基于Mecanum輪的輪腿式全方位移動機器人的研究及設(shè)計

楊家武 劉林 王琢 張鐸

摘? 要： 為了保證移動機器人的機動性和靈活性，提高登臺越障運動的能力，設(shè)計了一種基于Mecanum輪的輪腿式全方位移動機器人。采用M3508直流無刷減速電機和4個Mecanum輪相配合的方式，實現(xiàn)機器人的全方位運動;通過同步帶傳動，完成前后輔助腿的伸縮運動，達到登臺越障效果;采用STM32F405RGT6單片機控制中心板驅(qū)動底盤驅(qū)動電機和輔助腿伸縮電機，完成指控動作;利用串級PID控制電機，減少穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。結(jié)果表明，基于Mecanum輪的輪腿式全方位移動機器人機動性強、登臺越障能力相對于普通移動機器人得到顯著提高。

關(guān)鍵詞： Mecanum輪; 輪腿式全方位移動機器人; STM32; 串級PID; FreeRTOS; 實時嵌入式系統(tǒng)

中圖分類號： TN99?34; TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）05?0155?04

Research and design of wheel?legged omni?directional

mobile robot based on Mecanum wheel

YANG Jiawu， LIU Lin， WANG Zhuo， ZHANG Duo

（Northeast Forestry University， Harbin 150040， China）

Abstract： In order to ensure the maneuverability and flexibility of mobile robot and improving the ability of stepping platforms and crossing obstacles， a wheel?legged omni?directional mobile robot based on Mecanum wheel is designed. The M3508 DC brushless gearmotor combined with 4 Mecanum wheels is used to realize the omni?directional mobile of the robot; the front and rear auxiliary legs stretch out and draw back by synchronous belt transmission to step platforms and cross obstacles; the STM32F405RGT6 single chip control center plate drive， chassis drive motor and the motor for auxiliary legs stretching out and drawing back are used to fulfill the directing or controlling action; the cascade PID control motor is used to reduce the steady?state error and improve the system stability. The results show that the wheel?legged omni?directional mobile robot based on the Mecanum wheel is of highly maneuverability and the ability of stepping platforms and crossing obstacles are significantly improved in comparison with the ordinary mobile robot.

Keywords： Mecanum wheel; wheel?legged omni?directional mobile robot; STM32; cascade PID; FreeRTOS; real?time embedded system

0? 引? 言

在移動機器人系列中，具有在平面內(nèi)可以實現(xiàn)前后移動、左右移動及繞機器人中心旋轉(zhuǎn)的特征，則稱為全方位移動機器人。在工作空間狹窄有限，需要移動機器人具有很高機動性的場合，全方位移動機器人具有較強的適用性和實用性[1?2]。目前應(yīng)用較為廣泛的全方位移動方式分為：Mecanum輪式全方位移動機器人、全輪偏轉(zhuǎn)式全方位移動機器人及球輪式全方位移動機器人[3?4]。其中，Mecanum輪式全方位移動機器人因其單輪系只需要一個驅(qū)動電機，而整個全方位移動底盤只需要成對的單輪系進行組合安裝，通過控制每個輪系的轉(zhuǎn)動速度及方向就可以組合出任意方向的移動及原地旋轉(zhuǎn)，具有整體結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、控制靈活、反應(yīng)迅速的特點。

Mecanum輪由框架式的輪轂以及多個被動的輥子裝配而成，其中，輥子與輪轂軸線成一定角度均布安裝[5]。在運動過程中，輥子始終與地面接觸，這對最外層的包膠層磨損比較嚴(yán)重，而且多個均布的輥子之間需要一定間隙才能保證單個輥子被動的流暢性，這些因素限制了Mecanum輪全方位移動機器人的使用場合大多為結(jié)構(gòu)化地形，除了平整的地面，小坡度的斜面、小間隙的溝壑以及一定高度的臺階其均能通過[6]。但超過半輪徑高度的臺階型地形，普通的Mecanum輪底盤系統(tǒng)較難進行越障通過。本文研制的基于Mecanum輪的輪腿式全方位移動機器人，既能滿足在結(jié)構(gòu)化地形進行高機動性的全方位移動，也能進行兩倍輪徑高度內(nèi)的越障運動。

1? 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1? Mecanum輪全方位移動底盤設(shè)計

Mecanum輪最早是由瑞典麥克納姆公司提出的，被動輥子與輪轂軸線多以呈45°角安裝，分為左旋輪和右旋輪兩種。在設(shè)計使用中多以成對安裝形式出現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上，想要實現(xiàn)全方位運動，每個車輪需要獨立的驅(qū)動來保證相對獨立的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向變化[7]。由于本文的研究設(shè)計針對于結(jié)構(gòu)化地面，所以在移動底盤的設(shè)計中采用四輪底盤，整個移動底盤及伸縮輔助輪腿所需要的支撐框架均由方形空心鋁方管焊接而成，底盤驅(qū)動電機座、輔助輪腿伸縮電機座、電源模塊安裝座等，通過在框架上打孔，利用螺栓連接進行整體樣機的安裝。

M3508直流無刷減速電機是專門為中小型移動平臺和機器人等量身打造的高性能伺服電機，可搭配C620電調(diào)實現(xiàn)正弦驅(qū)動，相比傳統(tǒng)方波驅(qū)動具有更高的效率、機動性和穩(wěn)定性。本移動底盤選用的減速箱減速比為19[∶]1的M3508作為驅(qū)動電機，搭配的Mecanum輪是一款直徑為152.5 mm的45°全向輪，輪轂由鈑金件焊接而成，每個輪子安裝有16個橡膠小棍子，中心有6個直徑為5 mm的安裝孔位均布在直徑為45 mm的圓周上，左右中心厚度為28 mm。

1.2? 輔助輪腿式結(jié)構(gòu)設(shè)計

Mecanum輪式移動底盤在微弱不平的地面運動時，可通過增加減震結(jié)構(gòu)使各輪與地面保持良好的接觸性[8]。在面對超過輪半徑的垂直障礙時，全方位移動底盤很難完成登臺運動，而在進行較高垂直度的越障運動時，腿式結(jié)構(gòu)有其明顯的優(yōu)勢[9]。本文設(shè)計制作的輪腿式全方位移動機器人，其腿結(jié)構(gòu)以伸縮輔助形式存在，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。輔助腿式結(jié)構(gòu)分為前后兩個部分：其中，前輔助腿安裝有兩個主動橡膠輪，驅(qū)動電機為RM2006，減速箱的減速比為96[∶]1;后輔助腿安裝有兩個被動橡膠輪。前后輔助腿分別安裝在全方位移動底盤的前立滑軌和后立滑軌上，在滑軌上的直線運動分別用兩個M3508電機作為動力源，采用同步帶傳動的方式實現(xiàn)豎直方向的伸縮運動。以底盤Mecanum輪圓周輪廓線最低點組成的平面為參考面，在此參考面的法線方向上，前輔助腿的運動范圍為0～345 mm，后輔助腿的運動范圍為-280～65 mm，可實現(xiàn)最高345 mm的登臺越障運動。機器人的樣機如圖2所示。登臺越障過程示意圖如圖3所示，下臺階運動為其反過程。

2? 電路系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

2.1? 總體框圖

在設(shè)計電路時盡量使其簡潔，減少元器件的數(shù)量，縮減PCB電路的面積。對電路進行詳細的分析后，精簡電路，對器件進行合理的布局排列和走線。電路設(shè)計思路框圖如圖4所示，控制器采用單片機STM32F405RGT6，通過中心板向底盤驅(qū)動電機及輔助腿伸縮電機提供24 V的直流電源和CAN信號，從而達到控制電機的目的。

2.2? 硬件電路設(shè)計

主控板是整個全方位移動機器人電路部分的核心，主控板集成電源模塊、MCU模塊、CAN通信模塊、串口模塊、遙控器接收模塊等重要模塊，每個模塊扮演著不可替代的作用。

2.2.1? MCU模塊

單片機采用STM32F4系列的STM32F405RGT6芯片，基于ARM Cortex?M4的STM32F4系列單片機采用意法半導(dǎo)體的NVM工藝和ART加速器，在168 MHz的工作頻率下通過閃存執(zhí)行指令時可實現(xiàn)210 DMIPS的性能[10]。高達1 MB內(nèi)存，而且性價比極高。通過對STM32F4系列芯片的了解，選用STM32F405RGT6芯片，此芯片含有51個GOIO口，16個ADC通道，10個定時器等，并且此單片機的接口類型可以復(fù)用為CAN，I2C，I2S，SPI，USART，豐富的外設(shè)接口足以滿足需求。

2.2.2? 電源模塊

電源模塊對于一個控制系統(tǒng)來說極其重要，一個穩(wěn)定的電路關(guān)系到整個系統(tǒng)是否能夠正常工作，因此在設(shè)計控制系統(tǒng)時，選好合適的電源模塊尤為重要。整個系統(tǒng)采用24 V直流電源TB47供電，而MCU模塊、CAN通信模塊等采用的是3.3 V供電，遙控器接收模塊、串口模塊等采用5 V供電。

采用由TI公司最新推出的一款DC/DC開關(guān)電源TPS5430轉(zhuǎn)換芯片組成其外部電路如圖5所示。TPS5430具有良好的特性，高電流輸出和高轉(zhuǎn)換效率使其具有良好的穩(wěn)壓功能，并且內(nèi)部有過流保護及熱關(guān)斷功能，這些優(yōu)質(zhì)的特性更好地保護了TPS5430，從而能夠更穩(wěn)定的輸出電壓，從而為所需要的模塊供電。再采用AMS1117?3.3 V，AMS?1117是一種輸出電壓為3.3 V的正向低壓降穩(wěn)壓器，適用于高效率線性穩(wěn)壓器，其外圍電路十分簡單。通過它將電壓降為3.3 V，從而為單片機供電。

2.2.3? CAN通信模塊

輪腿式全方位移動機器人底盤的4個驅(qū)動電機M3508和2個輔助腿伸縮電機M3508，采用兩路CAN總線網(wǎng)絡(luò)進行控制，通過遙控器向電機電調(diào)發(fā)送高八位和低八位字節(jié)從而驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)動，而CAN總線網(wǎng)絡(luò)主要掛在CAN_H和CAN_L上，各個節(jié)點通過這兩條線實現(xiàn)信號的串行差分傳輸。為了避免信號的反射和干擾，還需要在CAN_H和CAN_L之間接上120 Ω的終端電阻。而為了實現(xiàn)CAN通信，就要通過CAN收發(fā)器實現(xiàn)單片機和電機電調(diào)之間的CAN通信。采用MAX3051收發(fā)器，電路如圖6所示。

3? 軟件設(shè)計

3.1? 總程序控制流程

輪腿式全方位移動機器人系統(tǒng)的主程序控制部分程序流程圖如圖7所示，其主要實現(xiàn)模塊通信、數(shù)據(jù)解析、電機控制以及狀態(tài)顯示。首先，片內(nèi)資源初始化;啟動串口接收任務(wù)，監(jiān)聽片內(nèi)串口狀態(tài)，并啟動DMA自動傳輸通過串口傳遞的信息，在串口空閑中斷中打包投遞到串口解析的郵箱;啟動串口發(fā)送任務(wù)，監(jiān)聽串口發(fā)送郵箱內(nèi)容，當(dāng)有發(fā)送內(nèi)容投遞過來時，調(diào)用DMA自動發(fā)送信息到相應(yīng)串口;啟動解析模塊，監(jiān)聽串口解析郵箱，當(dāng)有內(nèi)容是進行解析并更新相應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)的狀態(tài);啟動電機控制模塊，通過讀取電機狀態(tài)與目標(biāo)設(shè)定值，調(diào)用PID運算函數(shù)完成電機控制量的計算，并投遞到相應(yīng)的串口發(fā)送郵箱，等待被發(fā)送任務(wù)發(fā)送;啟動顯示模塊，通過讀取當(dāng)前機器人的狀態(tài)，翻譯成相應(yīng)的燈信號，控制LED相應(yīng)的I/O完成顯示;最后啟動任務(wù)調(diào)度器，進行任務(wù)調(diào)度并運行。

3.2? 軟件總體結(jié)構(gòu)

輪腿式全方位移動機器人軟件部分的總體結(jié)構(gòu)主要包含通信模塊、數(shù)據(jù)解析模塊、電機控制模塊、顯示模塊。

3.2.1? 通信模塊

由于整個系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)復(fù)雜，執(zhí)行機構(gòu)多，所以，絕大多數(shù)執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動并沒有直接集成在主控電路板上，而是單獨封裝在獨立的驅(qū)動單元上。因此，控制電機與其他執(zhí)行機構(gòu)的最終控制方式則是以發(fā)送命令的方式。因此，通信模塊主要負責(zé)封裝統(tǒng)一的接口，自動接收總線上的命令與通過不同的協(xié)議發(fā)送控制命令到不同的總線上。

3.2.2? 數(shù)據(jù)解析模塊

系統(tǒng)含有不同種類的執(zhí)行器，每種執(zhí)行器反饋的協(xié)議各異。為了方便主程序的調(diào)用，數(shù)據(jù)解析模塊則主要負責(zé)根據(jù)不同執(zhí)行器種類以相應(yīng)的協(xié)議解析執(zhí)行器反饋的數(shù)據(jù)，并對主程序提供統(tǒng)一的接口。

3.2.3? 電機控制模塊

獨立單元往往只能進行電機的驅(qū)動方式，而沒有運算功能。電機的控制一般大致分為位置控制與速度控制兩類，其控制率采用串級PID控制[11]。輪腿式全方位移動機器人電機又分為底盤驅(qū)動電機、輔助腿伸縮電機、輔助輪驅(qū)動電機等，每種電機由于型號不同，執(zhí)行任務(wù)不同，所以控制參數(shù)也不同。電機控制模塊則是將每個物理的電機虛擬化成一個統(tǒng)一的對象，每個對象獨享一塊內(nèi)存，保存該電機的控制參數(shù)與運行狀態(tài)，并在適當(dāng)?shù)臅r候進行PID控制運算生成控制命令輸送給通信模塊，并從數(shù)據(jù)解析模塊獲取電機當(dāng)前的運動狀態(tài)。通過封裝成統(tǒng)一的對象，使得主程序只需要更改每個對象的目標(biāo)位置、目標(biāo)速度就能夠使得實體電機完成相應(yīng)的動作。

3.2.4? 顯示模塊

為了直觀地了解全方位移動機器人當(dāng)前的運行狀態(tài)，在程序中設(shè)計了能夠表示機器人當(dāng)前狀態(tài)與提示問題的LED，在運行過程中將會通過不同閃爍頻率、不同顏色、不同位置的LED狀態(tài)提示當(dāng)前的運動情況與可能存在的問題。

程序框架采用FreeRTOS實時嵌入式系統(tǒng)對每個模塊進行調(diào)度。簡化了程序設(shè)計難度，能夠通過增加任務(wù)的方式完成復(fù)雜控制過程，通過信號量與郵箱的方式完成各個模塊的同步與通信，通過優(yōu)先級設(shè)定與內(nèi)存管理充分調(diào)用單片機的片內(nèi)資源，在不增加編程復(fù)雜度的條件下盡可能地完成更復(fù)雜的控制方式。

4? 結(jié)? 語

本文著重介紹了基于Mecanum輪的輪腿式全方位移動機器人的設(shè)計方案，在結(jié)構(gòu)上采用增加輔助伸縮腿式機構(gòu)，實現(xiàn)最高可達兩倍輪徑的自主登臺越障及下臺運動。整體框架的搭建采用氬弧焊完成，大幅降低了整個機器人的研制成本，本文研制的輪腿式全方位移動機器人為移動機器人的越障提供了一種可行的解決方案。

注：本文通訊作者為王琢。

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