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。

    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。

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。

    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。

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)尾部的測速編碼器測量得到，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。

    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。

    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。

2.3 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

    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。

    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。

    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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作者信息

伍錫如1，2，王  方1

（1.桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林541004；2.廣西高校非線性電路與光通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林541004）