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關(guān)于被動(dòng)同心轉(zhuǎn)向式多履帶全向移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)

電子設(shè)計(jì) ? 來源:網(wǎng)絡(luò)整理 ? 作者:工程師吳畏 ? 2018-06-12 16:31 ? 次閱讀

0 引言

隨著機(jī)器人技術(shù)的智能化,機(jī)器人在生產(chǎn)生活中發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人家族中靈活性更好、自主性更強(qiáng)、智能化更高的一員,可以實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航、環(huán)境識(shí)別、安全避障的功能[2]。全向移動(dòng)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)平面上具有前后、左右和自轉(zhuǎn)的移動(dòng)能力[3],因此可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎半徑為零的旋轉(zhuǎn),或者在保持機(jī)器人姿態(tài)不變的情況下向任何方向移動(dòng)。由于獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)性能,全向移動(dòng)機(jī)器人在智能輪椅、物料搬運(yùn)機(jī)器人、巡檢機(jī)器人等產(chǎn)品中具有明顯的優(yōu)越性[4-7]。

目前全向移動(dòng)機(jī)器人的典型運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)有麥克納姆輪、連續(xù)切換輪、同心轉(zhuǎn)向輪[8-10]等。麥克納姆輪和連續(xù)切換輪具有兩個(gè)自由度:一個(gè)沿輪面切向的主動(dòng)驅(qū)動(dòng)自由度,一個(gè)與輪面切向呈固定角度的隨動(dòng)自由度。輪體的轉(zhuǎn)動(dòng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng),輥?zhàn)釉诘孛婺Σ亮Φ淖饔孟卤粍?dòng)旋轉(zhuǎn),通過控制輪體的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人全向移動(dòng)[11]。但是麥克納姆輪外緣的輥?zhàn)咏惶媾c地面接觸,在滾動(dòng)過程中輥?zhàn)硬粩嗍艿降孛娴臎_擊載荷,使得輪子在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中與地面接觸點(diǎn)的高度不斷變化,導(dǎo)致車體振動(dòng)或打滑[12]。轉(zhuǎn)向輪組成的全向移動(dòng)機(jī)器人由多個(gè)獨(dú)立轉(zhuǎn)向的傳統(tǒng)輪子構(gòu)成,輪子方向的偏轉(zhuǎn)和自身的旋轉(zhuǎn)都由獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng),通過控制輪子的偏轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)速度來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人全向移動(dòng)[13]。由于輪子朝向的偏轉(zhuǎn)需要主動(dòng)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng),因此需要復(fù)雜的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu),且機(jī)器人在直線運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)成為額外的負(fù)載,能量利用率低。

綜合上述問題,本文采用被動(dòng)同心轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的履帶單元代替主動(dòng)轉(zhuǎn)向輪,設(shè)計(jì)了一種多履帶式全向移動(dòng)機(jī)器人。該機(jī)器人不需要復(fù)雜的主動(dòng)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu),且具備履帶式機(jī)器人運(yùn)行平穩(wěn)、載重能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人由主體和4個(gè)差速式履帶單元構(gòu)成,每履帶單元構(gòu)成一組被動(dòng)同心轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu),通過角接觸軸承安裝在機(jī)器人本體下方。履帶單元可繞偏轉(zhuǎn)軸±90°偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)角由精密旋轉(zhuǎn)電位器測(cè)量,電位器的旋轉(zhuǎn)軸通過聯(lián)軸器固定在履帶單元的偏轉(zhuǎn)軸上。由于角接觸軸承可同時(shí)承受較大的徑向負(fù)荷和軸向負(fù)荷,所以履帶單元既可以起到承載機(jī)器人本體和負(fù)載重量的作用,又能通過履帶運(yùn)轉(zhuǎn)牽引機(jī)器人水平運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人主體底板采用鋁合金結(jié)構(gòu),上方承載機(jī)器人本體的設(shè)備和結(jié)構(gòu),下方為4個(gè)履帶單元。其中側(cè)板和支撐結(jié)構(gòu)使用3D打印成型,固定在底板上,主要起支撐和固定作用,圖1為機(jī)器人結(jié)構(gòu)三維模型。

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每個(gè)履帶單元由履帶、履帶支撐輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)減速器、測(cè)速編碼器、半圓遮光板等組成,圖2為履帶單元結(jié)構(gòu)模型。

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2 機(jī)器人電路設(shè)計(jì)與控制流程

2.1 機(jī)器人電路設(shè)計(jì)

機(jī)器人使用標(biāo)稱電壓12 V、容量為31 200 mAh的鋰電池供電電源管理模塊將電壓穩(wěn)定為12 V和5 V。機(jī)器人采用ROS(Robot Operating System)為控制和通信系統(tǒng),ROS核心運(yùn)行在樹莓派3中,機(jī)器人底層驅(qū)動(dòng)采用基于mbed開發(fā)的NUCLEO-F446開發(fā)板,使用UART接口與樹莓派通信,系統(tǒng)通過路由器與PC進(jìn)行遠(yuǎn)程連接與數(shù)據(jù)傳輸。機(jī)器人使用4個(gè)雙H橋電路驅(qū)動(dòng)8個(gè)直流電機(jī)運(yùn)動(dòng),電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以在控制器的控制下獨(dú)立驅(qū)動(dòng)每個(gè)履帶單元中的電機(jī)運(yùn)動(dòng),偏轉(zhuǎn)角由電位器測(cè)量,通過處理器中的12位ADC進(jìn)行采集。其電路系統(tǒng)示意圖由圖3所示。

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通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的建模與加工和電路系統(tǒng)的搭建,最終研制出多履帶全向移動(dòng)機(jī)器人,如圖4所示。

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2.2 機(jī)器人控制流程

機(jī)器人每個(gè)履帶單元上兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速由固定在電機(jī)尾部的測(cè)速編碼器測(cè)量得到,通過減速比、驅(qū)動(dòng)輪半徑和履帶厚度可以計(jì)算出機(jī)器人移動(dòng)速度。兩個(gè)履帶的運(yùn)行速度可以分解為每個(gè)履帶單元運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)自由度,一個(gè)自由度控制前后運(yùn)動(dòng),另一個(gè)自由度控制運(yùn)動(dòng)方向。通過對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)分析,設(shè)計(jì)單個(gè)履帶單元的控制流程,如圖5所示。

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履帶單元的運(yùn)動(dòng)可以分解為直線運(yùn)動(dòng)和繞偏轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn),其輸入控制量為兩個(gè)履帶的運(yùn)動(dòng)速度和偏轉(zhuǎn)角度。首先測(cè)量實(shí)際偏轉(zhuǎn)角度和控制信號(hào)中偏轉(zhuǎn)角度的差,通過偏轉(zhuǎn)角度PID控制器輸出兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整值。每個(gè)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和控制指令中的轉(zhuǎn)速差疊加電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整值,輸入到電機(jī)轉(zhuǎn)速PID控制器中,調(diào)整每個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩通過減速器傳遞到履帶驅(qū)動(dòng)輪上,通過方向和速度配合來輸出履帶單元的偏轉(zhuǎn)角度和移動(dòng)速度,完成單個(gè)履帶單元的差速運(yùn)動(dòng)。

機(jī)器人的每個(gè)履帶單元都需要接收機(jī)器人控制器的控制信號(hào),而機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)指令是主體的運(yùn)動(dòng)速度、方向和主體朝向。因此需要機(jī)器人控制器根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)姿態(tài)結(jié)算將機(jī)器人主體的指令分解為每個(gè)履帶單元的控制指令,通過每個(gè)履帶單元帶動(dòng)機(jī)器人主體移動(dòng),其控制流程如圖6所示。

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機(jī)器人具有直行、側(cè)移、圓弧運(yùn)動(dòng)和自轉(zhuǎn)等幾種典型的運(yùn)動(dòng)方式,如圖7所示。其中直行和側(cè)移都屬于平移運(yùn)動(dòng),機(jī)器人保持主體朝向不變;自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)屬于圓弧運(yùn)動(dòng),此時(shí)機(jī)器人主體朝向不斷變化。因此機(jī)器人的全向運(yùn)動(dòng)過程看作是平移運(yùn)動(dòng)和圓弧運(yùn)動(dòng)的組合。

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2.3 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

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通過機(jī)器人模型可以將機(jī)器人整體的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向和機(jī)體朝3個(gè)控制量轉(zhuǎn)換為每條履帶運(yùn)動(dòng)速度和每個(gè)履帶單元的偏轉(zhuǎn)角度,根據(jù)機(jī)器人整體的控制流程可以控制每個(gè)履帶單元運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的全向移動(dòng)。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

在研制的機(jī)器人上分別進(jìn)行平移運(yùn)動(dòng)和圓弧運(yùn)動(dòng)的測(cè)試。使用PC端運(yùn)行的MATLAB程序通過機(jī)器人上的無線路由器連接到運(yùn)行著ROS indigo的樹莓派3和NUCLEO F446控制板,通過ROS命令發(fā)布機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)指令話題到機(jī)器人端,同時(shí)讀取機(jī)器人發(fā)布的狀態(tài)話題上的數(shù)據(jù),對(duì)機(jī)器人履帶的運(yùn)動(dòng)速度和履帶單元偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行采集。

機(jī)器人在進(jìn)行平移運(yùn)動(dòng)時(shí),給定機(jī)器人的移動(dòng)路徑為邊長(zhǎng)600 mm的正五邊形,運(yùn)動(dòng)速度設(shè)置為40 mm/s,機(jī)體朝向不變,履帶單元改變偏轉(zhuǎn)角時(shí)的速度設(shè)置為20 mm/s,圖8(a)為機(jī)器人在100 s正五邊形平移運(yùn)動(dòng)中8條履帶的運(yùn)動(dòng)速度,圖8(b)為履帶單元偏轉(zhuǎn)角度隨時(shí)間變化的角度值。機(jī)器人在進(jìn)行圓弧運(yùn)動(dòng)時(shí),需要根據(jù)圓弧的中心點(diǎn)和旋轉(zhuǎn)角速度,通過姿態(tài)計(jì)算得到機(jī)器人履帶單元的偏轉(zhuǎn)角度和各履帶的運(yùn)動(dòng)速度。給定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的軌跡為角速度為0.05 rad/s,圓弧半徑為500 mm的圓周。圖9(a)為機(jī)器人在100 s圓周運(yùn)動(dòng)中8條履帶的運(yùn)動(dòng)速度,圖9(b)為履帶單元偏轉(zhuǎn)角度隨時(shí)間變化的角度值。

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采集機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中的速度和偏轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù),使用航跡推算法計(jì)算機(jī)器人每個(gè)履帶單元中心的運(yùn)動(dòng)軌跡,通過每次得到的4個(gè)軌跡點(diǎn)擬合出機(jī)器人主體中心的運(yùn)動(dòng)軌跡,圖10和圖11分別為機(jī)器人在正五邊形和圓弧運(yùn)動(dòng)時(shí)4個(gè)履帶單元中心點(diǎn)和機(jī)器人中心位置的軌跡圖。圖中Tc表示履帶單元中心點(diǎn),“x”和“o”分別表示機(jī)器人中心點(diǎn)和履帶單元中心點(diǎn)在起始處的位置。

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實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,機(jī)器人能完成在保持機(jī)頭朝向不發(fā)生變化的情況下向不同方向的移動(dòng),機(jī)器人每65 s完成一次五邊形平移運(yùn)動(dòng),在機(jī)器人改變履帶單元偏轉(zhuǎn)角度過程中機(jī)器人本體保持靜止;機(jī)器人在做圓弧運(yùn)動(dòng)過程中履帶單元的偏轉(zhuǎn)角度保持穩(wěn)定,32 s完成一次圓周運(yùn)動(dòng),每條履帶的運(yùn)動(dòng)方向和速度基本不變。

4 結(jié)論

本文介紹了被動(dòng)同心轉(zhuǎn)向式多履帶全向移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計(jì)、控制流程及實(shí)驗(yàn)測(cè)試。由于機(jī)器人采用履帶結(jié)構(gòu),與地面的接觸面積較大,在運(yùn)動(dòng)過程中不易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象,而且履帶結(jié)構(gòu)比輪式結(jié)構(gòu)有更好的承載能力。每個(gè)履帶單元都有轉(zhuǎn)向和前后移動(dòng)的能力,所有履帶都能在機(jī)器人運(yùn)行過程中提供驅(qū)動(dòng)功率,同時(shí)使用多個(gè)較小功率的驅(qū)動(dòng)電機(jī),就能使得機(jī)器人整體產(chǎn)生較大的驅(qū)動(dòng)功率,履帶結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中不存在震動(dòng),且可在地面狀況較差的環(huán)境下全向移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了被動(dòng)同心轉(zhuǎn)向式多履帶全向移動(dòng)機(jī)器人全向移動(dòng)的能力,證明了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制流程的正確性。

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    移動(dòng)機(jī)器人的分類與移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)研究現(xiàn)狀和未來發(fā)展的分析

    移動(dòng)機(jī)器人分類 移動(dòng)機(jī)器人從工作環(huán)境來分0可分為室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人和室外移動(dòng)機(jī)器人1按移動(dòng)方式來分!輪式移動(dòng)
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    移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)及其分類和空間定位技術(shù)詳解

    一、移動(dòng)機(jī)器人的分類 移動(dòng)機(jī)器人從工作環(huán)境來分, 可分為室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人和室外移動(dòng)機(jī)器人; 按移動(dòng)方式來分: 輪式
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    關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)與分類淺析

    通常采用輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu),室外移動(dòng)機(jī)器人為了適應(yīng)野外環(huán)境的需要,采用履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。一些仿生機(jī)器人
    發(fā)表于 11-26 10:03 ?1017次閱讀