面粉廠吸塵機(jī)器人方輪式全方位行走機(jī)構(gòu)及定位糾偏設(shè)計(jì)

李光玲 周宏雷 張周新

（1.江蘇省信息融合軟件工程技術(shù)研發(fā)中心，江蘇 江陰 214405；2.江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 江陰 214405）

面粉廠廠房?jī)?nèi)小麥的輸送、破碎、磨研、篩分和包裝等生產(chǎn)環(huán)節(jié)都是產(chǎn)生粉塵的源頭，一方面工人長(zhǎng)期工作在粉塵中會(huì)造成呼吸道方面的疾病；另一方面粉塵會(huì)給面粉廠安全埋下隱患。隨著科技的進(jìn)步，吸塵機(jī)器人將會(huì)越來(lái)越多地替代人工用于粉塵清掃。在此過(guò)程中，要求吸塵機(jī)器人既要實(shí)現(xiàn)粉塵的全面清掃，又要降低成本，提高效率，節(jié)約能耗，而實(shí)現(xiàn)這些要求的關(guān)鍵在于機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)。由此，設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)、高效、節(jié)能的吸塵機(jī)器人全方位行走機(jī)構(gòu)越來(lái)越迫切。

國(guó)內(nèi)外雖然對(duì)行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究，但是全方位［1］的行走機(jī)構(gòu)還僅局限于幾種固有的形式：Swedish輪［2，3］、連續(xù)切換輪［4，5］、正交輪、偏心方向輪、球輪［6］，上述幾種機(jī)構(gòu)的共性是結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)復(fù)雜，電機(jī)成本高，電機(jī)無(wú)用功輸出較多，在不平坦的場(chǎng)合使用時(shí)，自控能力差，目前大都處于摸索階段，尚未能廣泛地在生產(chǎn)中應(yīng)用。

本研究擬通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)輪子布局方式及方形輪子的配套組合等關(guān)鍵部件，進(jìn)一步提高吸塵機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的工作效率，降低成本；通過(guò)光電移動(dòng)檢測(cè)傳感器解決吸塵機(jī)器人行進(jìn)過(guò)程中因廠區(qū)不平造成的路線偏離問(wèn)題；通過(guò)海綿接觸型傳感器避免吸塵機(jī)器人行進(jìn)過(guò)程中與廠區(qū)內(nèi)隨意擺放的障礙物的碰撞問(wèn)題，減小不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

1 傳統(tǒng)輪式機(jī)器人的不足

傳統(tǒng)的輪式機(jī)器人普遍采用左右輪驅(qū)動(dòng)加上萬(wàn)向輪輔助支撐的二自由度移動(dòng)方式［7，8］，它在向左或右運(yùn)動(dòng)時(shí)需有一個(gè)轉(zhuǎn)彎的過(guò)程，目前的輪式機(jī)器人一次轉(zhuǎn)彎相當(dāng)于它平均行走0.785（π/4）個(gè)輪間距。這種行走方式最大的缺點(diǎn)是耗時(shí)又耗能，且最困難的是難以在轉(zhuǎn)彎后與原方向保持垂直。

如圖1所示，假設(shè)機(jī)器人在行進(jìn)過(guò)程中遇到一垛斜向設(shè)置的墻，傳統(tǒng)的二自由度移動(dòng)機(jī)構(gòu)所走的總長(zhǎng)度為：

式中：

L——行走的總長(zhǎng)度，cm；

L1——斜向墻在X方向的投影長(zhǎng)度，cm；

L2——斜向墻在Y方向的投影長(zhǎng)度，cm；

D——兩行走輪的輪間距，cm；

S——行走機(jī)構(gòu)的步進(jìn)距離或坐標(biāo)單位長(zhǎng)度，cm。

圖1 某一垛斜向墻示意圖Figure 1 Schematic of a certain diagonal wall

假設(shè)機(jī)器人的移動(dòng)速度為25cm/s，啟動(dòng)到停止用時(shí)0.4s，每次轉(zhuǎn)過(guò)90°用時(shí)3s（轉(zhuǎn)彎速度不能太快，否則慣性對(duì)轉(zhuǎn)過(guò)的角度有較大的影響），則機(jī)器人在這個(gè)過(guò)程中所用的總時(shí)間約為105s，實(shí)際的有效行程僅為80cm，有效時(shí)間為3.2s。對(duì)于理想的全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)就應(yīng)減少其中的轉(zhuǎn)彎過(guò)程，如果考慮機(jī)器人啟停時(shí)間，則所用的時(shí)間為15.2s。

由此可見，如果大功率機(jī)器人采用傳統(tǒng)移動(dòng)方式會(huì)浪費(fèi)大量的電能，而且效率低。

2 方輪式全方位行走機(jī)構(gòu)

2.1 行走輪

行走機(jī)構(gòu)采用兩組軸線互相垂直的輪系，在排列方式上輪子共4列，呈長(zhǎng)方形排列，同方向轉(zhuǎn)動(dòng)的為一組；在輪子形狀上將傳統(tǒng)意義上圓形改成方形輪子，目的是利用它的長(zhǎng)徑抬高車位使其在垂直方向的輪子被抬離地面而不成為阻礙。

行走輪的工作原理如圖2所示：當(dāng)行走機(jī)構(gòu)不動(dòng)時(shí)，所有輪子由于慣性作用停留在一個(gè)平面上（即方輪的一條邊與地面接觸），也就是行走機(jī)構(gòu)的最低位置；當(dāng)一組輪子開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，整個(gè)機(jī)構(gòu)被漸漸抬離地面，另一組輪子也跟著被抬離地面，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)的輪子轉(zhuǎn)過(guò)其最高位置后，靠整個(gè)機(jī)構(gòu)的重力慣性又回到它的最低位置（方輪的另一條邊）。如此重復(fù)，兩個(gè)電動(dòng)機(jī)交差運(yùn)行，加上正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，機(jī)構(gòu)可隨時(shí)向前后左右作直線運(yùn)動(dòng)。

圖2 行走輪工作原理Figure 2 Working principle of walking wheel

2.2 糾偏輪

為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，行走機(jī)構(gòu)增加糾偏輪，它是套裝在行走輪一側(cè)的輪軸上的單獨(dú)驅(qū)動(dòng)（差動(dòng)）的比行走輪略小的非圓形或圓形偏心輪上。如圖3所示，行走機(jī)構(gòu)的輪子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，糾偏輪不轉(zhuǎn)；行走結(jié)構(gòu)不動(dòng)時(shí)，糾偏輪可（正向或反向）轉(zhuǎn)動(dòng)糾偏。如此行走機(jī)構(gòu)完全可以在前后、左右、轉(zhuǎn)向3個(gè)動(dòng)作上任意轉(zhuǎn)換，并且轉(zhuǎn)換過(guò)程不需要多余時(shí)間和動(dòng)作。

圖3 糾偏輪工作原理Figure 3 Working principle of correcting wheel

2.3 輔助行走輪

在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，多邊形輪子在邊長(zhǎng)相等的情況下，邊數(shù)越多，跨越的高度越小；同形輪子為了提高跨越高度，只能增大輪子的尺寸，但相應(yīng)的步距也同比增加。在對(duì)步距精度要求高的場(chǎng)合，需對(duì)行走機(jī)構(gòu)做進(jìn)一步改進(jìn)：在每組輪子（行走輪）的輪軸上再增加一組非圓形輪，其長(zhǎng)徑略大于多邊形輪子的短徑，且有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在此稱它為輔助行走輪。其具體工作原理（圖4）為：當(dāng)行走輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輔助行走輪不轉(zhuǎn)，行走機(jī)構(gòu)大步距移動(dòng)；當(dāng)機(jī)器人需要小步距調(diào)整時(shí)，行走輪不轉(zhuǎn)，輔助行走輪轉(zhuǎn)動(dòng)，將行走機(jī)構(gòu)略微抬升移動(dòng)。

輔助行走輪類似于糾偏輪，但與糾偏輪的區(qū)別在于糾偏輪是空套在行走輪輪軸上的單側(cè)輪（也可以是各自獨(dú)立的雙側(cè)輪），而輔助行走輪則是對(duì)稱分布在行走輪輪軸上的同軸雙側(cè)輪；糾偏輪是可以只存在在前后輪或左右輪中的一組上（也可以兩組上都有），而輔助行走輪則是在前后驅(qū)動(dòng)輪輪軸和左右驅(qū)動(dòng)輪輪軸上都有。

圖4 輔助行走輪工作原理Figure 4 Working principle of auxiliary wheel

3 定位糾偏方案

3.1 多套光電傳感器配合

在實(shí)際使用中，吸塵機(jī)器人的工作空間會(huì)由于地表不平等因素在移動(dòng)中都會(huì)偏離預(yù)計(jì)的路線。本設(shè)計(jì)利用新的移動(dòng)平臺(tái)和多冗余度光電感知系統(tǒng)，并結(jié)合特征點(diǎn)匹配（比如充電座、比如障礙物的轉(zhuǎn)角）的軟件輔助定位方案，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，結(jié)合模糊控制算法［9］，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人定位糾偏的精度提高。

傳統(tǒng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)中位置變化相對(duì)穩(wěn)定的只有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪連線的中心位置，最多能搭載一套光電移動(dòng)檢測(cè)傳感器，容易產(chǎn)生誤差。而本研究采用不需轉(zhuǎn)彎的行走機(jī)構(gòu)，因而可以在機(jī)器人底部4個(gè)角附近安裝4套光電移動(dòng)檢測(cè)傳感器，機(jī)器人每移動(dòng)一步，傳感器均能記錄其在橫向移動(dòng)了多少、在縱向移動(dòng)了多少。同時(shí)，可利用對(duì)光電傳感器的檢測(cè)，自動(dòng)調(diào)整驅(qū)動(dòng)行走輪、輔助行走輪、糾偏輪轉(zhuǎn)過(guò)固定角度所需要的脈沖寬度（PWM）。可供選擇的移動(dòng)檢測(cè)傳感器還包括超聲波、激光測(cè)距傳感器方案［10，11］。

3.2 海綿接觸型傳感器

面粉廠由于原料、貨物、人員流動(dòng)性較大，造成廠房?jī)?nèi)障礙物位置的隨意性增大，為避免吸塵機(jī)器人與工作空間內(nèi)的貨物、生產(chǎn)設(shè)備發(fā)生碰撞，造成不必要的損失，本研究設(shè)計(jì)了海綿接觸型傳感器。它是在吸塵機(jī)器人外殼上覆蓋一層有一定厚度的海綿，并在海綿下安裝薄膜式微動(dòng)開關(guān)。當(dāng)安裝接觸傳感器的機(jī)器人遇到障礙物時(shí)，表面的海綿受壓，壓力迅速被海綿吸收并傳遞到反面的塑料薄膜式微動(dòng)開關(guān)上，相當(dāng)于微動(dòng)開關(guān)被直接壓下，這樣吸塵機(jī)器人便可感知某一方向上或某一部位遇到了障礙物。這種接觸型傳感器可利用海綿本身的張力固定在吸塵機(jī)器人表面所需安裝的部位，具有工藝簡(jiǎn)單、安裝方便、重量輕、成本低等特點(diǎn)。

4 方輪行走機(jī)構(gòu)實(shí)例及性能分析

4.1 定位糾偏行走機(jī)構(gòu)實(shí)例

按照上述原理設(shè)計(jì)的8個(gè)方輪的全方位行走機(jī)構(gòu)［12，13］結(jié)構(gòu)圖見圖5。

圖5 八方輪行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Figure 5 Structure diagram of 8quartet-wheels walking mechanism

經(jīng)過(guò)變型設(shè)計(jì)，也可以設(shè)計(jì)成兩輪驅(qū)動(dòng)的方輪行走機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)見圖6，實(shí)物見圖7。

4.2 性能分析

按照行走機(jī)構(gòu)的應(yīng)用需求，既可選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，也可選用直流電機(jī)［14］。若需實(shí)現(xiàn)控制精準(zhǔn)則選用步進(jìn)電機(jī)，但其成本高、驅(qū)動(dòng)復(fù)雜、負(fù)載能力低；而采用普通直流電動(dòng)機(jī)，則可降低成本、控制簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)大功率驅(qū)動(dòng)。

由于采用“雙向驅(qū)動(dòng)”加上“凸輪糾偏”的設(shè)計(jì)，行走機(jī)構(gòu)完全可以使其在前后、左右移動(dòng)和調(diào)整方向3個(gè)動(dòng)作上任意轉(zhuǎn)換，不需要多余的時(shí)間和動(dòng)作，遇到障礙時(shí)可以直接橫向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，省略了原地轉(zhuǎn)向的動(dòng)作，縮短了時(shí)間，提高了效率，節(jié)約了電能。

行走機(jī)構(gòu)部件模塊化、參數(shù)可調(diào)整、可重構(gòu)特點(diǎn)使其具有很大的靈活性。如可根據(jù)使用規(guī)模、地面環(huán)境，采用不同功率和不同電壓電機(jī)、不同長(zhǎng)度和不同粗細(xì)輪軸、不同大小、不同形狀、厚度及材質(zhì)的行走輪、輔助行走輪和糾偏輪，得到適用的全方位行走機(jī)構(gòu)［8］。

5 結(jié)論

以此全方位行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的吸塵機(jī)器人不僅能實(shí)現(xiàn)粉塵的全面清掃，而且具有行走準(zhǔn)確，轉(zhuǎn)彎便捷，成本低、控制精確、高效節(jié)能、配置靈活等優(yōu)點(diǎn)；多套光電移動(dòng)檢測(cè)傳感器和海綿接觸型傳感器配合，解決了機(jī)器人的移動(dòng)控制和定位糾偏難題和與障礙物碰撞的難題。此全方位行走機(jī)構(gòu)不僅可應(yīng)用于面粉吸塵機(jī)器人，還可推廣應(yīng)用于自動(dòng)地面打臘機(jī)、自動(dòng)清掃機(jī)、自動(dòng)拖地機(jī)、自動(dòng)打磨拋光設(shè)備、自動(dòng)割草機(jī)、掃雷機(jī)器人等裝置，具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖6 兩輪驅(qū)動(dòng)的四方輪行走機(jī)構(gòu)圖Figure 6 Diagram of two-wheel driving for quartet-wheels walking mechanism

圖7 兩輪驅(qū)動(dòng)的四方輪行走機(jī)構(gòu)實(shí)物Figure 7 Diagram of the practical omni-directional and correcting position for mobile robots

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