一種具有物流搬運(yùn)功能的六輪全地形機(jī)器車(chē)設(shè)計(jì)＊

安啟航，張 雷，高文俊，馬 躍，李衛(wèi)國(guó)

（1.太原理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西 太原 030024）

物流搬運(yùn)機(jī)器人作為人類(lèi)社會(huì)中完成搬運(yùn)任務(wù)的利器，承載著定位、導(dǎo)航、移動(dòng)、避障等多項(xiàng)功能，并于20 世紀(jì)50 年代就已出現(xiàn)，半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)在工業(yè)生產(chǎn)、倉(cāng)儲(chǔ)物流等領(lǐng)域發(fā)揮了舉足輕重的作用[1]。然而在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，大多數(shù)的物流搬運(yùn)機(jī)器車(chē)的工作環(huán)境均為工廠車(chē)間中的平整地面，許多機(jī)器人依賴(lài)于環(huán)境中的光電磁信號(hào)引導(dǎo)，這對(duì)大型和重型的搬運(yùn)設(shè)備尤其重要；但對(duì)小型搬運(yùn)車(chē)而言，這種控制方式會(huì)制約其靈活性，特別是一些針對(duì)野外勘探等非平整地面工作環(huán)境、開(kāi)放式環(huán)境等情況而設(shè)計(jì)的設(shè)備，依靠現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)引導(dǎo)幾乎是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，因此物流搬運(yùn)要想被應(yīng)用到更加廣闊的領(lǐng)域，在復(fù)雜地形環(huán)境下可靠地發(fā)揮作用，必須與全地形機(jī)器人相結(jié)合。

全地形移動(dòng)底盤(pán)的結(jié)構(gòu)主要有輪式越野底盤(pán)、履帶式底盤(pán)和輪履復(fù)合式底盤(pán)[2]等，而在輪式月球車(chē)移動(dòng)底盤(pán)這一方面又在輪系、懸架、車(chē)體上衍生出了多種車(chē)體結(jié)構(gòu)[3]。在這類(lèi)車(chē)體的控制方面，雖然近年來(lái)視覺(jué)導(dǎo)航、Slam 技術(shù)取得了較大的發(fā)展，但在控制魯棒性、算力要求及在移動(dòng)機(jī)器人的適配上，仍面臨諸多問(wèn)題，尚待進(jìn)一步研究[4]?；诖耍槍?duì)具有多功能的全地形機(jī)器人底盤(pán)研究其遙控控制仍然是重要的技術(shù)手段。本文基于探索者平臺(tái)，借助三維建模軟件SolidWorks和多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）設(shè)計(jì)了一種搖桿懸吊式懸架的六輪式全地形機(jī)器車(chē)，并以支持Arduino 語(yǔ)言的Basra 單片機(jī)和NRF 無(wú)線(xiàn)模塊為主要控制器，設(shè)計(jì)了一套手柄控制的遙控系統(tǒng)，可通過(guò)2 個(gè)PAD 搖桿和2 個(gè)按鍵，簡(jiǎn)單靈活地實(shí)現(xiàn)對(duì)裝載有舵機(jī)級(jí)聯(lián)機(jī)械手臂的六輪式月球車(chē)的運(yùn)動(dòng)控制。

1 六輪式機(jī)器車(chē)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)研究所設(shè)計(jì)的遙控機(jī)器人的預(yù)期任務(wù)如下：能夠順利穩(wěn)定地在無(wú)線(xiàn)信號(hào)控制下爬上有一定斜度（30°左右）的窄橋，夾取工件并走下窄橋；能夠順利進(jìn)入有一定高度限制（約300 mm）的方形管道，在管道內(nèi)夾取工件并將工件帶出；能夠進(jìn)入塑膠草地夾取工件并通過(guò)障礙；能夠夾取臺(tái)階（每級(jí)高約50 mm）上的工件并翻越臺(tái)階。因此，所述機(jī)器人必須具備全地形的攀爬能力，輪子與地面之間的摩擦力需要適當(dāng)增大。所以本研究設(shè)計(jì)了一種搖桿懸吊式懸架的六輪式機(jī)器車(chē)，采用橡膠作為輪胎的材質(zhì)。為了保證車(chē)輛在抓取工件時(shí)具有較為靈活的抓取動(dòng)作，經(jīng)研究決定采用3 個(gè)舵機(jī)級(jí)聯(lián)形式的機(jī)械臂。經(jīng)裝配，其三維模型及實(shí)物圖如圖1 和圖2 所示。

圖1 全地形機(jī)器車(chē)在SolidWorks 軟件中的三維模型圖

圖2 全地形機(jī)器車(chē)的實(shí)物樣機(jī)圖

在全地形機(jī)器車(chē)的越障能力方面，本文使用ADAMS 軟件進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模。ADAMS 軟件是由美國(guó)機(jī)械動(dòng)力公司開(kāi)發(fā)的優(yōu)秀機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真軟件，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)工程、工業(yè)機(jī)械等領(lǐng)域。該軟件允許用戶(hù)方便地對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的分析，并具備開(kāi)放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以與三維機(jī)械建模軟件、CAE（Compnter Aided Engineering）軟件、數(shù)據(jù)分析處理軟件以計(jì)算機(jī)圖形交換格式文件或其他文件進(jìn)行并行設(shè)計(jì)與聯(lián)合仿真，還可通過(guò)參數(shù)化模型對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)[5]。在實(shí)物試驗(yàn)中，本樣機(jī)所采用的電機(jī)均為永磁式單疊繞組的小功率電機(jī)，自帶一個(gè)減速器；在ADAMS 的試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，出于簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)提高運(yùn)算速度的考慮，機(jī)器車(chē)的上層結(jié)構(gòu)被化簡(jiǎn)為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，僅保留了車(chē)輛的主要懸架結(jié)構(gòu)和各車(chē)輪的幾何特征，其動(dòng)力學(xué)仿真簡(jiǎn)化模型如圖3 所示。

圖3 全地形機(jī)器車(chē)的動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化模型

試驗(yàn)優(yōu)化主要對(duì)車(chē)輪的3 個(gè)直徑展開(kāi)研究，設(shè)定障礙為斜坡和臺(tái)階的組合障礙，由機(jī)器車(chē)依次通過(guò)。涉及到的設(shè)計(jì)參數(shù)主要有前置、中置、后置橡膠輪的3個(gè)直徑，實(shí)物試驗(yàn)中車(chē)輪的直徑被進(jìn)行了多次的試驗(yàn)和調(diào)整，最終將其在簡(jiǎn)化模型中的迭代初始值依次取為95 mm、45 mm、65 mm?？紤]到在試驗(yàn)的摩擦系數(shù)設(shè)定下，車(chē)輪直徑變小可能導(dǎo)致車(chē)輛整體在翻越臺(tái)階障礙時(shí)出現(xiàn)卡住的情況，且在多次試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)減小的車(chē)輪直徑并不能提高車(chē)輛的越障速度，故設(shè)定其絕對(duì)增量范圍區(qū)間為[0 mm，15 mm]，試驗(yàn)優(yōu)化所采用的優(yōu)化算法為序列二次規(guī)劃優(yōu)化算法（OPTDES-SQP），車(chē)輛速度的迭代優(yōu)化曲線(xiàn)如圖4 所示。

圖4 車(chē)輛速度的迭代優(yōu)化曲線(xiàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明，增大車(chē)輪的直徑對(duì)提高越障速度有非常顯著的作用。在迭代過(guò)程中，除前置大輪外，中置輪和后置輪均在3 次迭代過(guò)后就達(dá)到了設(shè)定的最大增量，越障速度整體提升了17.5%。

隨后該模型被放入ADAMS/Insight 軟件中采用Interactions 數(shù)學(xué)模型進(jìn)行參數(shù)解析分析，得到如表1所示的結(jié)果。

表1 （續(xù)）

表1 ADAMS/Insight 中的參數(shù)擬合結(jié)果

表1 中的數(shù)據(jù)表明，參數(shù)擬合模型的結(jié)果十分良好，此數(shù)學(xué)模型能夠較為真實(shí)地反映3 個(gè)車(chē)輪直徑對(duì)越障時(shí)間影響的解析關(guān)系；并且該結(jié)果也表明，增大車(chē)輪直徑確實(shí)能夠提高機(jī)器車(chē)的越障性能。

2 六輪式機(jī)器車(chē)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在機(jī)器車(chē)的控制上，試驗(yàn)使用的方法是使用Birdman 手柄進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，并在Bigfish 擴(kuò)展板上堆疊NRF24L01 無(wú)線(xiàn)模塊用于串口數(shù)據(jù)發(fā)送，采用1 個(gè)上位機(jī)+1 個(gè)下位機(jī)的聯(lián)合控制方法，其中手柄作為上位機(jī)，核心控制板Basra 及其擴(kuò)展板Bigfish 作為下位機(jī)，所使用的控制器實(shí)物圖如圖5 和圖6 所示。

圖5 無(wú)線(xiàn)串口模塊NRF24L01 與Birdman 手柄

圖6 核心控制板Basra 及其擴(kuò)展板Bigfish

上位機(jī)的任務(wù)是將Birdman 手柄上來(lái)自2 個(gè)PAD搖桿的電位器取樣數(shù)據(jù)源源不斷地發(fā)送到下位機(jī)中，告知下位機(jī)該執(zhí)行什么樣的指令；下位機(jī)應(yīng)能夠?qū)ι衔粰C(jī)發(fā)送的指令流進(jìn)行分割和提取，過(guò)濾掉不需要響應(yīng)的數(shù)據(jù)，提取出指令單元，提取完成后要迅速做出響應(yīng)。2 個(gè)搖桿各具有水平和豎直共計(jì)4 個(gè)電位器，每取樣一次都將向串口發(fā)送一組最小指令單元，它由4個(gè)0～255 的數(shù)值組成，并以固定字母（如K）作為數(shù)據(jù)頭以便下位機(jī)進(jìn)行指令流分割；當(dāng)控制器上的按鍵被按下并觸發(fā)中斷時(shí)，最小指令單元可能在隨機(jī)位置被加入特殊字母（如A），當(dāng)下位機(jī)檢測(cè)到這些字母時(shí)應(yīng)自動(dòng)觸發(fā)中斷，執(zhí)行中斷動(dòng)作（具體為舵機(jī)機(jī)械臂動(dòng)作狀態(tài)和機(jī)械手爪動(dòng)作狀態(tài)的循環(huán)切換），執(zhí)行完畢后繼續(xù)接收新的數(shù)據(jù)，重復(fù)指令流分割和指令執(zhí)行的過(guò)程。

下位機(jī)在執(zhí)行指令的過(guò)程中，其主要控制目標(biāo)是舵機(jī)機(jī)組和直流電機(jī)機(jī)組。為了能夠?qū)Ω鳈C(jī)組都進(jìn)行方便快捷的模塊化控制，應(yīng)在下位機(jī)建立指令系統(tǒng)，它應(yīng)分為2 層：①底層指令系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包括單個(gè)舵機(jī)以指定速度旋轉(zhuǎn)的基本運(yùn)動(dòng)函數(shù)、整個(gè)機(jī)械臂（舵機(jī)機(jī)組）的宏觀動(dòng)作函數(shù)、機(jī)械手爪的夾緊控制函數(shù)等，還應(yīng)包括對(duì)直流電機(jī)的 PWM （ Pulse Width Modulation）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)函數(shù)、車(chē)輛整體的動(dòng)作函數(shù)（包括前進(jìn)、后退、剎車(chē)、轉(zhuǎn)向、前進(jìn)中左右轉(zhuǎn)、后退中左右轉(zhuǎn)、原地左右轉(zhuǎn)）等函數(shù)；②頂層指令系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)面向串口數(shù)據(jù)流進(jìn)行編寫(xiě)，使其能夠直接接收經(jīng)過(guò)分割與解析的上位機(jī)最小單元指令，并依指令調(diào)用底層指令系統(tǒng)的各項(xiàng)函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整機(jī)的控制。上位機(jī)與下位機(jī)的部分程序流程圖如圖7—圖9 所示。

圖7 上位機(jī)主函數(shù)主要程序結(jié)構(gòu)圖

圖8 下位機(jī)中直流減速電機(jī)的頂層指令系統(tǒng)

圖9 下位機(jī)中舵機(jī)的頂層指令系統(tǒng)

3 結(jié)束語(yǔ)

六輪式全地形機(jī)器車(chē)的應(yīng)用非常廣泛，它具有在多地形環(huán)境下執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)及機(jī)器人集群工作的潛力。本文將物流搬運(yùn)理念與全地形機(jī)器車(chē)相結(jié)合，使用SolidWorks 軟件進(jìn)行了被動(dòng)適應(yīng)型搖桿懸吊式懸架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基于探索者硬件平臺(tái)搭建了實(shí)物樣機(jī)，進(jìn)行了大量的實(shí)物試驗(yàn)，最后將它抽象成多體動(dòng)力學(xué)模型，使用Adams 軟件結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)橡膠輪直徑大小進(jìn)行了解析分析，得到了描述橡膠輪直徑大小對(duì)越障時(shí)間影響的數(shù)學(xué)模型。隨后本文對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，提出了上位機(jī)最小指令單元和下位機(jī)雙層指令系統(tǒng)的概念。實(shí)踐表明，將該控制方法與經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的被動(dòng)型懸架結(jié)構(gòu)相結(jié)合，能夠簡(jiǎn)單高效地滿(mǎn)足實(shí)際的越障需求和工件抓取搬運(yùn)的需求。