一種全向移動(dòng)攀爬機(jī)器人的設(shè)計(jì)

王江華， 趙 燕

(1.華北科技學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，河北 三河 065201；2.燕京理工學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 三河 065201)

一種全向移動(dòng)攀爬機(jī)器人的設(shè)計(jì)

王江華1， 趙 燕2

(1.華北科技學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，河北 三河 065201；2.燕京理工學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 三河 065201)

為提高機(jī)器人在特定場(chǎng)地移動(dòng)的靈活性和沿柱面攀爬的能力，對(duì)傳統(tǒng)競(jìng)賽機(jī)器人從移動(dòng)方式、儲(chǔ)能方式、工作方式三方面進(jìn)行全面改進(jìn)，設(shè)計(jì)并制作出一種在特定工作環(huán)境下，支持全向移動(dòng)并兼有沿柱面攀爬的氣動(dòng)型機(jī)器人。該機(jī)器人采用3個(gè)全向輪搭建系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)優(yōu)化的坐標(biāo)變換方式控制3個(gè)運(yùn)動(dòng)伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的全向移動(dòng)；當(dāng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)檢測(cè)到目標(biāo)柱體時(shí)，前置壓力開(kāi)關(guān)自動(dòng)切換運(yùn)動(dòng)模式，氣動(dòng)裝置推動(dòng)攀爬機(jī)構(gòu)壓緊柱體，機(jī)器人進(jìn)入自動(dòng)攀爬狀態(tài)。系統(tǒng)采用了“兩主一從”攀爬方式，攀爬速度和精度均達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。經(jīng)過(guò)Matlab/Simulink仿真與實(shí)物現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，全向移動(dòng)平均方向偏差達(dá)0.82°、攀爬高度偏差率達(dá)0.68%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性與控制的精準(zhǔn)性，對(duì)提高競(jìng)賽機(jī)器人的性能具有一定的參考價(jià)值。

機(jī)器人； 全向移動(dòng)； 柱面攀爬； 氣動(dòng)型

0 引 言

當(dāng)今社會(huì)，機(jī)器人從工業(yè)領(lǐng)域逐漸過(guò)渡到民用領(lǐng)域，越來(lái)越多民用機(jī)器人被制造出來(lái)，應(yīng)用于我們生活的各個(gè)方面[1]。Google設(shè)計(jì)出擁有高度機(jī)動(dòng)能力的類(lèi)人機(jī)器人“Atlas”、韓國(guó)科技先進(jìn)研究院(KAIST)研發(fā)出從事危險(xiǎn)環(huán)境修復(fù)工作的機(jī)器人DRC-HuBo[2]、法國(guó)Aldebaran Robotics公司推出人工智能機(jī)器人Nao[3]，等等，可見(jiàn)世界對(duì)于機(jī)器人的渴求。我國(guó)也通過(guò)許多機(jī)器人競(jìng)賽，激勵(lì)當(dāng)代大學(xué)生涉足機(jī)器人研究領(lǐng)域，全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人大賽(ROBOCON)就是這樣一個(gè)賽事。本文通過(guò)對(duì)2016年比賽要求的分析，設(shè)計(jì)并制作出一種在特定工作環(huán)境下，支持全向移動(dòng)同時(shí)兼有沿柱面攀爬的氣動(dòng)型機(jī)器人。機(jī)器人具有三輪全向移動(dòng)平臺(tái)[4]，以及一整套氣動(dòng)系統(tǒng)。按照比賽要求，機(jī)器人先經(jīng)過(guò)一段自主移動(dòng)到達(dá)攀爬位置，通過(guò)單片機(jī)控制多路電磁閥切換機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，切換到攀爬工作方式，之后通過(guò)兩主一從電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)使機(jī)器人勻速爬升。使用Matlab仿真軟件中的Simulink功能，對(duì)本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行仿真測(cè)試[5]，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的靈活精準(zhǔn)性，為機(jī)器人的二次研發(fā)奠定了較好的基礎(chǔ)平臺(tái)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

機(jī)器人攀爬方案采用兩主一從的電機(jī)分布進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，即使用兩個(gè)主動(dòng)輪，一個(gè)從動(dòng)輪，通過(guò)伸縮氣缸使其夾緊立柱，利用橡膠輪與立柱之間的靜摩擦力勻速攀爬；機(jī)器人移動(dòng)方案采用3個(gè)間隔120°的全向輪組成三輪全向移動(dòng)平臺(tái)，通過(guò)坐標(biāo)變換使其可向任意方向以任意速度進(jìn)行移動(dòng)。整機(jī)控制采用電控與氣控兩部分，電控部分以STM32F103為控制核心，RS485用來(lái)實(shí)現(xiàn)手持式控制器與主控制器間的信息交換；氣控部分通過(guò)機(jī)身攜帶的4個(gè)2 L的塑料瓶?jī)?chǔ)存氣源，為整機(jī)氣動(dòng)控制提供能量，主控制器通過(guò)控制各路電磁氣閥以控制氣缸工作狀態(tài)從而驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)采用24 V鋰電池組為整機(jī)攀爬電機(jī)和電磁閥供電，再通過(guò)梯度降壓為其余各模塊供電，以此為機(jī)體提供穩(wěn)定電源。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)

2.1 氣動(dòng)結(jié)構(gòu)

無(wú)論是電機(jī)由豎直狀態(tài)到水平狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，還是動(dòng)力輪與輔助輪與立柱的夾緊過(guò)程，都需要一定的執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力。設(shè)計(jì)采用氣動(dòng)方式作為本部分的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。機(jī)器人氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)均為氣缸，其分布及功能如圖1所示。氣缸利用大氣壓差產(chǎn)生伸縮力，通過(guò)電磁換向氣閥實(shí)現(xiàn)快速的伸縮動(dòng)作并提供推力，期間能量消耗很小。氣缸由電磁換向氣閥控制，將壓縮空氣的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)機(jī)構(gòu)?？刂茪飧椎膭?dòng)作先要控制電磁換向氣閥[6-7]的動(dòng)作，本設(shè)計(jì)選用的是一款高壓大電流達(dá)林頓結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)芯片TD62081APG，以達(dá)到迅速準(zhǔn)確控制電磁閥的要求。

圖1 氣缸分布及功能

2.2 攀爬結(jié)構(gòu)

采用兩主一從攀爬方式，即2個(gè)主動(dòng)輪和1個(gè)輔助輪搭配，通過(guò)氣缸將其卡入相應(yīng)位置，通過(guò)橡膠輪的轉(zhuǎn)動(dòng)提供上升動(dòng)力。該種方式攀爬，既可以保證攀爬的效率，又可以提高機(jī)器人的載重能力。

機(jī)器人上升動(dòng)力由2個(gè)上升動(dòng)力電機(jī)提供。由于輔助輪材質(zhì)的原因，摩擦系數(shù)與2個(gè)由橡膠輪做成的主動(dòng)輪有明顯差異，故以下計(jì)算忽略輔助輪對(duì)于PVC管壁的摩擦。圖2為其受力分析圖，設(shè)系統(tǒng)質(zhì)量m=18 kg，g=10 N/kg,主動(dòng)輪半徑r=1.5 cm，輪與PVC管之間發(fā)生的是靜摩擦力。在初始加速階段，由靜摩擦力提供加速度：f>0.5 mg，轉(zhuǎn)矩T=fr，即T/r>0.5 mg，解得：T>1.125 N·m=11.25 kg·cm。在勻速爬桿過(guò)程中，受平衡力作用，單輪受到的摩擦力f=0.5 mg。由此數(shù)據(jù)分析，轉(zhuǎn)矩至少要在11.25 kg·cm以上[8-10]。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，確定主動(dòng)輪電機(jī)采用瑞士maxon RE35直流伺服空心杯減速電機(jī)，該電機(jī)額定功率90 W、額定轉(zhuǎn)速120 r/min、連續(xù)轉(zhuǎn)矩40 kg·cm。

圖2 受力分析圖

3 控制部分的分析與設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

(1) 主控制器與手持控制器設(shè)計(jì)。圖3為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，整個(gè)系統(tǒng)采用STM32F103RCT6為主控芯片[11]，包括低壓電源管理、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、各種檢測(cè)電路和接口以及蜂鳴器、模式選擇開(kāi)關(guān)、OLED屏幕顯示接口、電池電量檢測(cè)電路等必要的調(diào)試硬件。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

手持式控制器同樣采用STM32F103單片機(jī)作為中央處理器，先對(duì)信息進(jìn)行預(yù)處理，再將分類(lèi)優(yōu)化的數(shù)據(jù)以串口的方式發(fā)送給機(jī)器人主控制器。手持式控制器以搖桿電位器作為輸入控制，以便對(duì)機(jī)器人進(jìn)行精確控制；對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸，由于傳輸距離較長(zhǎng)，為提高傳輸穩(wěn)定性，降低誤碼率，采用RS485來(lái)實(shí)現(xiàn)手持式控制器與主控制器間的信息交換。RS485通信協(xié)議理論最遠(yuǎn)傳輸距離能達(dá)到3 km[12]，且具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

(2) 傳感器部分設(shè)計(jì)。傳感器部分包括機(jī)器人某些關(guān)節(jié)的限位開(kāi)關(guān)、底盤(pán)移動(dòng)輪的速度采集以及地面路線跟蹤電路。

限位開(kāi)關(guān)：通過(guò)控制單元設(shè)計(jì)預(yù)留的開(kāi)關(guān)量或模擬量的檢測(cè)接口接入。某些接口也同時(shí)用于控制舵機(jī)和電子調(diào)速器等，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的功能擴(kuò)展。

測(cè)速部分：機(jī)器人的底盤(pán)移動(dòng)輪采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)電機(jī)安裝光電編碼器，進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)檢測(cè)。單片機(jī)根據(jù)編碼器輸出的相位變化，來(lái)判斷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

地面路線跟蹤：地面路線跟蹤采用可見(jiàn)光反射檢測(cè)方式，利用地面不同顏色所反射光的強(qiáng)度不同來(lái)實(shí)現(xiàn)。在模擬場(chǎng)地中經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)測(cè)試，最終決定使用綠色可見(jiàn)光作為反射光。為了適應(yīng)外界的可見(jiàn)光變化，設(shè)計(jì)相應(yīng)的調(diào)節(jié)電路進(jìn)行閾值調(diào)節(jié)，從而提高機(jī)器人的場(chǎng)地適應(yīng)性[13]。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

(1) 核心控制單元。在機(jī)器人程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先搭建串口、PWM、脈沖輸入捕捉、A/D轉(zhuǎn)換、開(kāi)關(guān)量檢測(cè)、開(kāi)關(guān)量輸入輸出等驅(qū)動(dòng)層的程序，然后按照各部分功能選擇相應(yīng)算法，完成底盤(pán)電機(jī)的閉環(huán)控制、機(jī)器人氣動(dòng)電磁閥控制、地面自動(dòng)循跡控制、任務(wù)規(guī)劃等。對(duì)機(jī)器人核心控制部分采用順序控制中的條件控制方式，以限位開(kāi)關(guān)作為位置信息來(lái)完成工作模式的切換。

(2) 基于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的分層控制。機(jī)器人總體控制采用基于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的分層控制[14]，其控制原理框圖見(jiàn)圖4。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制作為其上層，電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制作為下層。上層控制器通過(guò)采集下層的電機(jī)轉(zhuǎn)速，根據(jù)坐標(biāo)系的變換，將轉(zhuǎn)速的調(diào)整轉(zhuǎn)換成實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)的調(diào)整，實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)與機(jī)器人根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)給出的期望值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)得到的偏差信號(hào)使用PID進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而控制機(jī)器人工作于期望速度。

圖4 基于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的分層控制框圖

(3) 三輪全向移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型。三輪全向移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)示意圖如圖5所示，該機(jī)器人由3個(gè)質(zhì)量、大小均相同的全向輪組成，各輪互成120°，且徑向?qū)ΨQ(chēng)。圖中xOy是機(jī)器人的絕對(duì)坐標(biāo)系;XOY為其相對(duì)坐標(biāo)系[15]。

圖5 三輪全向移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)示意圖

在機(jī)器人相對(duì)坐標(biāo)系中，以三輪全向移動(dòng)機(jī)器人的中心為參考點(diǎn)，以速度V為機(jī)器人的整體運(yùn)動(dòng)速度，圖5中將速度V沿機(jī)器人坐標(biāo)系XOY分解為vX、vY；ω表示機(jī)器人在相對(duì)坐標(biāo)系中的角速度，在機(jī)器人相對(duì)坐標(biāo)系中機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度表示為：(vx,vy,ω)；故3個(gè)輪邊沿線速度(va,vb,vc)與相對(duì)坐標(biāo)系中機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度關(guān)系如下：

(1)

在絕對(duì)坐標(biāo)系中，參考中心為機(jī)器人的中心O，機(jī)器人絕對(duì)坐標(biāo)系的坐標(biāo)用(x,y)表示；機(jī)器人的方向角用θ表示，機(jī)器人的位置和方向用廣義坐標(biāo)(x,y,θ)表示。機(jī)器人的中心距輪子中心的水平距離用L表示。

機(jī)器人相對(duì)和絕對(duì)坐標(biāo)系相對(duì)比有如下轉(zhuǎn)換關(guān)系：

(2)

在絕對(duì)坐標(biāo)系中，機(jī)器人輪子的速度(vx,vy,ω)與機(jī)器人相對(duì)坐標(biāo)系中輪子邊沿的線速度(va,vb,vc)之間的關(guān)系有：

(3)

機(jī)器人程序控制是在絕對(duì)坐標(biāo)系中進(jìn)行加減速控制，通過(guò)將控制量利用式(3)分解到機(jī)器人相對(duì)坐標(biāo)系中推算出3個(gè)輪子的設(shè)定速度，將設(shè)定速度與電機(jī)編碼器實(shí)時(shí)采集測(cè)量到的速度進(jìn)行對(duì)比調(diào)節(jié)，使機(jī)器人按照絕對(duì)坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)需求進(jìn)行工作。

4 仿真實(shí)踐與實(shí)物測(cè)試

4.1 全向移動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)基于Matlab/Simulink仿真平臺(tái)，主要對(duì)控制精度與全向運(yùn)動(dòng)能力進(jìn)行仿真驗(yàn)證。對(duì)三輪全向移動(dòng)平臺(tái)建立Simulink模型以驗(yàn)證其在絕對(duì)坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)與電機(jī)線速度之間的關(guān)系，其仿真軌跡如圖6所示。在絕對(duì)坐標(biāo)系中機(jī)器人以0.5 m/s的速度沿與x軸成37.5°的方向運(yùn)動(dòng)，各坐標(biāo)軸的分速度為：vx=0.3 m/s,vy=0.4 m/s。仿真過(guò)程分為3步：①機(jī)器人沿方位角θ=0°出發(fā)；②改變機(jī)器人方位角θ=30°；③改變機(jī)器人方位角θ=90°。綜合查看不同機(jī)器人朝向?qū)π羞M(jìn)路線偏差的影響以及各輪線速度變化情況，圖7為系統(tǒng)全向移動(dòng)仿真測(cè)試結(jié)果。

圖6 仿真軌跡圖

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使機(jī)器人以不同的方位角沿直線移動(dòng)多次，且每次移動(dòng)距離均為2 m，通過(guò)測(cè)量機(jī)器人最終停止點(diǎn)與目標(biāo)停止點(diǎn)的橫向距離來(lái)測(cè)試方向偏差，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

圖7 全向移動(dòng)仿真結(jié)果圖

機(jī)器人方位角,θ/(°)03090方向偏差,l/cm1.532.284.73

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，平均每階段偏差角為：

(4)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地說(shuō)明了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制模型的準(zhǔn)確性與全向移動(dòng)的靈活性。

4.2 攀爬測(cè)試

將機(jī)器人氣瓶充滿備用，開(kāi)啟自動(dòng)模式進(jìn)行路徑識(shí)別，當(dāng)機(jī)器人到達(dá)桿底時(shí)，攀爬限位開(kāi)關(guān)被觸發(fā)，主動(dòng)輪2鎖死，氣缸控制閥打開(kāi)，主動(dòng)輪1就位。自檢無(wú)誤后主動(dòng)輪電機(jī)啟動(dòng)，機(jī)器人勻速上升，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

攀爬測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)分析可知，平均爬桿高度誤差2.06 cm，立桿高度為3 m，故高度偏差率為0.69%。測(cè)試結(jié)果表明,機(jī)器人攀爬控制的精確性，驗(yàn)證了兩主一從攀爬方式的準(zhǔn)確性，測(cè)試精度滿足高空作業(yè)要求。

表2 攀爬測(cè)試數(shù)據(jù)表

注：自旋角度=橫向自旋距離/立柱周長(zhǎng)×360°

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并制作了一種在特定工作環(huán)境下，支持全向移動(dòng)同時(shí)兼有沿柱面攀爬的氣動(dòng)型機(jī)器人。通過(guò)仿真與測(cè)試，機(jī)器人可以靈活迅速在場(chǎng)地內(nèi)移動(dòng)，在攀爬過(guò)程中，憑借氣動(dòng)系統(tǒng)，能夠迅速切換運(yùn)行方式，在高壓下夾緊立柱進(jìn)行爬升。實(shí)踐結(jié)果對(duì)提高機(jī)器人的競(jìng)賽性能具有重要的參考價(jià)值。此機(jī)器人亦可用于進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，根據(jù)使用者的具體要求對(duì)機(jī)械手稍作改造便可應(yīng)用于電力系統(tǒng)檢修、電線除冰[16]等高空危險(xiǎn)作業(yè)，進(jìn)一步拓寬了機(jī)器人的實(shí)用范圍。

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Design of an Omni-directional Mobile Climbing Robot

WANGJianghua1，ZHAOYan2

(1. School of Electronic and Information Engineering， North China Institute of Science and Technology，Sanhe 065201， China； 2. College of Information Science and Technology，Yanching Institute of Technology， Sanhe 065201， China)

To get the flexibility of the robot to move in a particular field and ability to climb along the cylinder, the traditional contest robot is improved fully from three aspects of movement pattern, energy storage mode, and work mode. A pneumatic robot that supports omni-directional mobile and moving along the cylinder in a specific work environment is designed and produced. The robot uses three omni-directional wheels to realize motion, which is controlled by three servomotors, and optimized by the coordinate transformation, Thus, the omni-directional movement is achieved. When the movement platform detects the target cylinder, the front pressure switch automatically switches the movement mode, the pneumatic device drives the climbing mechanism to press the cylinder, and the robot enters the automatic climbing state. The system adopts the “two active one slave” climbing method, and the climbing speed and precision all reach the expected target. By using Matlab/Simulink simulation and physical field test, average direction deviation of omni-directional is 0.82°, climbing height deviation rate is 0.68%. The experimental results validate the effectiveness of the design and the precision of the control, and it has a certain reference value for improving the performance of the competition robot.

robot; omni-directional movement; cylinder climbing; pneumatic type

2016-09-26

河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(Z2015202)；華北科技學(xué)院科技基金項(xiàng)目(3142014072)

王江華(1981-)，男，河北邢臺(tái)人，碩士，講師，主要研究方向是智能控制、圖像處理以及電機(jī)控制等。

Tel.：13785699600；E-mail：jianghua960@163.com

趙 燕(1982-)，女，河北石家莊人，碩士，講師，現(xiàn)主要從事實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、管理、理論及實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研工作。

Tel.：13784464373；E-mail：zhaoyan137@163.com

TP 242.6

A

1006-7167(2017)06-0079-05