移動(dòng)機(jī)器人通用底盤設(shè)計(jì)與研究

劉恒志

摘要：本文主要研究和設(shè)計(jì)的對(duì)象就是移動(dòng)機(jī)器人底盤，從機(jī)械部分和控制部分對(duì)底盤進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，前期的底盤設(shè)計(jì)和加工、硬件設(shè)備的采購(gòu)以及各底盤零部件的組合安裝等都屬于主要的機(jī)械部分。實(shí)現(xiàn)了對(duì)三種不同的全向輪 rotocaster、 mecanum 和 wesn 的不同類型底盤的設(shè)計(jì)，使其具有了整體運(yùn)動(dòng)功能，按照預(yù)期，機(jī)器人底盤具有4G/5G/Wifi 遠(yuǎn)程遙控、實(shí)時(shí)圖像傳輸、室內(nèi)外自動(dòng)導(dǎo)航、指定路線巡跡、SLAM 建圖、路徑規(guī)劃、自動(dòng)循跡、智能避障等功能。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)機(jī)器人;通用底盤;設(shè)計(jì)研究

一、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.組成該底盤的加工零件有鋁合金以及自主設(shè)計(jì)加工的部分零件。2.電動(dòng)機(jī)為運(yùn)行機(jī)構(gòu)的平行雙輪提供了驅(qū)動(dòng)力，將兩個(gè)萬(wàn)向輪安置在了前后方。3.將固定編碼器添加到了主動(dòng)輪附近，主動(dòng)輪為編碼器輪提供了驅(qū)動(dòng)力，需要注意的是編碼器輪的軸度需要與主動(dòng)輪保持一致。無(wú)法考慮電動(dòng)機(jī)內(nèi)原始的編碼器。4.該底盤圓直徑最大值450mm。5.根據(jù)具體功能確定了需要在哪一位置安裝多少數(shù)量的感應(yīng)器，超聲波感應(yīng)器獨(dú)立安裝在了本地盤的兩側(cè)，目的是為了對(duì)外物距離進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。將紅外感應(yīng)器安裝在四個(gè)方向的目的是為了避障等。6.在選擇電動(dòng)機(jī)等元件時(shí)，需要對(duì)各環(huán)節(jié)的影響因素進(jìn)行考慮[1]。

（一）機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.電機(jī)選擇

由于機(jī)器人無(wú)法確定移動(dòng)機(jī)器人的正常工作途徑，通常都是在室內(nèi)或者戶外進(jìn)行，因此，機(jī)器人的主要驅(qū)動(dòng)能源大多由蓄電池提供，所以，可以采用直流電機(jī)來(lái)為移動(dòng)機(jī)器人提供驅(qū)動(dòng)力。根據(jù)調(diào)查得知，由于電機(jī)做大需要1.25Nm的轉(zhuǎn)矩，需要不斷輸出150W以上的功率。如果以最大轉(zhuǎn)矩為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選擇電機(jī)，那么就需要采用尺寸和質(zhì)量較大的點(diǎn)擊。事實(shí)上，電機(jī)在無(wú)需任何翻越一個(gè)障礙物時(shí)的瞬間旋轉(zhuǎn)矩并不一定需要那么大，這一旋轉(zhuǎn)矩只是瞬間所必須的，而無(wú)需長(zhǎng)期輸出。所以在對(duì)電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型的過(guò)程中，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)矩必須不得大于或超過(guò)它的轉(zhuǎn)矩最高峰值，而且電機(jī)只是需要能夠不斷地輸出比爬山時(shí)的一臺(tái)機(jī)器人更大的額定轉(zhuǎn)矩，如此不僅使得電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力能夠得到盡量有效地利用，并且避免了不必要浪費(fèi)的出現(xiàn)。所以，需要選擇0.73Nm額定轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，其轉(zhuǎn)矩峰值、輸出功率分別為1.25Nm和150W以上。

在經(jīng)過(guò)各種對(duì)比后，我們采用了DTB080242510S型直流無(wú)刷電機(jī)，其參數(shù)如表所示。根據(jù)表格得知，其轉(zhuǎn)矩峰值最大為1.25Nm。

（二）驅(qū)動(dòng)部件

驅(qū)動(dòng)部件具有的結(jié)構(gòu)，采用螺釘在后懸掛擺臂上對(duì)點(diǎn)擊和減速器進(jìn)行了固定，輪胎中具有與汽車輪胎相似的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，采用了輪胎中由內(nèi)外驅(qū)動(dòng)的輪轂和螺栓固定、擰緊。因?yàn)轵?qū)動(dòng)輸出機(jī)和軸之間往往存在較大的扭矩傳遞比和力矩，所以驅(qū)動(dòng)輪子結(jié)構(gòu)需要直接采用法蘭和金屬輪轂等傳動(dòng)裝置部件，來(lái)對(duì)其進(jìn)行傳動(dòng)連接用以固定驅(qū)動(dòng)輸出機(jī)的軸，此類驅(qū)動(dòng)輪子的連接固定方式，主要是按照普通汽車的驅(qū)動(dòng)輪子結(jié)構(gòu)進(jìn)行的。

二、底盤通用性設(shè)計(jì)

（一）模塊化設(shè)計(jì)

機(jī)器人底盤屬于自身的子模塊之一，這一模塊系統(tǒng)能夠帶動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。本文按照驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)以及車身框架這四個(gè)模塊，對(duì)通用底盤系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。電機(jī)以及減速器等都在驅(qū)動(dòng)模塊中，通過(guò)對(duì)各種型號(hào)的電機(jī)或是對(duì)減速比不同的減速器的調(diào)換，能夠從承載力和速度方面，來(lái)改變移動(dòng)機(jī)器人;懸掛系統(tǒng)模塊主要具有調(diào)節(jié)懸架剛度和調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)的功能，能夠?qū)Ω鞣N質(zhì)量的底盤系統(tǒng)進(jìn)行匹配;電池以及不同的控制板卡等都安放在了車身框架模塊中[4]。

（二）系列化設(shè)計(jì)

移動(dòng)機(jī)器人在室外主要用于巡邏和全地形偵查，所以其功能需要適用于各個(gè)施工場(chǎng)合，需要根據(jù)不同的路況來(lái)對(duì)通用迪蘭進(jìn)行設(shè)計(jì)。我們?cè)诮M合了各個(gè)模塊后，快速為機(jī)器人設(shè)計(jì)了一種能夠在各種場(chǎng)合應(yīng)用的移動(dòng)底盤，全向輪模塊中包含了一般的橡膠輪以及WESN全向輪等等;采用了獨(dú)立四輪、前后輪這幾種驅(qū)動(dòng)方式;采用左右對(duì)稱、交叉對(duì)稱等形式對(duì)車輪進(jìn)行了配置。

在MECANUM中配置了四輪的全向輪，所有全向輪的中都安裝了獨(dú)立的直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制，就能夠讓通用底盤進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)以及執(zhí)行等運(yùn)行。如果通用底盤需要執(zhí)行的任務(wù)不同，那么底盤也會(huì)呈現(xiàn)出不同的承載質(zhì)量，采用模塊化設(shè)計(jì)底盤，不僅可以通過(guò)對(duì)其懸架模塊的調(diào)節(jié)來(lái)匹配其剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)K和C，還能夠在各種路況中應(yīng)用底盤系統(tǒng)[5]。

三、控制系統(tǒng)

（一）控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)搭建

傳感器的線通常有三根，例如電源線和信號(hào)表等等，用 io 來(lái)標(biāo)記信號(hào)線，對(duì)于信號(hào)表也進(jìn)行了制作，能夠方便于日后程序的編寫。電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器是 pwm 輸出口 io 的一個(gè)連接件，每個(gè)電動(dòng)機(jī)的輸入和控制都要由2路 pwm 來(lái)完成，共有四路。輸入口 io 端連接的是一根編碼器控制線，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)編碼器的脈沖信號(hào)進(jìn)行讀寫。杜邦線能夠同時(shí)連接5v 的低電壓，24v 的直流電源線上的直流電線尺寸為0.5。目的是為了避免杜邦線路過(guò)載發(fā)生火災(zāi)而引起起火。在進(jìn)行接線時(shí)需要根據(jù)常規(guī)電器原則。電氣原理如圖3所示。

（二）下位機(jī)控制系統(tǒng)

針對(duì)下位機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要在控制版中編寫和存放相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)，主要涉及到了兩部分，分別為驅(qū)動(dòng)所有部分的程序和邏輯循環(huán)程序。如下列舉了幾種較為常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)程序。

1.用于控制和接收超聲波的口，每個(gè)使用超聲波接收控制口所需產(chǎn)生和接收發(fā)出的獨(dú)立的最高電平都應(yīng)該是10μs以上，接收控制口主要用于控制超聲波源的接收和控制輸出，定時(shí)器在此口電壓降低時(shí)的值就是本次測(cè)距時(shí)長(zhǎng)，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)其距離的計(jì)算。如此，通過(guò)對(duì)周期的反復(fù)測(cè)量，能夠獲取到移動(dòng)測(cè)量值。

2.紅外線傳感器驅(qū)動(dòng)。光電傳感器中的紅外傳感器具有發(fā)射功能和接收功能，可以結(jié)合要求來(lái)調(diào)節(jié)檢測(cè)距離。紅外傳感器的作用相當(dāng)于繼電器，如果有物體接觸到紅外傳感器，線圈中就會(huì)產(chǎn)生電流，觸電就會(huì)出現(xiàn)常開、常閉的現(xiàn)象，進(jìn)而獲取到相應(yīng)的信號(hào)。其主要優(yōu)勢(shì)就是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)距離的調(diào)節(jié)。電壓、電流以及距離值分別為5VDC、100mA和3-80cm。

3.采用電動(dòng)機(jī)。處于正常工作狀態(tài)的直流電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子的線圈中只需有一個(gè)直流電，那么不管其政府連接在哪邊，除了轉(zhuǎn)動(dòng)方向外，不會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子做出任何改變，電動(dòng)機(jī)都處于工作狀態(tài)，只要存在足夠的電流和電壓。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)得越快其電壓就越大，扭力越大其電流就越大。由于在電動(dòng)機(jī)上直接計(jì)入的電源無(wú)法調(diào)速，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓代銷的改變，如果將直流電按照若干份進(jìn)行劃分，那么每個(gè)周期內(nèi)的電動(dòng)機(jī)正常工作和不工作的時(shí)間分別為半個(gè)周期。如此就能夠使直流電動(dòng)機(jī)具有不同的速度，我們通常將其稱之為脈沖，在單位時(shí)間內(nèi)只需通過(guò)對(duì)固定脈沖數(shù)的輸入，就能夠保持電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，脈沖數(shù)越多，速度越快，脈沖數(shù)越少，速度越慢。

而程序的循環(huán)需要在特定時(shí)刻通過(guò)對(duì)某個(gè)電氣元件的驅(qū)動(dòng)來(lái)作出規(guī)定動(dòng)作，通過(guò)與傳感器信號(hào)的結(jié)合，能夠使其具有邏輯關(guān)系，進(jìn)而對(duì)程序進(jìn)行終止或無(wú)限循環(huán)。

（三）上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

首先需要分析界面需求：1.需要有串口能夠與下位機(jī)通信，所以需要在串口中連接能夠與下位機(jī)硬件相符的串口號(hào);2.根據(jù)用戶所需能夠掌握具有坐標(biāo)位置和所指示的目的進(jìn)行輸入權(quán)利;3.需要能夠暫停和中斷執(zhí)行命令或者上位機(jī)的命令;4.上位機(jī)操作界面中所有能夠?qū)崟r(shí)地顯示給下位機(jī)的串口數(shù)據(jù);5.界面中我們需要看到超聲波和紅外線之間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及它們是否終止;6.需要能夠選擇行走方式。這一最初界面是討論和修改后得到的，其從執(zhí)行過(guò)程和執(zhí)行動(dòng)態(tài)方面對(duì)下位機(jī)進(jìn)行了清晰的顯示，所以我們對(duì)這個(gè)界面進(jìn)行了確定[7]。

結(jié)束語(yǔ)：

從設(shè)計(jì)底盤開始到完成對(duì)其的構(gòu)建等、每個(gè)環(huán)節(jié)都經(jīng)過(guò)了反復(fù)考量和反復(fù)實(shí)踐才完成的，因此底盤具有較強(qiáng)的通用性，有待對(duì)其額外功能進(jìn)行開發(fā)。在具有平面移動(dòng)功能的機(jī)器人中，輪式機(jī)器人在靈活性和便捷性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，因此不同類型的輪式機(jī)器人可以在各場(chǎng)合得到更好的應(yīng)用。因此，本文從底盤設(shè)計(jì)方面，對(duì)兩輪移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行了介紹。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡勁草.室內(nèi)自主式移動(dòng)機(jī)器人定位方法研究[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2006，20（5）：14-18.

[2]王殿君，魏洪興，任福君.移動(dòng)機(jī)器人自主定位技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.