四輪移動(dòng)機(jī)器人平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周衛(wèi)華， 張德發(fā)

(臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 臺州 318000)

0 引 言

移動(dòng)機(jī)器人已經(jīng)成為機(jī)器人領(lǐng)域一個(gè)重要的分支，在軍事、危險(xiǎn)作業(yè)和服務(wù)業(yè)等行業(yè)發(fā)揮著越來越重要的作用[1-2]。

移動(dòng)機(jī)器人按照運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)可分為輪式、履帶式和腿式等。其中輪式移動(dòng)機(jī)器人由于其機(jī)構(gòu)簡單、運(yùn)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，尤其受到青睞[3-4]?？紤]到文中研究的對象是輪式移動(dòng)機(jī)器人，故后續(xù)所稱的移動(dòng)機(jī)器人都是指輪式移動(dòng)機(jī)器人。物體在平面上具有三個(gè)自由度，分別為前后運(yùn)動(dòng)、左右運(yùn)動(dòng)和自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，傳統(tǒng)的汽車具有的自由度少于三個(gè)，又如文獻(xiàn)[5]中描述的四輪移動(dòng)車，具有前后運(yùn)動(dòng)和自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的能力，但是不能橫向移動(dòng)。全方位移動(dòng)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)前后、左右和旋轉(zhuǎn)三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)靈活性高，可以原地旋轉(zhuǎn)，在狹小空間運(yùn)動(dòng)優(yōu)勢明顯，如物流倉儲行業(yè)、星球探測[6]和服務(wù)機(jī)器人等。

全方位移動(dòng)平臺需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)，如文獻(xiàn)[7]中采用專用芯片作為主控制器來控制基于Mecanum輪全方位移動(dòng)機(jī)器人，控制簡單，但是很難做進(jìn)一步的擴(kuò)展與深入研究。東南大學(xué)的夏國慶[8]用主控芯片DSP2812控制四個(gè)電機(jī)，每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)Mecanum輪。這種方法的優(yōu)勢在于節(jié)省成本，但是外圍電路設(shè)計(jì)復(fù)雜且穩(wěn)定性較差。

本文設(shè)計(jì)的輪式機(jī)器人采用工控主板作為主控制器，計(jì)算功能強(qiáng)大，而且豐富的接口可以方便擴(kuò)展，為進(jìn)一步深入研究提供了良好的硬件平臺。

1 連續(xù)切換輪的結(jié)構(gòu)

連續(xù)切換輪的輪轂周圍由十根輥?zhàn)酉嗷ソ诲e(cuò)排列，輥?zhàn)优c輪轂是相互垂直，如圖1所示。

圖1 連續(xù)切換輪

圖2 連續(xù)切換輪(直徑10 cm)

連續(xù)切換輪不僅具有軸向滾動(dòng)的能力，且十根輥?zhàn)右材芾@自身軸旋轉(zhuǎn)。圖2所示為正交連續(xù)切換輪的實(shí)際樣機(jī),其中輪轂是主動(dòng)輪，輥?zhàn)邮潜粍?dòng)輪。輥?zhàn)釉谕饬Φ淖饔孟吕@著自身的軸旋轉(zhuǎn)，速度方向與輪轂的速度方向垂直。

圖3 移動(dòng)機(jī)器人布局示意圖

平面運(yùn)動(dòng)包含前后運(yùn)動(dòng)、左右運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)三個(gè)自由度，故移動(dòng)機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng)，必須要有三個(gè)或三個(gè)以上的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的輪子。四輪機(jī)構(gòu)相對于三輪結(jié)構(gòu)，車體穩(wěn)定性好且易于控制，四輪以上則結(jié)構(gòu)冗余，故文中采用四輪的結(jié)構(gòu)[9]。移動(dòng)機(jī)器人樣機(jī)四輪對稱放置，采用正交的排布方式，輪1與輪3平行，輪2與輪4平行，組成一個(gè)正方形，如圖3所示。

不考慮輪子與地面打滑的情況，可得移動(dòng)機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：

(1)

式中:ω1～ω4分別為四輪的旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s;Vx、Vy和ω分別為移動(dòng)機(jī)器人X軸速度、Y軸速度以及繞中心軸的旋轉(zhuǎn)角速度;Vx、Vy,m/s，ω,rad/s;R為運(yùn)動(dòng)學(xué)逆矩陣。R表達(dá)式如下所示：

(2)

式中：r為連續(xù)切換輪的半徑，m;l為輪子中心到車體中心的距離，m。

(3)

式(3)可以化簡為：

(4)

式中:R+=(RT·R)-1·RT。計(jì)算可得：

(5)

由式(5)可得移動(dòng)機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系為：

(6)

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為了進(jìn)一步分析連續(xù)切換輪在實(shí)際運(yùn)行中的特性，本文設(shè)計(jì)并制作了四輪全方位移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，從整體上研究連續(xù)切換輪的特性以及全方位機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能。每個(gè)輪子采用直流無刷電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的方式。電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速和位置信息通過光電碼盤反饋給驅(qū)動(dòng)器。

移動(dòng)小車采用直流工控主板作為主控制器，型號是ITX-i7415。該工控主板支持Intel i5 CPU,最高2.4 GHz，4 GB DDR的內(nèi)存。同時(shí)支持6個(gè)RS232接口，以及2個(gè)32 bit/33 MHz Mini PCI 插槽，2個(gè)32 bit/33 MHz PCI 插槽。

電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器采用Copley公司生產(chǎn)的ACJ型無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間通過CAN網(wǎng)絡(luò)連接起來。CAN (Controller Area Network)是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò),具有實(shí)時(shí)性高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，通信速度可以達(dá)到1 Mbit/s。

CAN有兩種數(shù)據(jù)通信方式：SDO和PDO。SDO是一種應(yīng)答式的傳輸方式，可以實(shí)現(xiàn)一對一，一對多數(shù)據(jù)訪問，每個(gè)消息都需要一個(gè)應(yīng)答。相對而言，過程數(shù)據(jù)對象PDO不需要對每個(gè)消息生成一個(gè)應(yīng)答，主要用來處理傳輸實(shí)時(shí)性要求較高的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的傳輸可以是點(diǎn)對點(diǎn)，也可以是廣播。由于SDO是一種應(yīng)答式的傳送方式，相對于PDO而言，速度會慢一些。但是，PDO的通信方式需要SDO先行設(shè)置。在本系統(tǒng)中，對于需要經(jīng)常交互的數(shù)據(jù)，如電機(jī)的電流、速度等信息，采用PDO的報(bào)文方式，其他數(shù)據(jù)采用SDO的報(bào)文方式。

圖4 電控系統(tǒng)框圖

上位機(jī)(工控主板)通過擴(kuò)展CAN卡與各個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成CANOpen網(wǎng)絡(luò)。在CANOpen網(wǎng)絡(luò)中，上位機(jī)作為master,可以實(shí)時(shí)控制各個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，各個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器作為CANOpen網(wǎng)絡(luò)的Slave。同時(shí)，電機(jī)的速度、位置和力矩等信息可以通過CANOpen網(wǎng)絡(luò)反饋給上位機(jī)。

電控系統(tǒng)的總體框圖如圖4所示。

圖5 上位機(jī)軟件類的架構(gòu)

圖6 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制流程圖

上位機(jī)軟件是在Windows平臺下開發(fā)的，采用Visual C++的編程語言。

上位機(jī)軟件的整體架構(gòu)如圖5所示，采用具體的類來描述移動(dòng)小車的各個(gè)組成部分。

其中，人機(jī)界面類主要負(fù)責(zé)小車的整體運(yùn)動(dòng)情況，包括移動(dòng)小車各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)等操作。Device類用于描述NMT網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)CAN的節(jié)點(diǎn)，包含所有可以連接在CAN網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備。由于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器只是一種特殊的CAN設(shè)備，所有在類圖中電機(jī)驅(qū)動(dòng)器類是通過Device類派生出來的。CAN類用于描述CAN數(shù)據(jù)幀的收發(fā)狀況。

單個(gè)電機(jī)在速度模式控制方式下，上位機(jī)(工控主板)通過CANOpen網(wǎng)絡(luò)控制電機(jī)的流程如圖6所示。

3 試驗(yàn)

四輪采用連續(xù)切換輪的移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)物如圖7所示。移動(dòng)機(jī)器人采用兩節(jié)12 V鉛酸電池串聯(lián)作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器24 V的電源。直流工控主板的電源也是24 V,采用模塊電源單獨(dú)供電，與電機(jī)功率部分電源隔離開。

圖7 移動(dòng)機(jī)器人照片

根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程式(6),設(shè)置對應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速與方向，試驗(yàn)測試可得移動(dòng)機(jī)器人的整體運(yùn)動(dòng)與輪子運(yùn)動(dòng)配合的關(guān)系圖，如圖8所示。

圖8 整體運(yùn)動(dòng)與輪子運(yùn)動(dòng)的配合圖

4 結(jié)束語

本文建立了移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過分析對比其他控制方法，具有以下優(yōu)勢：

(1)四個(gè)輪子采用四個(gè)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的方式，控制方便，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。

(2)工業(yè)控制板與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用CAN通信的方式，實(shí)時(shí)性高，信號抗干擾能力強(qiáng)。同時(shí)相對于IO直連的方式，連接線少，系統(tǒng)簡潔。

(3)從提高實(shí)時(shí)性和提高通信速率的角度出發(fā)，針對CAN網(wǎng)絡(luò)中不同的數(shù)據(jù)寄存器采用不同的數(shù)據(jù)傳送方式。對于經(jīng)常訪問的寄存器，如電機(jī)電流、速度和位置等信息，采用PDO的方式。對于不經(jīng)常訪問的寄存器，如初始化配置參數(shù)等，采用SDO的方式。

(4)現(xiàn)有的移動(dòng)機(jī)器人平臺，可以為后續(xù)的進(jìn)一步研究提供基礎(chǔ)。