基于定位系統(tǒng)測試的機(jī)器人定心裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化

謝錦嬌， 孔旭影

（北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100018）

0 引言

服務(wù)機(jī)器人已被國家明確指出作為未來優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略高技術(shù)。而隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展及社會需求的拓展，服務(wù)機(jī)器人有著廣闊的市場：一方面,隨著我國逐步進(jìn)入老齡化社會,助老服務(wù)機(jī)器人需求將出現(xiàn)井噴；另一方面,服務(wù)機(jī)器人在公共安全領(lǐng)域如救災(zāi)、安防等方面有越來越重要的作用；另外，醫(yī)療與教育對服務(wù)機(jī)器人的需求旺盛，這些都表明我國服務(wù)機(jī)器人的巨大市場[1]。服務(wù)機(jī)器人將成為國家提升制造業(yè)實力的高技術(shù)新興產(chǎn)業(yè)，是未來先進(jìn)制造業(yè)與現(xiàn)代服務(wù)業(yè)的重要組成部分[2-3]。

而服務(wù)機(jī)器人在絕大部分應(yīng)用場景下都需要具備自主移動能力，否則無論助老助殘、救災(zāi)安防，還是醫(yī)療服務(wù)、家庭服務(wù)、商業(yè)服務(wù)等方面都會受到巨大的限制。而應(yīng)用傳感器感知的信息實現(xiàn)可靠的定位是自主移動機(jī)器人最基本、最重要的一項功能,也是移動機(jī)器人研究中倍受關(guān)注、富有挑戰(zhàn)性的一個重要研究主題[4]。

定位技術(shù)包括環(huán)境感知、地圖匹配、位姿評估（定位）等方面。機(jī)器人的定位方式取決于所采用的傳感器，常用的傳感器有里程計、攝像機(jī)、激光雷達(dá)、超聲波、紅外線、微波雷達(dá)、陀螺儀、指南針、速度或加速度計等。與此相對應(yīng),機(jī)器人定位技術(shù)可分為絕對定位和相對定位技術(shù)。地圖的表示方法有拓?fù)鋱D、特征圖、網(wǎng)格圖及直接表征法等。位姿估計的方法主要有航位推算法、拓?fù)浔硎痉?、卡爾曼濾波估計、位置占有網(wǎng)格法等。

雖然定位技術(shù)涉及到很多方法，但對于整個定位系統(tǒng)效果的測量及評估方法卻幾乎沒有，因此本項目搭建移動機(jī)器人的定位系統(tǒng)測試平臺，以對不同定位方法有準(zhǔn)確的評估，促進(jìn)定位技術(shù)的發(fā)展。本文主要研究的定心裝置即該定位系統(tǒng)測試平臺的一個組成部分。

1 移動機(jī)器人定位系統(tǒng)測試平臺

移動機(jī)器人測試平臺如圖1所示，由機(jī)械部件、電子部件和軟件三大部分組成，其中機(jī)械部分包括X軸、Y軸兩個方向的7 m長的高精度導(dǎo)軌坐標(biāo)（安裝有磁柵尺）、信標(biāo)架、機(jī)器人定心裝置（安裝有激光測距儀）；電子部分包括電腦、激光傳感器、機(jī)器人接口模塊、通信子系統(tǒng)、磁柵尺測量及顯示子系統(tǒng)；軟件部分包括構(gòu)建顯示電子地圖、獲取測量數(shù)據(jù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、形成評價報告、配置系統(tǒng)五大功能。測試平臺系統(tǒng)采用的測量方法主要有磁柵尺讀坐標(biāo)法、激光傳感器掃描與等腰三角形定坐標(biāo)法，此外還有幾何中心定心法。定心裝置即幾何中心定位法的主要執(zhí)行部件。

圖1 測試平臺組成示意圖

2 定心裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

定心裝置是幾何中心定心法的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，幾何中心定心法是指通過使用一個規(guī)則的幾何圖形來估定一個不規(guī)則圖形中心位置的方法。定心裝置相當(dāng)于一個邊長可調(diào)的矩形遮罩，對不規(guī)則形狀的被測機(jī)器人夾緊，則矩形的中心可作為被測機(jī)器人的幾何中心，并以此中心坐標(biāo)作為機(jī)器人的位置坐標(biāo)，然后用被測機(jī)器人的自定位坐標(biāo)與該位置坐標(biāo)進(jìn)行比較評估。同時，定心裝置的高度在一定范圍里是可調(diào)整的，以適應(yīng)不同高度的機(jī)器人。

2.1 定心裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

定心裝置要能夠?qū)C(jī)器人在平面兩個相互垂直的方向上手動夾緊（高度方向不需夾緊），同方向的一對夾緊壓板能相對定心裝置頂板中心位置對稱移動，實現(xiàn)被測機(jī)器人在二維平面上的手動定心，即頂板中心及被測機(jī)器人的幾何中心；然后由安裝在頂板中心上的激光測距儀配合X軸、Y軸導(dǎo)軌坐標(biāo)及上面的磁柵尺，測量定心裝置中心坐標(biāo)，并以此作為被測機(jī)器人的位置坐標(biāo)。夾緊壓板的移動行程為300 mm，能應(yīng)用于兩個方向尺寸在300～900 mm以內(nèi)的被測機(jī)器人。其次，定心裝置高度可調(diào)整，能應(yīng)用于高度在0.4～1.4 m的被測機(jī)器人。同時在定心裝置的平面中心裝有手動轉(zhuǎn)臺，可帶動轉(zhuǎn)臺上的激光測距儀旋轉(zhuǎn)。

在總體結(jié)構(gòu)方案上，定心裝置采用鋁合金材料為主，由定心機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)組成。定心機(jī)構(gòu)是核心機(jī)構(gòu)，定心裝置的功能主要由定心機(jī)構(gòu)實現(xiàn)，分兩個相互垂直的方向?qū)ΨQ夾緊機(jī)器人，因此當(dāng)夾緊機(jī)器人時，定心結(jié)構(gòu)的中心就是機(jī)器人的中心。伸縮機(jī)構(gòu)是為了滿足不同高度的機(jī)器人而設(shè)計的，由2塊可以相對滑動的U型鋁合金板，通過側(cè)面孔用螺栓固定以鎖定高度。轉(zhuǎn)臺機(jī)構(gòu)為安裝在定心裝置平面中心的手動旋轉(zhuǎn)臺，可以根據(jù)主副尺對旋轉(zhuǎn)角度讀數(shù)，并有螺旋測溫頭進(jìn)行微調(diào)。圖2為定心裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 定心裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 定心夾緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

2.2.1 總體結(jié)構(gòu)

如圖3所示，定心夾緊裝置分為相同的2組，方向互相垂直，形成十字形，滿足4個夾緊壓板分為2對相對于中心對稱移動。2組在高度上分為2層，互不干擾，如圖4所示。夾緊壓板在直線光軸導(dǎo)軌上滑動，保證一對夾緊壓板在同一直線上移動。中心連桿相對于中心銷軸對稱轉(zhuǎn)動，關(guān)節(jié)軸承連桿具有相同的長度，保證一對夾緊壓板相對于中心銷軸對稱移動。中心連桿和關(guān)節(jié)軸承連桿、關(guān)節(jié)軸承連桿和夾緊壓板之間用關(guān)節(jié)軸承連接，使得連桿轉(zhuǎn)動較為順暢，不會卡住。如果采用普通軸承，則要求中心連桿及兩邊的關(guān)節(jié)軸承連桿完全在一個平面上，否則很容易卡住，這對加工精度及裝配精度要求很高，相應(yīng)成本也會增高。同時關(guān)節(jié)軸承也很容易安裝。導(dǎo)軌上的滑塊側(cè)面有螺紋孔及內(nèi)六角螺栓，夾緊壓板夾緊機(jī)器人時，可擰緊內(nèi)六角螺栓鎖定位置。

圖3 定心夾緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖4 定心夾緊機(jī)構(gòu)側(cè)面圖

2.2.2 連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

如上所述，夾緊壓板的對稱移動是由連桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)的。推動一個夾緊壓板移動，與其對應(yīng)的另一個夾緊壓板會對稱移動。連桿機(jī)構(gòu)是實現(xiàn)功能的核心機(jī)構(gòu)。

行程取決于中心連桿和關(guān)節(jié)軸承連桿的長度組合。滑臺壓板上的懸臂銷與壓緊面的距離為40 mm。設(shè)中心連桿長度為a（以兩個懸臂銷距離計算），關(guān)節(jié)軸承連桿長度為b（以兩個懸臂銷距離計算）。為了滿足夾緊壓板距離至少在300～900 mm之間。則a、b需滿足以下關(guān)系：

解得a=300 mm,b=340 mm。即中心連桿長度為300 mm（以兩個懸臂銷距離計算），關(guān)節(jié)軸承連桿長度為340 mm（以兩個懸臂銷距離計算）。這時最大距離和最小距離均為中心連桿與兩根關(guān)節(jié)軸承連桿在一條直線上的兩個極限位置，分別為900 mm和300 mm。

3 定心裝置的優(yōu)化設(shè)計

定心裝置設(shè)計最大的缺陷是太重，不利于人工操作，因此優(yōu)化的核心是保證功能的基礎(chǔ)上減少重量。重量最大的即頂板，頂板原來為厚度5 mm的鋁合金板，質(zhì)量為9.422 kg。因此頂板采用鋁型材框架結(jié)構(gòu)減重，如圖5所示?？蚣芙Y(jié)構(gòu)為3060鋁型材和3030鋁型材組成。新的框架設(shè)計中，3060米鋁型材重為1.59 kg/m，鋁型材總長度為（1120+407.5×2）×2=3870 mm=3.87 m，重量為3.87×1.37=6.15 kg；3030鋁型材米重為0.74 kg/m，總長度為185×5=925 mm，重量為0.925×0.74=0.6845 kg，框架總重6.15 kg+0.6845 kg=6.8345 kg，減重28%。

圖5 鋁型材框架式結(jié)構(gòu)定心裝置

圖6 定心裝置實物

除了使用鋁型材方式，還可以對頂板進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化減重，但拓?fù)鋬?yōu)化后的形狀較為不規(guī)則，不易加工，成本大幅增高。鋁型材框架式簡便易行，成本低。

4 結(jié) 語

定心裝置實物如圖6所示，經(jīng)過多次移動機(jī)器人定位測量實驗，證明定心裝置設(shè)計是成功的，能夠?qū)崿F(xiàn)對機(jī)器人在定心，作為移動機(jī)器人定位系統(tǒng)測試平臺的一個組成部分，可以完成移動機(jī)器人定位測量。證明這種方式測量機(jī)器人的位置坐標(biāo)是可行的。但還有操作不夠方便、強度不夠高等缺陷，且伸縮結(jié)構(gòu)較為簡單，對機(jī)器人高度的適應(yīng)性不夠廣泛，這些都將有待于進(jìn)一步改進(jìn)。

[1] 王田苗,陶永,陳陽.服務(wù)機(jī)器人技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].中國科學(xué):信息科學(xué),2012,42(9):1049-1066.

[2] 李群明,熊蓉,褚健.室內(nèi)自主移動機(jī)器人定位方法研究綜述[J].機(jī)器人,2003,25(6):560-566.

[3] 余運昌,李繡峰,鄧錦熾,等.自主移動服務(wù)現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)研究綜述[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2007,20(6):41-42.

[4] 禹建麗,張宗偉.自主移動服務(wù)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀淺析[J].中原工學(xué)院學(xué)報,2008,19(4):8-11.