)用。

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