一種具有物流搬運功能的六輪全地形機器車設計＊

安啟航，張 雷，高文俊，馬 躍，李衛國

（1.太原理工大學工程訓練中心，山西 太原 030024；2.太原理工大學機械與運載工程學院，山西 太原 030024）

物流搬運機器人作為人類社會中完成搬運任務的利器，承載著定位、導航、移動、避障等多項功能，并于20 世紀50 年代就已出現，半個多世紀以來在工業生產、倉儲物流等領域發揮了舉足輕重的作用[1]。然而在實際應用過程中，大多數的物流搬運機器車的工作環境均為工廠車間中的平整地面，許多機器人依賴于環境中的光電磁信號引導，這對大型和重型的搬運設備尤其重要；但對小型搬運車而言，這種控制方式會制約其靈活性，特別是一些針對野外勘探等非平整地面工作環境、開放式環境等情況而設計的設備，依靠現場信號引導幾乎是無法實現的，因此物流搬運要想被應用到更加廣闊的領域，在復雜地形環境下可靠地發揮作用，必須與全地形機器人相結合。

全地形移動底盤的結構主要有輪式越野底盤、履帶式底盤和輪履復合式底盤[2]等，而在輪式月球車移動底盤這一方面又在輪系、懸架、車體上衍生出了多種車體結構[3]。在這類車體的控制方面，雖然近年來視覺導航、Slam 技術取得了較大的發展，但在控制魯棒性、算力要求及在移動機器人的適配上，仍面臨諸多問題，尚待進一步研究[4]。基于此，針對具有多功能的全地形機器人底盤研究其遙控控制仍然是重要的技術手段。本文基于探索者平臺，借助三維建模軟件SolidWorks和多體動力學仿真軟件ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）設計了一種搖桿懸吊式懸架的六輪式全地形機器車，并以支持Arduino 語言的Basra 單片機和NRF 無線模塊為主要控制器，設計了一套手柄控制的遙控系統，可通過2 個PAD 搖桿和2 個按鍵，簡單靈活地實現對裝載有舵機級聯機械手臂的六輪式月球車的運動控制。

1 六輪式機器車的結構設計

本項研究所設計的遙控機器人的預期任務如下：能夠順利穩定地在無線信號控制下爬上有一定斜度（30°左右）的窄橋，夾取工件并走下窄橋；能夠順利進入有一定高度限制（約300 mm）的方形管道，在管道內夾取工件并將工件帶出；能夠進入塑膠草地夾取工件并通過障礙；能夠夾取臺階（每級高約50 mm）上的工件并翻越臺階。因此，所述機器人必須具備全地形的攀爬能力，輪子與地面之間的摩擦力需要適當增大。所以本研究設計了一種搖桿懸吊式懸架的六輪式機器車，采用橡膠作為輪胎的材質。為了保證車輛在抓取工件時具有較為靈活的抓取動作，經研究決定采用3 個舵機級聯形式的機械臂。經裝配，其三維模型及實物圖如圖1 和圖2 所示。

圖1 全地形機器車在SolidWorks 軟件中的三維模型圖

圖2 全地形機器車的實物樣機圖

在全地形機器車的越障能力方面，本文使用ADAMS 軟件進行了動力學建模。ADAMS 軟件是由美國機械動力公司開發的優秀機械系統動態仿真軟件，廣泛應用于航空航天、汽車工程、工業機械等領域。該軟件允許用戶方便地對虛擬樣機進行靜力學、運動學和動力學的分析，并具備開放性的程序結構和多種接口，可以與三維機械建模軟件、CAE（Compnter Aided Engineering）軟件、數據分析處理軟件以計算機圖形交換格式文件或其他文件進行并行設計與聯合仿真，還可通過參數化模型對虛擬樣機進行試驗優化設計[5]。在實物試驗中，本樣機所采用的電機均為永磁式單疊繞組的小功率電機，自帶一個減速器；在ADAMS 的試驗優化設計中，出于簡化結構提高運算速度的考慮，機器車的上層結構被化簡為一個質點，僅保留了車輛的主要懸架結構和各車輪的幾何特征，其動力學仿真簡化模型如圖3 所示。

圖3 全地形機器車的動力學簡化模型

試驗優化主要對車輪的3 個直徑展開研究，設定障礙為斜坡和臺階的組合障礙，由機器車依次通過。涉及到的設計參數主要有前置、中置、后置橡膠輪的3個直徑，實物試驗中車輪的直徑被進行了多次的試驗和調整，最終將其在簡化模型中的迭代初始值依次取為95 mm、45 mm、65 mm。考慮到在試驗的摩擦系數設定下，車輪直徑變小可能導致車輛整體在翻越臺階障礙時出現卡住的情況，且在多次試驗中發現減小的車輪直徑并不能提高車輛的越障速度，故設定其絕對增量范圍區間為[0 mm，15 mm]，試驗優化所采用的優化算法為序列二次規劃優化算法（OPTDES-SQP），車輛速度的迭代優化曲線如圖4 所示。

圖4 車輛速度的迭代優化曲線

試驗結果表明，增大車輪的直徑對提高越障速度有非常顯著的作用。在迭代過程中，除前置大輪外，中置輪和后置輪均在3 次迭代過后就達到了設定的最大增量，越障速度整體提升了17.5%。

隨后該模型被放入ADAMS/Insight 軟件中采用Interactions 數學模型進行參數解析分析，得到如表1所示的結果。

表1 （續）

表1 ADAMS/Insight 中的參數擬合結果

表1 中的數據表明，參數擬合模型的結果十分良好，此數學模型能夠較為真實地反映3 個車輪直徑對越障時間影響的解析關系；并且該結果也表明，增大車輪直徑確實能夠提高機器車的越障性能。

2 六輪式機器車的控制系統設計

在機器車的控制上，試驗使用的方法是使用Birdman 手柄進行遠程遙控，并在Bigfish 擴展板上堆疊NRF24L01 無線模塊用于串口數據發送，采用1 個上位機+1 個下位機的聯合控制方法，其中手柄作為上位機，核心控制板Basra 及其擴展板Bigfish 作為下位機，所使用的控制器實物圖如圖5 和圖6 所示。

圖5 無線串口模塊NRF24L01 與Birdman 手柄

圖6 核心控制板Basra 及其擴展板Bigfish

上位機的任務是將Birdman 手柄上來自2 個PAD搖桿的電位器取樣數據源源不斷地發送到下位機中，告知下位機該執行什么樣的指令；下位機應能夠對上位機發送的指令流進行分割和提取，過濾掉不需要響應的數據，提取出指令單元，提取完成后要迅速做出響應。2 個搖桿各具有水平和豎直共計4 個電位器，每取樣一次都將向串口發送一組最小指令單元，它由4個0～255 的數值組成，并以固定字母（如K）作為數據頭以便下位機進行指令流分割；當控制器上的按鍵被按下并觸發中斷時，最小指令單元可能在隨機位置被加入特殊字母（如A），當下位機檢測到這些字母時應自動觸發中斷，執行中斷動作（具體為舵機機械臂動作狀態和機械手爪動作狀態的循環切換），執行完畢后繼續接收新的數據，重復指令流分割和指令執行的過程。

下位機在執行指令的過程中，其主要控制目標是舵機機組和直流電機機組。為了能夠對各機組都進行方便快捷的模塊化控制，應在下位機建立指令系統，它應分為2 層：①底層指令系統應當包括單個舵機以指定速度旋轉的基本運動函數、整個機械臂（舵機機組）的宏觀動作函數、機械手爪的夾緊控制函數等，還應包括對直流電機的 PWM （ Pulse Width Modulation）轉速調節函數、車輛整體的動作函數（包括前進、后退、剎車、轉向、前進中左右轉、后退中左右轉、原地左右轉）等函數；②頂層指令系統應當面向串口數據流進行編寫，使其能夠直接接收經過分割與解析的上位機最小單元指令，并依指令調用底層指令系統的各項函數，以實現對整機的控制。上位機與下位機的部分程序流程圖如圖7—圖9 所示。

圖7 上位機主函數主要程序結構圖

圖8 下位機中直流減速電機的頂層指令系統

圖9 下位機中舵機的頂層指令系統

3 結束語

六輪式全地形機器車的應用非常廣泛，它具有在多地形環境下執行復雜任務及機器人集群工作的潛力。本文將物流搬運理念與全地形機器車相結合，使用SolidWorks 軟件進行了被動適應型搖桿懸吊式懸架的結構設計，基于探索者硬件平臺搭建了實物樣機，進行了大量的實物試驗，最后將它抽象成多體動力學模型，使用Adams 軟件結合實踐經驗對橡膠輪直徑大小進行了解析分析，得到了描述橡膠輪直徑大小對越障時間影響的數學模型。隨后本文對機器人控制系統進行了設計，提出了上位機最小指令單元和下位機雙層指令系統的概念。實踐表明，將該控制方法與經過優化設計的被動型懸架結構相結合，能夠簡單高效地滿足實際的越障需求和工件抓取搬運的需求。