多構(gòu)型移動(dòng)機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

陳曉紅， 柏 龍， 孫園喜， 毛亞芳， 王 浩

（重慶大學(xué) a.機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院；b.重慶大學(xué)-辛辛那提大學(xué)聯(lián)合學(xué)院，重慶 400044）

0 引 言

移動(dòng)機(jī)器人作為執(zhí)行裝置或物料的載運(yùn)平臺(tái)［1］，在機(jī)器人技術(shù)的學(xué)習(xí)［2-4］、驗(yàn)證及科研活動(dòng)中被廣泛應(yīng)用［5-6］。針對(duì)不同的環(huán)境或地形，移動(dòng)機(jī)器人具有輪式（常見(jiàn)的有橡膠輪、麥克納姆輪、全向輪）、履帶等多種構(gòu)型方式［7-8］。目前市面上已有較多的商業(yè)化的移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)可供選購(gòu)。然而作為教學(xué)、競(jìng)賽及科研活動(dòng)來(lái)說(shuō)，目前商業(yè)化的移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)多為單一的構(gòu)型與功能，無(wú)法滿足對(duì)移動(dòng)平臺(tái)構(gòu)型、功能等方面的多樣化需求。而且現(xiàn)有的移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，控制與通訊系統(tǒng)也相對(duì)封閉，不利于二次開(kāi)發(fā)。

本文提出了一種多構(gòu)型移動(dòng)機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了模塊化可拼裝機(jī)械套件，可根據(jù)需求，快速方便地搭建5種不同的移動(dòng)機(jī)器人構(gòu)型，通過(guò)串口向機(jī)器人發(fā)送指令完成運(yùn)動(dòng)的控制，以完成不同任務(wù)的需求。

1 多構(gòu)型移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)設(shè)計(jì)

多構(gòu)型移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)由模塊化可拆裝機(jī)械套件、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成。

1.1 模塊化可拆裝機(jī)械套件設(shè)計(jì)

不同的應(yīng)用場(chǎng)景或主題對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)動(dòng)能力有不同的需求，如平整地面采用輪式機(jī)器人效率高、穩(wěn)定性好，常用的是可以全向移動(dòng)的麥克納姆輪機(jī)器人［9］（Mecanum Wheel，四輪布局）和全向輪機(jī)器人［10］（Omni Wheel，三輪布局）；而臺(tái)階、野外等需要越障的地面則履帶機(jī)器人［11］更為適用。為了實(shí)現(xiàn)一套實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可滿足不同構(gòu)型機(jī)器人搭建的需求，本文設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人的模塊化可拆裝機(jī)械套件，可快速、方便地搭建5種不同的移動(dòng)機(jī)器人構(gòu)型，包括3種不同尺寸規(guī)格的麥克納姆輪機(jī)器人，全向輪機(jī)器人以及履帶式機(jī)器人，如圖1所示。

圖1 可搭建的移動(dòng)機(jī)器人構(gòu)型

為滿足機(jī)械套件的可快速拆裝性，本文設(shè)計(jì)了多種尺寸類型的接頭、鋁方管、鋁板以及板件。采用模塊化設(shè)計(jì)，并具備統(tǒng)一的連接形式和拆裝方法，如圖2所示。此外，管件和板件設(shè)計(jì)為多孔結(jié)構(gòu)，既可減輕機(jī)器人重量，提升自重負(fù)載比，又便于定位、安裝與搭載功能負(fù)載。

圖2 機(jī)械套件部分模塊化零部件

1.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的好壞會(huì)直接影響機(jī)器人的機(jī)動(dòng)能力與負(fù)載能力。對(duì)于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人，電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器決定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度和負(fù)載能力，電源的性能則影響機(jī)器人的續(xù)航能力。為保障機(jī)器人平臺(tái)的模塊化可快速拆裝性，本文設(shè)計(jì)了統(tǒng)一的電動(dòng)機(jī)安裝模塊與驅(qū)動(dòng)方式，如圖3所示。

圖3 電動(dòng)機(jī)模塊化安裝底座與安裝方式

本文選擇了大疆RoboMaster M3508直流無(wú)刷減速高性能伺服電動(dòng)機(jī)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，其搭配C620電調(diào)支持50～500 Hz的PWM信號(hào)控制和CAN總線指令控制，還可實(shí)時(shí)讀取電機(jī)轉(zhuǎn)子位置等狀態(tài)信息。為適配電動(dòng)機(jī)的工作電壓，選用6S（22.2 V），5.2 Ah，35C的航模電池作為電源，并通過(guò)22.2 V降5 V的降壓模塊為控制器及傳感器供電，同時(shí)在電源的輸出端串聯(lián)1個(gè)電量顯示模塊以實(shí)時(shí)顯示電池電量。

1.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為簡(jiǎn)化布線，使系統(tǒng)集成度更高，設(shè)計(jì)了如圖4所示的集成電路，集成了電池、電量顯示模塊、急停開(kāi)關(guān)、蜂鳴器、MPU9250姿態(tài)傳感器、電動(dòng)機(jī)接口、電調(diào)CAN線接口以及運(yùn)動(dòng)控制器等。其中22.2 V（6S）電池經(jīng)急停開(kāi)關(guān)、電量顯示模塊為電動(dòng)機(jī)供電，并通過(guò)降壓模塊為底層控制器供電；無(wú)源蜂鳴器連接在控制器的PWM信號(hào)輸出引腳，進(jìn)行實(shí)時(shí)故障報(bào)警；運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)串口與MPU9250姿態(tài)傳感器相互連接，實(shí)時(shí)獲取機(jī)器人姿態(tài)信息以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)角度的控制；C620電調(diào)的CAN線接口并聯(lián)到底層控制器的CAN信號(hào)輸出引腳；為搭建底層控制器與其他上層控制器的通信接口，留出RX、TX、GND串口輸出引腳和5 V供電接口。

圖4 控制器集成電路設(shè)計(jì)圖

考慮到機(jī)器人平臺(tái)對(duì)主控芯片內(nèi)存資源、處理性能、中斷處理能力及功耗成本等的要求，本文選用了STM32F4系列單片機(jī)［12］作為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制算法開(kāi)發(fā)

本文開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可搭建出3種類型的移動(dòng)機(jī)器人，針對(duì)不同構(gòu)型的機(jī)器人，構(gòu)建底層驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和上層控制系統(tǒng)，集成不同構(gòu)型移動(dòng)機(jī)器人所對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制算法，根據(jù)通信協(xié)議通過(guò)串口向機(jī)器人發(fā)送指令完成運(yùn)動(dòng)的控制，從而需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制算法以及與上層（用戶）控制器的通信協(xié)議，同時(shí)開(kāi)發(fā)擴(kuò)展接口。

2.1 控制系統(tǒng)架構(gòu)

STM32F4控制器可通過(guò)串口讀取MPU9250獲取的角度信息，通過(guò)電動(dòng)機(jī)的CAN通信協(xié)議讀取電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)角信息等，也可向C620電調(diào)發(fā)送控制指令對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。Arduino／STM32／樹(shù)莓派等上層（用戶）控制器可以通過(guò)串口以及開(kāi)發(fā)的通信協(xié)議來(lái)調(diào)用底層運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，通過(guò)UART、IIC、模擬／數(shù)字引腳等接口連接不同類型的傳感器以完成特定的任務(wù)，控制系統(tǒng)框如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)框架示意圖

2.2 運(yùn)動(dòng)控制算法

2.2.1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

為便于進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，作以下假設(shè)：①機(jī)器人平臺(tái)質(zhì)量分布均勻，每個(gè)輪子的大小和質(zhì)量相同，半徑都為R；②機(jī)器人平臺(tái)、輪子與路面均為剛體，忽略其變形影響；③輪子與地面不打滑，摩擦力足夠大；④忽略機(jī)器人的加工安裝誤差，假設(shè)輪子與地面的接觸點(diǎn)在輪子中心的正下方，輪子到中心的距離相等。

圖6為機(jī)器人平臺(tái)3種構(gòu)型運(yùn)動(dòng)學(xué)模型坐標(biāo)系，其中XOY為機(jī)器人自身坐標(biāo)系，點(diǎn)O為平臺(tái)幾何中心點(diǎn)；XwOwYw為世界坐標(biāo)系。

圖6 機(jī)器人平臺(tái)3種構(gòu)型運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

（1）麥克納姆輪機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。麥克納姆輪機(jī)器人平臺(tái)的4個(gè)麥克納姆輪采用“內(nèi)八字”布置［13-14］，在自身坐標(biāo)系中，可得4個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速公式與平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間的關(guān)系為

式中：rX（rY）分別為機(jī)器人麥克納姆輪中心到平臺(tái)O點(diǎn)在X（Y）方向上距離，rXY＝rX＋rY；ω0、ω1、ω2、ω3分別為相對(duì)應(yīng)麥克納姆輪的轉(zhuǎn)速；vcX（vcY）為在自身坐標(biāo)系中沿X（Y）方向的平移速度，與坐標(biāo)軸一致為正；ωc為平臺(tái)O點(diǎn)在自身坐標(biāo)系中繞Z軸角速度（平臺(tái)的轉(zhuǎn)向速度），逆時(shí)針為正；R為麥克納姆輪半徑。

平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制需要得知其在世界坐標(biāo)系下的麥克納姆輪轉(zhuǎn)速與平臺(tái)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的關(guān)系，可通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將式（1）的關(guān)系轉(zhuǎn)換成世界坐標(biāo)系下運(yùn)動(dòng)關(guān)系為

式中：α為X與Xw之間的夾角；Cα＝cos α；Sα＝sin α；vwX（vwY）為在世界坐標(biāo)系中沿X（Y）方向的平移速度；ωw為在世界坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)彎速度。

（2）全向輪機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。全向輪機(jī)器人平臺(tái)的3個(gè)全向輪的布局如圖6中b的坐標(biāo)所示，以平臺(tái)中心O點(diǎn)為圓心平均分布。通過(guò)速度矢量關(guān)系［15］可得出在自身坐標(biāo)系中輪子轉(zhuǎn)速與平臺(tái)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的關(guān)系為式中：ω0、ω1、ω2分別為相對(duì)應(yīng)全向輪的轉(zhuǎn)速；l為全向輪機(jī)器人平臺(tái)O點(diǎn)到輪子中心的距離。

與前面推導(dǎo)一致，得到世界坐標(biāo)系中輪子轉(zhuǎn)速與平臺(tái)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的關(guān)系表示為

（3）帶機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。履帶機(jī)器人平臺(tái)移動(dòng)是由2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪分布在平臺(tái)左右兩側(cè)，其在自身坐標(biāo)系中沒(méi)有全向移動(dòng)能力只有Y方向的平移運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，左右兩側(cè)輪子轉(zhuǎn)速與平臺(tái)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的關(guān)系［16］可表示為

式中：h為左右兩邊驅(qū)動(dòng)輪徑向平面的距離；ωL、ωR分別為左右輪的轉(zhuǎn)速。

世界坐標(biāo)系中輪子轉(zhuǎn)速與平臺(tái)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的關(guān)系表示為

2.2.2 機(jī)器人移動(dòng)速度與轉(zhuǎn)向控制

機(jī)器人移動(dòng)速度取決于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。本文采用PID閉環(huán)控制算法，CAN線通過(guò)電動(dòng)機(jī)編碼器獲得電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，將其與通過(guò)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解算得到的設(shè)定轉(zhuǎn)速的差值輸入轉(zhuǎn)速PID控制器進(jìn)行運(yùn)算，再將結(jié)果通過(guò)CAN線輸出給C620電調(diào)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人移動(dòng)速度的控制，如圖7所示。

圖7 機(jī)器人速度與轉(zhuǎn)向控制框架

機(jī)器人轉(zhuǎn)向是以角速度為被控變量，通過(guò)MPU9250獲得機(jī)器人的實(shí)際姿態(tài)，將用戶的設(shè)定角度與實(shí)際角度進(jìn)行差值運(yùn)算作為角度PID控制器的輸入，然后輸出角速度從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人轉(zhuǎn)向控制。

2.2.3 機(jī)器人通信架構(gòu)

本文機(jī)器人平臺(tái)的底層運(yùn)動(dòng)控制器STM32F4采用串口與上層控制器通信，通過(guò)設(shè)定的通信協(xié)議將上層控制系統(tǒng)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，得到機(jī)器人構(gòu)型、運(yùn)動(dòng)速度、加速度、旋轉(zhuǎn)角度以及選擇的坐標(biāo)系等信息后，運(yùn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制算法，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試與驗(yàn)證

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的多構(gòu)型移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的有效性和測(cè)試效果，利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的模塊化可拼裝機(jī)械套件，搭建出3種類型的移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，如圖8所示。組織學(xué)生經(jīng)多批次創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，2名學(xué)生為一組，每組學(xué)生分別對(duì)5種構(gòu)型的移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行搭建，搭建的內(nèi)容包括機(jī)械套件的搭建、控制系統(tǒng)的接線。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，每組學(xué)生每搭建1種機(jī)器人，平均耗時(shí)為1～2 h，表明本文設(shè)計(jì)的多構(gòu)型移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用模塊化可拆裝設(shè)計(jì)的機(jī)械套件，可實(shí)現(xiàn)快速、方便的搭建。此外，標(biāo)準(zhǔn)孔距的多孔零件設(shè)計(jì)，搭配模塊化連接件，可以適應(yīng)不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和任務(wù)模塊的搭載，滿足不同的需求。

圖8 多構(gòu)型移動(dòng)機(jī)器人模塊化搭建測(cè)試

為測(cè)試移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制性能，對(duì)全向輪機(jī)器人和麥克納姆輪機(jī)器人進(jìn)行各個(gè)方向的全向移動(dòng)測(cè)試，如圖9所示，機(jī)器人能精準(zhǔn)地跟蹤給定的運(yùn)動(dòng)控制指令。由于履帶式機(jī)器人沒(méi)有全向移動(dòng)能力，所以僅測(cè)試了沿機(jī)體方向的移動(dòng)。同時(shí)，為測(cè)試機(jī)器人的轉(zhuǎn)向控制功能，還做了不同角度的轉(zhuǎn)向測(cè)試，測(cè)試效果見(jiàn)圖9。測(cè)試結(jié)果表明，麥克納姆輪和全向輪機(jī)器人具有較好的全向移動(dòng)能力，最大移動(dòng)速度可達(dá)3 m／s。同時(shí)，3種構(gòu)型的機(jī)器人都可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)向控制，最大轉(zhuǎn)向速度達(dá)90°／s。

圖9 3種移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能測(cè)試

如圖10所示，履帶式機(jī)器人可以輕松越過(guò)10 cm高的障礙物；搭載了灰度傳感器與視覺(jué)傳感器的麥克納姆輪機(jī)器人順利完成地面黑線循跡跟蹤和目標(biāo)動(dòng)態(tài)跟隨測(cè)試；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)測(cè)試中學(xué)生需依據(jù)任務(wù)進(jìn)行了部分二次開(kāi)發(fā)。結(jié)果表明：本文所設(shè)計(jì)的多構(gòu)型移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有快速的搭建性能、集成的運(yùn)動(dòng)控制算法和較好的功能擴(kuò)展性，可以滿足機(jī)器人多構(gòu)型的需求。

圖10 機(jī)器人功能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并搭建的多構(gòu)型移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)經(jīng)過(guò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明：該機(jī)器人平臺(tái)可以方便、快速地組裝麥克納姆輪、全向輪及履帶等多種類型的移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)；利用Arduino／STM32／樹(shù)莓派等上層控制器通過(guò)串口通信可以調(diào)用開(kāi)發(fā)的底層運(yùn)動(dòng)控制算法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)控制；移動(dòng)速度可達(dá)3 m／s，轉(zhuǎn)向速度可達(dá)90°／s；設(shè)計(jì)的UART、IIC、模擬／數(shù)字引腳等接口可連接灰度、視覺(jué)等不同類型的傳感器并進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。該平臺(tái)可作為機(jī)器人領(lǐng)域創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供教學(xué)和創(chuàng)新實(shí)踐的模塊化支撐平臺(tái)，也可應(yīng)用于機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新或上層控制算法的學(xué)習(xí)、驗(yàn)證與研究，具有廣泛的應(yīng)用前景。