一種全方位移動機器人設(shè)計與研究＊

馮治國 ，王蕓蕓，竇忠宇

(貴州大學 機械工程學院，貴州 貴陽550025)

全方位輪式移動機器人由于可以不需姿態(tài)調(diào)整而實現(xiàn)平面內(nèi)任意方向的運動，因而其機動性及避障能力好，適合應用于如星球探險、AGV 運輸、醫(yī)療康復等領(lǐng)域，已成為全球機器人應用研究熱點。代表性研究有德國kassel 大學［1］、荷蘭Eindhoven 工業(yè)大學［2］及國防科技大學［3］研制的全方位移動機器人。雖然國內(nèi)外研究機構(gòu)對全方位輪式移動機器人技術(shù)已做大量研究工作，但在全方位輪結(jié)構(gòu)設(shè)計、運動學模型和動力學模型分析等方面仍有深入研究的余地。本實驗室在構(gòu)建全方位輪式移動機器人的基礎(chǔ)上，開展移動機器人輪子配置方案、全方位輪的設(shè)計與制造、運動學控制方法等方面的研究工作。

1 全方位移動機器人

1.1 全方位輪

全方位輪是全方位移動機器人實現(xiàn)任意方向的平移以及復雜弧線運動的核心部件。其技術(shù)特性的關(guān)鍵要點是有效的控制全方位輪的多邊形效應。因此，本文在深入研究德國kassel 大學的全方位輪結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將全方位輪的從動輥由傳統(tǒng)的紡錘形改成起伏形狀，如圖1 所示，旨在①減小多邊形效率，提高運動平穩(wěn)性，②增加從動輥與地面摩擦力。

1.2 全方位移動機器人平臺原理分析

圖1 全方位輪

圖2 移動平臺結(jié)構(gòu)布局

全方位移動機器人可由不同數(shù)目的全方位輪配置組合構(gòu)成移動平臺。圖2 所示的三輪和四輪結(jié)構(gòu)形式是常見的移動平臺配置方案。本文在研究文獻［3］-［5］的基礎(chǔ)上，深入研究三輪和四輪布局結(jié)構(gòu)，總結(jié)出如下結(jié)論:

①若機器人移動平臺運動速度相同，車體總功率相同，則三輪平臺的單個電機功率與四輪平臺單個電機功率關(guān)系:P31=4/3 P41;

②由圖3(a)所示的速度可達域圖可知，三輪平臺的速度可達域為正六邊形，四輪平臺的速度可達域為正四邊形，其速度可達域最大內(nèi)切圓半徑相等。在各向均勻性方面，三輪較四輪均勻。在單方向上(坐標軸)加速度方面，四輪布局可達速度是三輪1.244 倍。輪布局單個輪子加速度為，三輪布局單個輪子加速度，四輪是三輪的。即當車體的加速度相同時，四輪平臺單個驅(qū)動輪和地面的實際摩擦力小于三輪平臺驅(qū)動輪子和地面的摩擦力，如果因場地變化導致輪子和地面間的摩擦系數(shù)大幅度減小，首先會影響到三輪平臺。

圖3 三/四輪布局全向移動平臺速度、加速度可達域?qū)Ρ葓D

通過上述對比分析可知，四輪布局的移動平臺性能優(yōu)于三輪布局。因此，本文全方位移動機器人選用四輪配置的移動平臺。

1.3 全方位移動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

本實驗室設(shè)計的全方位移動機器人平臺，如圖4 所示。其關(guān)鍵部件為全方位輪驅(qū)動裝置(圖5)，選用無刷直流電機驅(qū)動全方位輪，其輸出軸與撓性聯(lián)軸器聯(lián)接，聯(lián)軸器安裝在全方位輪內(nèi)部，有效控制軸系尺寸和保護電機輸出軸。減震系統(tǒng)是全方位輪式移動機器人平臺設(shè)計重要部件，有效解決平臺運行過程中四輪不同時接觸地面導致的打滑或空轉(zhuǎn)問題。

圖4 全方位移動機器人平臺

圖5 全方位輪內(nèi)部構(gòu)造

根據(jù)設(shè)計要求，全方位移動平臺質(zhì)量為35 kg，最大載重量為50 kg，則每個輪子承受載荷為212.5 N。

設(shè)輪子與地面的滾動摩擦因數(shù)為μ=0.1，則

摩擦力f = 0.1 ×212.5 =21.25 N

車輪半徑r=0.1 m，

摩擦力矩t=fr=21.25 ×0.1 =2.125 Nm

所選電機參數(shù):額定功率P=0.06 kW，轉(zhuǎn)速為n=100 r ∕min，由T =9550 ×P/n =5.73 N·m，電機效率＞80%，則理論最大力矩T=4.58 Nm。

T ＞t，所選電機滿足驅(qū)動要求。

為了保證全方位輪的可靠性，對設(shè)計的全方位輪的輪轂和從動輥進行了強度分析。本文以輪轂為例，闡述其分析過程。輪轂采用鋁合金LY12 加工制造，其材料屬性ρ =2.78 ×103kg/m3，σb=420 MPa，σs=7.58 ×108Pa，E =7.0 ×1010Pa，ν =0.3。在UG 三維軟件的有限模塊中，采用四面體對輪轂進行網(wǎng)格劃分，輪轂中心處施加0.147 kN的載荷，以從動輥軸的2 個安裝槽作為約束。仿真結(jié)果，變形位移(Max)為1.098 × 10-2mm，應力(σmax)為4.359 ×106Pa ＜σs，所選材料符合設(shè)計要求。

2 全方位移動機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

全方位移動機器人運動控制的關(guān)鍵技術(shù)是四電機同步協(xié)調(diào)控制。本文根據(jù)全方位輪式移動機器人運動控制，選用TMS320F2812 DSP 控制器，H橋直流電機驅(qū)動模塊，構(gòu)建全方位輪的控制系統(tǒng)，如圖6 所示。其控制方法采用PWM 調(diào)速，每個全方位輪的直流電機由速度和方向兩路信號控制?；谌轿惠嗊\動速度分解，通過控制PWM 波形的占空比調(diào)壓變速，實現(xiàn)直線、斜線、旋轉(zhuǎn)三種運動軌跡模式。

圖6 控制系統(tǒng)實物圖

3 全方位移動機器人實驗

本文在構(gòu)建的全向移動機器人樣機平臺，進行了直線、斜線、旋轉(zhuǎn)運動測試，結(jié)果如圖7、圖8、圖9 所示。由圖可知，移動平臺直線運動軌跡最大誤差△＜10 mm、斜線運動軌跡最大誤差△＜20 mm，自轉(zhuǎn)運動軌跡最大誤差△＜20 mm。通過測試分析，發(fā)現(xiàn):①四臺電機同步協(xié)調(diào)控制時，電機轉(zhuǎn)速差異導致全方位輪轉(zhuǎn)速不一致;②全方位輪加工制造精度問題;③全方位輪的小棍子與測試地面的摩擦等因素導致動平臺軌跡跟蹤性能出現(xiàn)誤差。因此，本移動機器人下一階段研究工作重點是通過在全方位輪上安裝編碼器，實現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制，提高同步協(xié)調(diào)控制補償能力;增強全方位輪與接觸地面的摩擦等手段，提高移動平臺運動性能。

圖7 直線運動

圖8 斜線運動

4 結(jié)論

圖9 旋轉(zhuǎn)運動

本文在研究國外全向輪的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種全向輪，目的在于減小多邊形效應，增強從動輪與接觸地面摩擦力。在此基礎(chǔ)上，通過分析全向移動機器人平臺的原理，構(gòu)建了對稱分布的四輪全向移動平臺。選用DSP 控制器實現(xiàn)移動機器人平臺的直線、斜線及轉(zhuǎn)動的運動模式。實驗證明，移動平臺具有摩擦力大，運動平穩(wěn)的特點，實現(xiàn)了良好的全方位運動效果。

全向移動機器人平臺下一步研究工作:①改進減震結(jié)構(gòu)，提高四輪同步接觸地面，進一步避免打滑、空轉(zhuǎn)現(xiàn)象。②深入研究四輪同步協(xié)調(diào)控制算法，提高運動軌跡跟蹤能力。

［1］Skubch H. Modelling and Controlling of Behaviour for Autonomous Mobile Robots［D］.Germany:University of Kassel，2012.

［2］J De Best，R Van de Molengraft，Maarten Steinbuch.A novel ball handling mechanism for the RoboCup middle size league ［J］.Mechatronics，2011，201(2):469 -478.

［3］盧盛才. 足球機器人的設(shè)計與全向移動平臺的控制［D］. 長沙:國防科技大學，2009.

［4］陳旭東，孔令成，劉尊朋. 基于全向輪的機器人移動機構(gòu)運動分析與控制設(shè)計［J］. 測控技術(shù)，2012，31(1):48 -56.

［5］陸琦，沈林勇，章亞男，等. 基于輪轂電機驅(qū)動的全方位移動平臺［J］. 機械設(shè)計，2009，26(12):61 -64.