模塊化輪距可調(diào)式輪式機器人設計與實現(xiàn)*

曹洋濤,王 微,王延旭,韓嘉璐,羅曉琪,陳興文

( 大連民族大學信息與通信工程學院，遼寧 大連 116600)

1 系統(tǒng)設計背景

災后現(xiàn)場地形環(huán)境條件存在諸多不確定性，往往搜索、救援、偵查等應急工作又要刻不容緩開展，而傳統(tǒng)機器人由于運動形式單一、靈活性不高，難以滿足復雜地形條件的工作要求。針對這一現(xiàn)實問題，團隊在傳統(tǒng)輪式機器人設計的基礎上，借鑒模塊化輪距可調(diào)機器人設計思想，對機器人底盤進行了重構形態(tài)設計，以適應不同地形環(huán)境下的高效工作。

為了滿足機械結(jié)構多形態(tài)變化的功能實現(xiàn)，在電氣控制上采用模塊化設計方法，構建了四輪獨立轉(zhuǎn)向驅(qū)動控制系統(tǒng)；同時集成了通訊及傳感器模塊，對機器人移動輪轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速等進行數(shù)據(jù)采集，依據(jù)采集數(shù)據(jù)進行PID算法控制，確保輪式機器人獨立轉(zhuǎn)向驅(qū)動控制精度。試驗結(jié)果表明：該機器人能夠通過上位機或遙控器實現(xiàn)其獨立轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速控制功能，經(jīng)0.4s～0.72s作用時間移動輪轉(zhuǎn)速即可達到穩(wěn)態(tài)，因此系統(tǒng)具有較好控制穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)速控制精度。

2 機器人總體設計

輪距可調(diào)式輪式機器人系統(tǒng)主要由3個大部分構成，分別為機器人底盤、供電系統(tǒng)以及電氣控制系統(tǒng)，設計任務承載質(zhì)量大于等于20 kg，整機自身質(zhì)量15 kg，行走速度1m/s。其底盤爆炸結(jié)構如圖1所示[1]。為了適應復雜多變地形環(huán)境的作業(yè)，采用高底盤結(jié)構和麥克納姆輪，一層底盤距地面高度6.35 cm，常規(guī)工況下前后輪軸距45.4 cm，左右輪距59.4 cm。

圖1 底盤爆炸結(jié)構圖

為了提高機器人在復雜地形環(huán)境的工作適應能力，根據(jù)其自身質(zhì)量、行駛阻力、爬坡性能、動力匹配等因素，在常規(guī)底盤設計的基礎上設計了具有輪距可調(diào)的傳動機構設計[2]，用于調(diào)整輪距的傳動絲桿,調(diào)整范圍在0 cm～35 cm。其具體結(jié)構如圖2所示。

其工作原理是通過24V雙軸電機帶動光杠旋轉(zhuǎn)提供5.6 kg·cm的轉(zhuǎn)矩，20×0.6錐齒輪與另外兩個20×0.6錐齒輪嚙合。因錐齒輪一般成對出現(xiàn)，所以兩側(cè)的齒輪旋轉(zhuǎn)方向相反，絲杠安裝方向相反。應使絲杠大小相同，螺距相同，輪間距與光杠的距離相同，則可保證車體平衡。錐齒輪帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，帶動法蘭螺母進行平移帶動輪系裝配進行伸縮。為了確保輪距變化時車身平穩(wěn)，采用絲杠傳動帶動法蘭螺母方式進行輪間距調(diào)整，即法蘭螺母只有一個方向的自由度，保證改變輪間距時車身平穩(wěn)。

圖2 具有輪距可調(diào)的傳動機構

3 機器人控制系統(tǒng)硬件設計

由圖3所示的硬件結(jié)構可以看出，控制系統(tǒng)的整體結(jié)構主要由 4 個大部分組成，包括中央處理器模塊、驅(qū)動執(zhí)行器模塊、手機移動端以及遙控器[3]。其中：1)系統(tǒng)的中央處理器模塊與手機端進行藍牙通信，主要負責信息的匯聚，并且能夠接收遙控器發(fā)送的無線數(shù)據(jù)； 2)驅(qū)動執(zhí)行器模塊采用脈沖寬度調(diào)制PWM波給予信號線驅(qū)動，電機驅(qū)動芯片采用BTN7971和BTN7960； 3)手機移動端通過藍牙通訊方式與中央處理器模塊相互通訊，可實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)的采集、顯示等功能; 4)遙控器可與中央處理器模塊無線通訊，可對機器人本體的運動方式進行控制，從而方便試驗與研究的過程。

圖3 機器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構

4 機器人控制策略

文中所設計的機器人主要是采用四輪獨立驅(qū)動轉(zhuǎn)向控制模式，與一般的差速轉(zhuǎn)向和兩輪轉(zhuǎn)向控制相比，具有更高運動靈活性、更小的轉(zhuǎn)向半徑以及較好的復雜地形環(huán)境適應性，具有較高的可靠性與實用性。

4.1 四輪獨立驅(qū)動控制方案

圖4以右前輪獨立驅(qū)動控制為例說明控制方案設計。當用戶通過手柄探控儀對機器人進行控制時，將數(shù)據(jù)發(fā)送給手柄信號接收端，并傳送至主控芯片。主控芯片將所得命令以脈沖寬度調(diào)制PWM波的形式給予電機驅(qū)動芯片BTN7971和BTN7960，從而實現(xiàn)輪式機器人的前進，左右平移和變軌等操作，還通過PID算法和六軸陀螺儀的雙重校準以實現(xiàn)無極變軌的平移以應對復雜路況。此外主控芯片向藍牙模塊HC-05發(fā)送電機轉(zhuǎn)速目標值，轉(zhuǎn)速讀取值，實時角度，角度偏移量等值使得用戶終端可以清晰明了得知機器人運作時的各種信息。

4.2 控制算法參數(shù)整定

系統(tǒng)轉(zhuǎn)向驅(qū)動控制采用 PID 控制算法，參數(shù)整定主要根據(jù)經(jīng)驗以及多次調(diào)試效果，參數(shù)按照先比例，再積分，最后微分的原則進行。具體參數(shù)整定過程原則如下：首先單獨調(diào)整比例控制環(huán)節(jié)參數(shù)P，使其底盤運動較快達到穩(wěn)態(tài)；其次針對比例控制環(huán)節(jié)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差引入積分控制環(huán)節(jié)，積分控制參數(shù)P選取不宜太大，可以避免比例環(huán)節(jié)控制過調(diào)問題的產(chǎn)生；最后由于系統(tǒng)不具有超滯后特性，可通過設定較小的微分參數(shù)D，使整個系統(tǒng)處于較小的超調(diào)狀態(tài)，確保系統(tǒng)具有較高的控制精度和快速進入穩(wěn)態(tài)的時間。PID三個參數(shù)的調(diào)整需要在實踐中進行不斷調(diào)整就可達到預期的控制效果。

圖4 四輪獨立驅(qū)動硬件控制方案

5 試驗及結(jié)果分析

5.1 輪距變換控制性能試驗

為了更好的實現(xiàn)輪距變換控制功能，對其輪距變換時間及準確度進行了試驗，將機器人放置于平坦路面上，用戶經(jīng)上位機給出設定的輪距值，并記錄下實際輪距值與達到目標輪距所需時間數(shù)據(jù)。當目標電機邊距為10 cm時，試驗所需時間為8.23 s；當目標電機邊距為15 cm時，試驗所需時間12.29 s;當電機目標邊距為20 cm時，試驗所需時間為16.61 s；當電機目標邊距為25 cm時，試驗所需時間為21.34 s；當電機目標邊距為30 cm時，試驗所需時間為26.18 s。從測試數(shù)據(jù)可以看出輪距變化達到目標值所用的時間與輪距值成正比，可見系統(tǒng)的具有較好機械和電氣性能。

5.2 轉(zhuǎn)速控制響應時間試驗

為了檢測達到目標轉(zhuǎn)速響應時間特性，測試時將車體懸空，在車輪空轉(zhuǎn)的情況下，對機器人進行了轉(zhuǎn)速控制試驗。文中對rpm400的目標轉(zhuǎn)速情況進行測試，當用戶經(jīng)上位機對機器人設定目標值，轉(zhuǎn)速迅速達到目標值附近，隨后開始輕微波動，直至最終穩(wěn)定目標轉(zhuǎn)速左右上下輕微浮動，并保持此轉(zhuǎn)速一直運轉(zhuǎn)。圖5為此實驗條件下的轉(zhuǎn)速控制響應時間曲線圖。

圖5 轉(zhuǎn)速控制過程響應時間曲線

6 結(jié)束語

筆者根據(jù)設計需求，對模塊化可重構輪式機器人進行了機械結(jié)構和控制系統(tǒng)的設計，并完成了機器人的相應制作。機器人可達到通過變換輪距實現(xiàn)在障礙物較多的狹窄路面通行的要求；如果再增加機器視覺模塊可實現(xiàn)無人自動化操作，以提高安全系數(shù)與作業(yè)效率。