移動機器人通用底盤設(shè)計與研究

劉恒志

摘要：本文主要研究和設(shè)計的對象就是移動機器人底盤，從機械部分和控制部分對底盤進行了設(shè)計研究，前期的底盤設(shè)計和加工、硬件設(shè)備的采購以及各底盤零部件的組合安裝等都屬于主要的機械部分。實現(xiàn)了對三種不同的全向輪 rotocaster、 mecanum 和 wesn 的不同類型底盤的設(shè)計，使其具有了整體運動功能，按照預期，機器人底盤具有4G/5G/Wifi 遠程遙控、實時圖像傳輸、室內(nèi)外自動導航、指定路線巡跡、SLAM 建圖、路徑規(guī)劃、自動循跡、智能避障等功能。

關(guān)鍵詞：移動機器人;通用底盤;設(shè)計研究

一、系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.組成該底盤的加工零件有鋁合金以及自主設(shè)計加工的部分零件。2.電動機為運行機構(gòu)的平行雙輪提供了驅(qū)動力，將兩個萬向輪安置在了前后方。3.將固定編碼器添加到了主動輪附近，主動輪為編碼器輪提供了驅(qū)動力，需要注意的是編碼器輪的軸度需要與主動輪保持一致。無法考慮電動機內(nèi)原始的編碼器。4.該底盤圓直徑最大值450mm。5.根據(jù)具體功能確定了需要在哪一位置安裝多少數(shù)量的感應(yīng)器，超聲波感應(yīng)器獨立安裝在了本地盤的兩側(cè)，目的是為了對外物距離進行測量，進而進行自動調(diào)節(jié)。將紅外感應(yīng)器安裝在四個方向的目的是為了避障等。6.在選擇電動機等元件時，需要對各環(huán)節(jié)的影響因素進行考慮[1]。

（一）機械系統(tǒng)設(shè)計

1.電機選擇

由于機器人無法確定移動機器人的正常工作途徑，通常都是在室內(nèi)或者戶外進行，因此，機器人的主要驅(qū)動能源大多由蓄電池提供，所以，可以采用直流電機來為移動機器人提供驅(qū)動力。根據(jù)調(diào)查得知，由于電機做大需要1.25Nm的轉(zhuǎn)矩，需要不斷輸出150W以上的功率。如果以最大轉(zhuǎn)矩為標準來選擇電機，那么就需要采用尺寸和質(zhì)量較大的點擊。事實上，電機在無需任何翻越一個障礙物時的瞬間旋轉(zhuǎn)矩并不一定需要那么大，這一旋轉(zhuǎn)矩只是瞬間所必須的，而無需長期輸出。所以在對電機進行設(shè)計和選型的過程中，電機的驅(qū)動力轉(zhuǎn)矩必須不得大于或超過它的轉(zhuǎn)矩最高峰值，而且電機只是需要能夠不斷地輸出比爬山時的一臺機器人更大的額定轉(zhuǎn)矩，如此不僅使得電機的驅(qū)動力能夠得到盡量有效地利用，并且避免了不必要浪費的出現(xiàn)。所以，需要選擇0.73Nm額定轉(zhuǎn)矩的電機，其轉(zhuǎn)矩峰值、輸出功率分別為1.25Nm和150W以上。

在經(jīng)過各種對比后，我們采用了DTB080242510S型直流無刷電機，其參數(shù)如表所示。根據(jù)表格得知，其轉(zhuǎn)矩峰值最大為1.25Nm。

（二）驅(qū)動部件

驅(qū)動部件具有的結(jié)構(gòu)，采用螺釘在后懸掛擺臂上對點擊和減速器進行了固定，輪胎中具有與汽車輪胎相似的驅(qū)動結(jié)構(gòu)，采用了輪胎中由內(nèi)外驅(qū)動的輪轂和螺栓固定、擰緊。因為驅(qū)動輸出機和軸之間往往存在較大的扭矩傳遞比和力矩，所以驅(qū)動輪子結(jié)構(gòu)需要直接采用法蘭和金屬輪轂等傳動裝置部件，來對其進行傳動連接用以固定驅(qū)動輸出機的軸，此類驅(qū)動輪子的連接固定方式，主要是按照普通汽車的驅(qū)動輪子結(jié)構(gòu)進行的。

二、底盤通用性設(shè)計

（一）模塊化設(shè)計

機器人底盤屬于自身的子模塊之一，這一模塊系統(tǒng)能夠帶動機器人的運動。本文按照驅(qū)動系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)以及車身框架這四個模塊，對通用底盤系統(tǒng)進行了設(shè)計。電機以及減速器等都在驅(qū)動模塊中，通過對各種型號的電機或是對減速比不同的減速器的調(diào)換，能夠從承載力和速度方面，來改變移動機器人;懸掛系統(tǒng)模塊主要具有調(diào)節(jié)懸架剛度和調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)的功能，能夠?qū)Ω鞣N質(zhì)量的底盤系統(tǒng)進行匹配;電池以及不同的控制板卡等都安放在了車身框架模塊中[4]。

（二）系列化設(shè)計

移動機器人在室外主要用于巡邏和全地形偵查，所以其功能需要適用于各個施工場合，需要根據(jù)不同的路況來對通用迪蘭進行設(shè)計。我們在組合了各個模塊后，快速為機器人設(shè)計了一種能夠在各種場合應(yīng)用的移動底盤，全向輪模塊中包含了一般的橡膠輪以及WESN全向輪等等;采用了獨立四輪、前后輪這幾種驅(qū)動方式;采用左右對稱、交叉對稱等形式對車輪進行了配置。

在MECANUM中配置了四輪的全向輪，所有全向輪的中都安裝了獨立的直流驅(qū)動電機，通過對驅(qū)動電機的控制，就能夠讓通用底盤進行平移、旋轉(zhuǎn)以及執(zhí)行等運行。如果通用底盤需要執(zhí)行的任務(wù)不同，那么底盤也會呈現(xiàn)出不同的承載質(zhì)量，采用模塊化設(shè)計底盤，不僅可以通過對其懸架模塊的調(diào)節(jié)來匹配其剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)K和C，還能夠在各種路況中應(yīng)用底盤系統(tǒng)[5]。

三、控制系統(tǒng)

（一）控制系統(tǒng)硬件平臺搭建

傳感器的線通常有三根，例如電源線和信號表等等，用 io 來標記信號線，對于信號表也進行了制作，能夠方便于日后程序的編寫。電動機的驅(qū)動器是 pwm 輸出口 io 的一個連接件，每個電動機的輸入和控制都要由2路 pwm 來完成，共有四路。輸入口 io 端連接的是一根編碼器控制線，能夠?qū)崿F(xiàn)對編碼器的脈沖信號進行讀寫。杜邦線能夠同時連接5v 的低電壓，24v 的直流電源線上的直流電線尺寸為0.5。目的是為了避免杜邦線路過載發(fā)生火災而引起起火。在進行接線時需要根據(jù)常規(guī)電器原則。電氣原理如圖3所示。

（二）下位機控制系統(tǒng)

針對下位機控制系統(tǒng)來說，需要在控制版中編寫和存放相應(yīng)的程序設(shè)計，主要涉及到了兩部分，分別為驅(qū)動所有部分的程序和邏輯循環(huán)程序。如下列舉了幾種較為常見的驅(qū)動程序。

1.用于控制和接收超聲波的口，每個使用超聲波接收控制口所需產(chǎn)生和接收發(fā)出的獨立的最高電平都應(yīng)該是10μs以上，接收控制口主要用于控制超聲波源的接收和控制輸出，定時器在此口電壓降低時的值就是本次測距時長，進而能夠?qū)崿F(xiàn)對其距離的計算。如此，通過對周期的反復測量，能夠獲取到移動測量值。

2.紅外線傳感器驅(qū)動。光電傳感器中的紅外傳感器具有發(fā)射功能和接收功能，可以結(jié)合要求來調(diào)節(jié)檢測距離。紅外傳感器的作用相當于繼電器，如果有物體接觸到紅外傳感器，線圈中就會產(chǎn)生電流，觸電就會出現(xiàn)常開、常閉的現(xiàn)象，進而獲取到相應(yīng)的信號。其主要優(yōu)勢就是可以實現(xiàn)對檢測距離的調(diào)節(jié)。電壓、電流以及距離值分別為5VDC、100mA和3-80cm。

3.采用電動機。處于正常工作狀態(tài)的直流電動機在轉(zhuǎn)子的線圈中只需有一個直流電，那么不管其政府連接在哪邊，除了轉(zhuǎn)動方向外，不會對轉(zhuǎn)子做出任何改變，電動機都處于工作狀態(tài)，只要存在足夠的電流和電壓。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動得越快其電壓就越大，扭力越大其電流就越大。由于在電動機上直接計入的電源無法調(diào)速，因此無法實現(xiàn)對電壓代銷的改變，如果將直流電按照若干份進行劃分，那么每個周期內(nèi)的電動機正常工作和不工作的時間分別為半個周期。如此就能夠使直流電動機具有不同的速度，我們通常將其稱之為脈沖，在單位時間內(nèi)只需通過對固定脈沖數(shù)的輸入，就能夠保持電動機的轉(zhuǎn)速不變，脈沖數(shù)越多，速度越快，脈沖數(shù)越少，速度越慢。

而程序的循環(huán)需要在特定時刻通過對某個電氣元件的驅(qū)動來作出規(guī)定動作，通過與傳感器信號的結(jié)合，能夠使其具有邏輯關(guān)系，進而對程序進行終止或無限循環(huán)。

（三）上位機界面設(shè)計

首先需要分析界面需求：1.需要有串口能夠與下位機通信，所以需要在串口中連接能夠與下位機硬件相符的串口號;2.根據(jù)用戶所需能夠掌握具有坐標位置和所指示的目的進行輸入權(quán)利;3.需要能夠暫停和中斷執(zhí)行命令或者上位機的命令;4.上位機操作界面中所有能夠?qū)崟r地顯示給下位機的串口數(shù)據(jù);5.界面中我們需要看到超聲波和紅外線之間的運動狀態(tài)以及它們是否終止;6.需要能夠選擇行走方式。這一最初界面是討論和修改后得到的，其從執(zhí)行過程和執(zhí)行動態(tài)方面對下位機進行了清晰的顯示，所以我們對這個界面進行了確定[7]。

結(jié)束語：

從設(shè)計底盤開始到完成對其的構(gòu)建等、每個環(huán)節(jié)都經(jīng)過了反復考量和反復實踐才完成的，因此底盤具有較強的通用性，有待對其額外功能進行開發(fā)。在具有平面移動功能的機器人中，輪式機器人在靈活性和便捷性方面具有顯著優(yōu)勢，因此不同類型的輪式機器人可以在各場合得到更好的應(yīng)用。因此，本文從底盤設(shè)計方面，對兩輪移動機器人進行了介紹。

參考文獻：

[1]胡勁草.室內(nèi)自主式移動機器人定位方法研究[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2006，20（5）：14-18.

[2]王殿君，魏洪興，任福君.移動機器人自主定位技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.