孟凡軍，李聲晉，盧 剛，皇甫劍鋒

(西北工業(yè)大學，陜西西安710072)

0 引 言

根據(jù)機器人移動機構(gòu)的特點，地面移動機器人可分為輪式、腿式、履帶式以及復合式等類型［1］，其中輪式、腿式、履帶式移動機構(gòu)都有其自身的優(yōu)點，但也都存在一定的不足［2－3］。采用復合型移動機構(gòu)既能兼顧上述單一移動機構(gòu)的優(yōu)點，又能消除單一移動機構(gòu)存在的不足，提高了機器人的環(huán)境適應能力，也使機器人具有更好跨越障礙能力。輪腿式移動機器人就是一種比較典型的復合式移動機器人。它融合了腿式的地形適應能力強和輪式高速高效的優(yōu)點，作業(yè)范圍大，同時具有優(yōu)越的越障避障能力，但是輪腿式機器人所面對的環(huán)境是現(xiàn)實世界復雜的動態(tài)環(huán)境，具有自規(guī)劃、自組織、自適應能力，適合于在復雜的非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中工作，是一個高智能、多系統(tǒng)的復雜工程系統(tǒng)。這就對處理器提出了很高的要求，及需要足夠快的CPU來處理數(shù)據(jù)，完成各個環(huán)節(jié)的運算，如果只用一個CPU來完成機器人的所有任務，既降低了控制系統(tǒng)的可靠性，又對機器人的整體性能造成一定的影響。故本文通過對一種輪腿復合式機器人機械結(jié)構(gòu)的分析，基于多DSP的設計理念，設計了由5套穩(wěn)定可靠的控制器組成的控制系統(tǒng)。通過對機器人進行一系列試驗證明，多DSP控制系統(tǒng)性能優(yōu)良，能使機器人穩(wěn)定可靠地轉(zhuǎn)向避障和跨越臺階和斜坡等典型障礙物。

1 輪腿式機器人機械結(jié)構(gòu)

整個機器人采用對稱結(jié)構(gòu)，由四個結(jié)構(gòu)尺寸完全相同的獨立運動單元和車體構(gòu)成。如圖1所示，每個運動單元由一個擺臂和兩個車輪(驅(qū)動輪和從動輪)構(gòu)成。擺臂布置在車輪的內(nèi)側(cè)，由安裝在轉(zhuǎn)向臂上的電機通過減速器驅(qū)動，可以繞著驅(qū)動輪中心軸正反向全周擺動。車體在機器人中部，用于裝載控制系統(tǒng)、電池及其他各種設備。

圖1 機器人機械模型

驅(qū)動輪采用體積小、質(zhì)量輕、輸出扭矩大的直流無刷電動機作為驅(qū)動電機，經(jīng)減速器輸出至傳動軸，直接驅(qū)動車輪。由于現(xiàn)有電動輪的尺寸都比較大，因此，根據(jù)需要自主設計了一種驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)。選擇自帶減速器的直流電動機作為驅(qū)動，減速器輸出軸直接帶動車輪，圓柱形的減速器外殼可以作為軸承安裝軸使用，大大節(jié)省了空間。另外，由于設計速度不高，但要求機器人具有優(yōu)越的越障能力，所以采用了較大的減速比來提高車輪的驅(qū)動力矩，以滿足粗糙路面的驅(qū)動要求。擺臂與驅(qū)動輪分屬兩種不同的電機驅(qū)動，為了在驅(qū)動軸中心線上滿足要求實現(xiàn)兩個旋轉(zhuǎn)運動的傳遞，設計中采用了內(nèi)外軸的結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示。驅(qū)動電機通過與其配套的減速器將驅(qū)動動力傳給驅(qū)動軸(內(nèi)軸)，實現(xiàn)機器人平臺的輪式運動所需動力;擺臂電機采用直流無刷電動機和減速器構(gòu)成擺臂傳動鏈，帶動外軸轉(zhuǎn)動實現(xiàn)擺臂的擺動。驅(qū)動電機的減速器外殼安裝滾動軸承，軸承的內(nèi)圈與減速器外殼為過盈配合，外圈與外軸過盈，實現(xiàn)了擺臂和驅(qū)動輪的互不干涉的同軸傳動。外軸上加工有齒輪，和擺臂電機輸出軸所帶的齒輪構(gòu)成齒輪副來傳遞動力。而擺臂與外軸固定連接而一起運動。由于擺臂的擺動速度較低，而且在運動時要求通過控制擺臂關(guān)節(jié)角來抬起車體，需要較大的驅(qū)動力矩，所以擺臂驅(qū)動也選擇較大的減速比。

輪腿式機器人的主要技術(shù)參數(shù)為:整車質(zhì)量約64 kg;車輪直徑200mm;外形尺寸614mm×704mm×410mm;支撐輪輪距654mm;擺臂有效長度210mm;設計速度0.1～0.3 m/s;設計最大越障高度203mm;設計最大爬坡角度31°。

圖2 內(nèi)外軸傳動結(jié)構(gòu)圖

2 輪腿式機器人控制系統(tǒng)硬件設計

輪腿式機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。整個控制系統(tǒng)主要由2個超聲波傳感器、PC上位機、主控制器、CAN總線、4個伺服分控制器、4個驅(qū)動輪無刷直流電動機、4個擺臂用無刷直流電動機、4個角位移傳感器組成。擺臂用電機與角位移傳感器構(gòu)成位置閉環(huán)單元，用于控制機器人擺臂的角位移。PC上位機發(fā)送模式指令給主控制器，主控制器根據(jù)指令不斷檢測超聲波傳感器的值，并與伺服分控制器進行實時通訊，最終實現(xiàn)機器人的運動。

圖3 輪腿式機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為了滿足主控制器和伺服分控制器之間通訊的實時性要求，并考慮到系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)特點，本系統(tǒng)選用CAN總線作為主控制器和伺服分控制器的通訊方式，所有控制器均掛接在CAN總線上。CAN總線具有以下特點:多主工作方式;總線上的節(jié)點可分成不同的優(yōu)先級以滿足不同的實時要求;采用非破壞總線仲裁技術(shù);通過報文的標識符濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù);直接通信距離最遠可達10 km(速率5 kb/s以下)，通信速率最高可達1 Mb/s(此時通信距離最長為40 m);節(jié)點數(shù)可多達110個;報文采用短幀格式，傳輸時間短，受干擾概率低，每幀都有CRC校驗。

主控制器硬件原理框圖如圖4所示。根據(jù)控制系統(tǒng)對于主控制器的要求和成本要求，該主控制器采用了微芯公司的高性能16位數(shù)字信號控制器dsPIC30F6010A處理芯片。該芯片DSP具有24位寬指令，16位寬數(shù)據(jù)路徑，多達44個中斷源，具備兩個可選飽和邏輯的40位寬累加器，工作速度最高可達30 MIPS。除此之外，該芯片還具有豐富的外設，其中最突出的是它包括強大豐富的數(shù)據(jù)通訊能力。該芯片包括3線SPI模塊(支持4種幀模式)，I2CTM模塊支持多主器件/從模式和7位/10位尋址，2個帶有FIFO緩沖區(qū)的UART模塊，2個符合2.0B的CAN模塊，這為輪腿式機器人主控制器和伺服分控制器、上位機之間的通訊提供強有力的支持。

圖4 主控制器硬件原理框圖

因為主控制器接收上位機的動作指令，通訊時間短且指令頻率低，故本系統(tǒng)選用異步串行總線作為主控制器與上位機之間的通訊方式。上位工控機選用RS－232接口，但是在工業(yè)控制等環(huán)境中，常會有電氣噪聲干擾傳輸線路，使用RS－232通訊時經(jīng)常因外界的電氣干擾而導致信號傳輸錯誤;另外，RS－232通訊的最大傳輸距離在不增加緩沖器的情況下只可以達到15 m。為了解決上述問題我們選用RS－422作為其通訊方式。本系統(tǒng)選用SP491E芯片，它是一種全雙工的帶三態(tài)控制引腳的低功耗差分RS－422收發(fā)器，它為所有發(fā)送器輸出和接收器輸入管腳提供了ESD保護。

本系統(tǒng)采用PCA82C250作為CAN總線的接口芯片，該器件可以提供對CAN總線的差動發(fā)送和接收功能。在DSP和CAN總線驅(qū)動芯片之間加入光電耦合，可以提高應用系統(tǒng)的可靠性。本系統(tǒng)采用高速光電耦合器6N137芯片作為其隔離驅(qū)動芯片。該光電器件高、低電平傳輸延遲時間短，典型值僅為45 ns，已接近TTL電路傳輸延遲時間的水平，它具有高達10 Mb/s的高速性能，因而在傳輸速度上完全能夠滿足隔離總線的要求。

伺服分控制器硬件原理框圖如圖5所示。從圖中可知，一個伺服分控制器能同時控制兩個直流無刷電動機，從而使系統(tǒng)更加簡單，結(jié)構(gòu)更加緊湊，控制更加方便。伺服分控制器主要由TMS320F2812處理芯片、供電系統(tǒng)、IR2130驅(qū)動芯片、三相橋式逆變器、CAN通訊電路、VCE下管電流檢測電路等組成。對于智能移動機器人的電機控制系統(tǒng)而言，要想獲得較好的控制品質(zhì)，就需要有足夠快的CPU來處理數(shù)據(jù)，完成各個環(huán)節(jié)的運算。TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812是一款32位DSP，工作頻率最高達到150 MHz，其快速的中斷響應能夠保護關(guān)鍵的寄存器以及快速(更小的中斷延時)響應外部異步事件，內(nèi)核采用流水線機制，從而在高速運行時不需要大容量的快速存儲器。除此之外，它還整合了Flash存儲器、快速A/D轉(zhuǎn)換器、增強的CAN模塊、事件管理器、正交編碼電路接口以及多通道緩沖串口等外設，從而使用戶能很方便地構(gòu)建無刷直流電動機控制系統(tǒng)。

圖5 伺服分控制器硬件原理框圖

根據(jù)三相全橋逆變電路的設計要求:要有六路驅(qū)動信號并且同一橋臂上、下功率開關(guān)器件要有死區(qū)時間以避免同一橋臂發(fā)生直通，故本系統(tǒng)選用IR2130芯片作為功率開關(guān)器件的驅(qū)動芯片。它能輸出六路驅(qū)動信號，并且由于內(nèi)部設有自舉式懸浮電路，因此只用一路電源，使系統(tǒng)設計極為簡化。IR2130可用來驅(qū)動工作在母電壓不高于600 V電路中的功率MOS門器件。其可輸出的最大正向峰值驅(qū)動電流為250 mA，而反向峰值驅(qū)動電流為500 mA，具有電流放大和過流保護功能;能自動生成上、下側(cè)驅(qū)動所必需的死區(qū)時間(2～2.5 s);具有欠壓鎖定功能，且能指示欠壓和過電流狀態(tài);輸入端有噪聲抑制功能。

除此之外，本控制器還設計有下管VCE電流檢測電路，如果下管經(jīng)過電流超過閾值，檢測電路將通知IR2130和DSP，從而有效地保護了MOS管。

3 輪腿式機器人控制軟件設計

輪腿式機器人要進行穩(wěn)定可靠的動作，硬件是基礎，軟件是核心。根據(jù)輪腿式機器人環(huán)境對象(臺階、斜坡)和動作要求的不同，將整個系統(tǒng)分為轉(zhuǎn)向模式、斜坡模式和臺階模式。上位機向主控制器發(fā)送模式指令，主控制器根據(jù)模式指令啟動相應的控制策略。

3.1 轉(zhuǎn)向模式、斜坡模式

本機器人進行轉(zhuǎn)向運動時，對四個驅(qū)動輪進行了電子差速，即控制車體兩邊的驅(qū)動輪以不同速度進行轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)向動作。主控制器發(fā)送不同的占空比的CAN報文給兩個驅(qū)動輪控制器，從而實現(xiàn)其轉(zhuǎn)向，流程圖如圖6所示。本機器人進行上斜坡運動時，只需控制4個驅(qū)動輪和車體前端超聲波傳感器便可出色的完成上斜坡運動，流程圖如圖6所示。開機后，主控制器發(fā)送CAN報文，通知伺服分控制器以50%的占空比驅(qū)動直流無刷電動機，使機器人做較慢的運動。當主控制器接收到上位機的斜坡指令后，不斷檢測車體前端超聲波傳感器，當車體運動到傳感器感應閾值時，主控制器再次發(fā)送CAN報文，通知伺服分控制器以70%占空比提高直流無刷電動機的供給功率，從而增大電機輸出力矩，提升機器人爬坡能力。

圖6 轉(zhuǎn)向、斜坡模式流程圖

3.2 臺階模式

機器人進行跨越臺階動作時，控制比較復雜，它運用了控制系統(tǒng)的全部硬件資源，其流程圖如圖7所示。在車體前端超聲波傳感器未到達指定值時，機器人的行走策略同斜坡模式相同。當檢測到車體前端超聲波傳感器探測值到達設定值時，機器人通過主控制器向伺服分控制器發(fā)送前擺臂位置指令，從而驅(qū)動兩個前擺臂和四個驅(qū)動輪進行前輪。當檢測到車體后端超聲波傳感器探測值到達設定值時，機器人通過主控制器向伺服分控制器發(fā)送后擺臂位置指令，從而驅(qū)動兩個后擺臂和四個驅(qū)動輪進行后輪。

圖7 臺階模式流程圖

4 實驗結(jié)果

4.1 CAN 總線通訊試驗

各個控制器之間的通訊是通過CAN總線來實現(xiàn)的，圖8a和圖8b分別是主控制器和伺服從控制器發(fā)送的CAN報文，圖中CAN總線的波特率均設為500 kb/s。

圖8 通訊中的CAN報文

4.2 轉(zhuǎn)向試驗

不同轉(zhuǎn)速下的機器人轉(zhuǎn)向特性對比，采用差速轉(zhuǎn)向方式進行比較。運動參數(shù)如下:

第一種情況:左側(cè)輪速度0.13 m/s，右側(cè)輪速度 0.18 m/s;

第二種情況:左側(cè)輪速度0.08 m/s，右側(cè)輪速度 0.22 m/s。

4.3 斜坡試驗

以木板為斜面，下墊木塊，搭建斜坡路面。通過調(diào)整木板下磚塊的位置，可以調(diào)節(jié)木板的斜度，達到調(diào)節(jié)路面坡度的目的。經(jīng)過反復試驗，得出機器人可以爬越的最大坡度為29.6°(斜坡在地面的投影長為202mm，對應坡高115mm處)。圖9為機器人順利爬上29.6°斜坡的過程。

圖9 機器人的上斜坡過程試驗

4.4 臺階試驗

機器人跨越臺階時，臺階的高度h不同，輪腿式機器人所采用的越障方式也不相同。當臺階高度h＜H1(H1表示機器人無需助力即可順利跨越的最大高度)時，機器人不須做任何助力動作即可順利通過，對于這種情況，文獻［4］進行了詳細的分析，這里不作重復。而當H1＜h＜Hmax(Hmax表示機器人在助力情況下所能跨越的最大高度)時，機器人必須借助擺臂和從動輪產(chǎn)生助力才能越過障礙，本文針對這種情況進行一系列試驗。

試驗臺是以數(shù)塊木板疊放而形成的，其優(yōu)點是試驗臺的高度可以根據(jù)需要調(diào)整，這樣就可以順利測出機器人所能越過的最大臺階高度。經(jīng)過反復試驗，得出該機器人樣機可以越過的最大臺階高度是187mm，此時前、后擺臂擺動幅度為74.3°和86.2°。運動過程如圖10所示。

圖10 機器人的上臺階過程試驗

試驗中用攝像機對機器人的運動過程進行了全程錄像，隨后用圖像分析軟件Movias Pro提取了參考點(即圖中白板上的黑色圓點)的運動軌跡，再用Matlab軟件進行數(shù)據(jù)處理，繪制參考點運動軌跡曲線如圖11～圖13所示。

試驗證明，本輪腿式機器人結(jié)構(gòu)合理，控制器硬件穩(wěn)定可靠，軟件算法適用、合理，整個系統(tǒng)搭建適當、有效，能使輪腿式機器人較好地實現(xiàn)各種動作。

［1］信建國，李小凡，王忠，等.履帶腿式非結(jié)構(gòu)環(huán)境移動機器人特性分析［J］.機器人，2004，26(1):35－39.

［2］汪增福，關(guān)勝曉，曹洋.一種主動適形越障機器人的設計與特性分析［J］.計算機仿真，2007，24(4):165－169.

［3］Lee W，Kang S，Kim M，et al.ROBHAZ2DT3:eleoperated mobile platform with passively adaptive doubletrack for hazardous environment applications［C］//Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.Piscataway，NJ，USA，2004:33－38.

［4］于涌川，原魁，鄒偉.全驅(qū)動輪式機器人越障過程模型及影響因素分析［J］.機器人，2008，30(1):1－6.