移動搬運機器人的結構設計與控制系統構建*

張相勝 黃 將

（江南大學輕工過程先進控制教育部重點實驗室 無錫 214122）

1 引言

機器人的種類較多，移動機器人作為應用廣泛的一類智能機器人［1］，可代替人們從事技術含量低的遠程工作，如倉儲物流的搬運、救災、偵查地形等［2］。移動機器人按照其自身的輪式結構可分為兩類：一類是非完整約束；另一類是完整約束［3］。前者僅適合于空間較大，轉向靈活性不高的場合［4］。后者，優勢在于做平面運動過程中不需要改變自身位姿，僅依靠自身的全向移動機構即可實現任意方向的平面運動，適合在狹窄的空間、行走精度要求較高的工作場合［5］。

隨著近年來制造業技術和計算機技術的快速發展，學術界發表了許多智能控制算法的研究成果，并被應用在移動機器人身上。全向移動機器人憑借自身特有的運動特性，如機械結構、力學模型及智能控制等方面備受國內外學者們的關注［6］，通過構建的控制系統，可以實現自主導航進行高效準確的搬運、牽引、監控等遠程任務［7~8］。全向輪作為搬運機器人的行走機構，具有靈活性與高效性。機器人的機械結構和控制系統是相輔相成的［9］，這兩項工作共同決定了機器人設計的成敗，尤其在機械結構能滿足基本功能的前提下，使機器人實現智能化，提高生產自動化是設計控制系統的首要目標。

2 機器人的結構設計

機器人的工作環境：1）行走路線主要是直線或弧線形式，某些路段曲率半徑較小，路線的最小寬度為1m，一般情況下地面上沒有障礙物或者其他大塊物品；2）在行走路線的上空0.85m 有橫架障礙物，階梯高度為0.2m；3）貨臺位于路線一側，高度為1.5m，貨箱置于貨臺邊緣距離均為0.2m 的固定位置；4）貨箱的外形尺寸為0.2m×0.2m×0.2m，內有數個球形毛坯件，總質量為3kg。

根據上述基本的設計要求和指標，將整個機器人分成三個模塊進行設計按照指標要求進行詳細設計，整體方案圖如下所示。

圖1 全向移動搬運機器人整體方案圖

首先是實現全向移動的底盤結構模塊，該部分的功能主要包括具有支撐中上層結構的作用和全向行走的能力。綜合考慮，選擇麥克納姆輪［10］作為機器人的驅動輪可滿足設計要求，設計結構圖如圖2。

圖2 輪組結構圖

其次是中間層結構模塊的設計，由于機器人的整體結構尺寸受到行走道路的限制，而貨箱處于較高位置的貨臺上，因此機器人本身必須具有升降功能，以適應處于不同高度的貨箱。同時，爬梯模塊可滿足不同高度的階梯，設計結構圖分別如圖3。

圖3 中間層機構圖

最后是頂層結構模塊的設計，其中包括橫向移動、縱向伸縮、夾取、平托及傾倒動作。此外，考慮到要將貨箱平穩的搬運并實現傾倒工件，引入改進的惠斯頓機構［11］以實現平托貨箱，改進方法是將固定輪與渦輪同軸固定，并通過蝸桿實現自鎖且能轉動，設計結構如圖4所示。

圖4 夾具結構方案剖視圖

3 機器人的控制系統設計

3.1 機器人的控制系統總體方案

根據搬運機器人的指標要求，采用由微處理器、外圍硬件設備以及軟件操作系統組成的的嵌入式控制系統更適合移動機器人的總體需求。其控制系統框架圖如圖5所示。

圖5 全向移動搬運機器人控制系統框架圖

圖5中，執行層由電源模塊、傳感器、驅動器以及STM32F427 開發板組成，通信方式通過串口接收指令；控制層則由工控機、視覺傳感器、無線通訊等模塊組成，通信方式是通過無線模塊接收上位機指令；監控層由PC 機監控系統和無線通訊模塊組成，通信方式是通過無線模塊下發控制指令。

3.2 硬件電路設計

綜合考慮機器人系統的各個動力元件，電機均為M3508和M2006型號的無刷直流電機，氣缸均為單作用氣缸，舵機的旋轉行程為180°。電機驅動采用C610 和C620 調速器；氣缸驅動采用24V 的四位三通電磁閥，并搭載兩個5L 容量的氣泵；其中，電源模塊選用兩塊電調中心板作為電機的調速器。最終搭建的硬件電路框圖如圖6所示。

圖6 控制系統硬件結構圖

3.3 軟件結構設計

根據全向移動搬運機器人的硬件系統結構設計，系統的軟件設計主要分成三層：監控層、控制層和執行層，其控制系統軟件框架設計圖如圖7 所示。

圖7 控制系統軟件框架設計圖

圖7 中，監控層軟件主要是采用QT 開發的上位機界面，控制層與監控層的無線通信是通過TCP/IP 協議中的Socket套接字來傳輸指令；控制層軟件主要是植入工控機的算法程序，包含有系統主程序、視覺定位程序及軌跡規劃與跟蹤算法程序等；執行層軟件則是由STM32平臺所開發的運動程序，包含底盤控制程序、搬運控制程序等。

在完成整個控制系統的軟件方案框架設計后，基于Linux 系統平臺開發系統的主程序如圖8 所示。

圖8 控制系統主程序框圖

3.4 運動控制程序設計

運動控制程序的設計主要是底盤控制任務和夾具定位及搬運控制任務。其中，底盤控制人是實現機器人按控制指令進行全方位移動，功能分為兩種模式：一種是人工控制模式，一種是自動軌跡跟蹤模式，基于開源的ST 標準HAL 庫所設計的底盤控制軟件流程圖如圖9所示。

圖9 底盤控制程序流程圖

圖9 中底盤控制的對象是四個驅動電機，通過PID 算法控制底盤電機進行速度閉環控制，使其達到期望轉速，再根據麥克納姆輪的運動學特性達到期望速度，實現全方位移動。

其次，夾具控制任務模式也分為人工操作模式和自動執行任務模式，可在上位機控制界面中選擇所需模式進行。程序流程圖如圖10所示。

圖10 夾具控制程序流程圖

4 夾具的視覺定位

因夾具開合行程設計受到各種因素制約，為此需要借助視覺定位以順利完成任務。基于機器視覺的定位技術主要由三部分組成：圖像獲取、圖像處理及分析和結果的輸出。采用圓形作為標靶圖案較為方便，因此在貨箱側面中點貼一個外徑為50mm，內徑為40mm 的環形標記以便相機可快速識別特征，帶有標靶圖案的貨箱平面圖如圖11 所示。

圖11 貨箱標靶圖

雖圖11 中的靶圖案是圓形，標靶圖案經過鏡片透視投影之后，最初的標準圓會變成橢圓形。為此，采用最小二乘法［12~13］作為貨箱標靶圖案的橢圓擬合，定位算法流程如圖12所示。

圖12 橢圓視覺定位算法流程圖

圖像通過高斯濾波、紅框過濾、灰度處理、二值化以及形態學操作等一系列預處理后，對于一階邊緣檢測通常采用Canny 邊緣檢測算子來處理，首先運用如下卷積矩陣：

式中：GX為水平方向的掩碼模板內核，GY為豎直方向的掩碼模板內核。

計算圖像梯度的極值和相應的方向角度為

在平面坐標系中，橢圓方程的表達式為

式中：C為系數向量(A,B,C,D,E,F) ；Xi=(,xi,yi,y2

i,xi,yi,1)。

由于圖像是光柵形式的，所檢測到的點并不是恰好落在橢圓的邊界上，因此利用最小二乘法將橢圓擬合問題轉化為求f(C,Xi)到點(xi,yi)之間的代數距離平方和，因此得到目標函數為

根據極值定理，要求得f(A,B,C,D,E,F)最小值，只需滿足其一階偏導數為零，即：

至此，利用高斯消元法和約束條件A+C=1求解上式便得到圓心值。在進行擬合過程中，夾具隨著控制指令做定位調整，直到圓心落在指定范圍便觸發伸出夾取動作，擬合結果如圖13所示。

圖13 擬合結果圖

5 電機的協同控制

目前多電機的協同控制結構主要有主從控制、交叉耦合控制、虛擬主軸控制、偏差耦合控制、虛擬電機偏差耦合控制等［14~15］，經仿真對比，基于虛擬電機的偏差耦合控制更適合作為底盤和絲杠電機的運動控制方法，其控制結構圖如圖14所示。

圖14 基于虛擬電機的偏差耦合控制結構圖

由圖14 可以看出，雖虛擬電機的補償器包含所有電機與自身的轉速差，但其余補償器卻較為簡單，僅包含自身電機與虛擬電機的轉速誤差。基于機器人底盤和絲杠在運動過程是兩電機和四電機同時動作，搭建的耦合結構給定參數如表1所示。

表1 偏差耦合控制結構參數表

當給定轉速為300r/min 的情況下，在0.2s~0.4s間分別給第二臺電機5N 的負載脈沖，到0.6s 時改變參考轉速。同時，適當增大虛擬電機的轉動慣量后，各電機的協同控制仿真結果如圖15所示。

圖15 基于虛擬電機偏差耦合控制仿真圖

通過圖15 可以看出，在啟動與轉速改變階段，系統均未出現明顯的誤差。在0.4s時，第二臺電機受負載干擾后，雖然虛擬電機受影響稍大，但其余電機均受到速度補償器的作用而使轉速誤差較小，所以該控制結構具有一定的魯棒性。

6 結語

本文針對產線中球形工件的搬運要求和設計指標，利用三維軟件對全向移動搬運機器人的原理樣機進行了詳細的結構設計，包括底盤、中間層及頂層結構的分層設計及功能介紹，并基于樣機結構搭建了由監控層、控制層和執行層相互結合的控制系統。同時，為了準確地進行夾具定位控制以及電機的精確控制，分別引入視覺技術來實現定位夾取，采用基于虛擬電機的偏差耦控制結構進行多電機協同控制，仿真結果表明控制方法效果較理想。