馮治國 ，王蕓蕓，竇忠宇

(貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽550025)

全方位輪式移動機(jī)器人由于可以不需姿態(tài)調(diào)整而實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)任意方向的運(yùn)動，因而其機(jī)動性及避障能力好，適合應(yīng)用于如星球探險、AGV 運(yùn)輸、醫(yī)療康復(fù)等領(lǐng)域，已成為全球機(jī)器人應(yīng)用研究熱點(diǎn)。代表性研究有德國kassel 大學(xué)［1］、荷蘭Eindhoven 工業(yè)大學(xué)［2］及國防科技大學(xué)［3］研制的全方位移動機(jī)器人。雖然國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對全方位輪式移動機(jī)器人技術(shù)已做大量研究工作，但在全方位輪結(jié)構(gòu)設(shè)計、運(yùn)動學(xué)模型和動力學(xué)模型分析等方面仍有深入研究的余地。本實(shí)驗(yàn)室在構(gòu)建全方位輪式移動機(jī)器人的基礎(chǔ)上，開展移動機(jī)器人輪子配置方案、全方位輪的設(shè)計與制造、運(yùn)動學(xué)控制方法等方面的研究工作。

1 全方位移動機(jī)器人

1.1 全方位輪

全方位輪是全方位移動機(jī)器人實(shí)現(xiàn)任意方向的平移以及復(fù)雜弧線運(yùn)動的核心部件。其技術(shù)特性的關(guān)鍵要點(diǎn)是有效的控制全方位輪的多邊形效應(yīng)。因此，本文在深入研究德國kassel 大學(xué)的全方位輪結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將全方位輪的從動輥由傳統(tǒng)的紡錘形改成起伏形狀，如圖1 所示，旨在①減小多邊形效率，提高運(yùn)動平穩(wěn)性，②增加從動輥與地面摩擦力。

1.2 全方位移動機(jī)器人平臺原理分析

圖1 全方位輪

圖2 移動平臺結(jié)構(gòu)布局

全方位移動機(jī)器人可由不同數(shù)目的全方位輪配置組合構(gòu)成移動平臺。圖2 所示的三輪和四輪結(jié)構(gòu)形式是常見的移動平臺配置方案。本文在研究文獻(xiàn)［3］-［5］的基礎(chǔ)上，深入研究三輪和四輪布局結(jié)構(gòu)，總結(jié)出如下結(jié)論:

①若機(jī)器人移動平臺運(yùn)動速度相同，車體總功率相同，則三輪平臺的單個電機(jī)功率與四輪平臺單個電機(jī)功率關(guān)系:P31=4/3 P41;

②由圖3(a)所示的速度可達(dá)域圖可知，三輪平臺的速度可達(dá)域?yàn)檎呅危妮喥脚_的速度可達(dá)域?yàn)檎倪呅?，其速度可達(dá)域最大內(nèi)切圓半徑相等。在各向均勻性方面，三輪較四輪均勻。在單方向上(坐標(biāo)軸)加速度方面，四輪布局可達(dá)速度是三輪1.244 倍。輪布局單個輪子加速度為，三輪布局單個輪子加速度，四輪是三輪的。即當(dāng)車體的加速度相同時，四輪平臺單個驅(qū)動輪和地面的實(shí)際摩擦力小于三輪平臺驅(qū)動輪子和地面的摩擦力，如果因場地變化導(dǎo)致輪子和地面間的摩擦系數(shù)大幅度減小，首先會影響到三輪平臺。

圖3 三/四輪布局全向移動平臺速度、加速度可達(dá)域?qū)Ρ葓D

通過上述對比分析可知，四輪布局的移動平臺性能優(yōu)于三輪布局。因此，本文全方位移動機(jī)器人選用四輪配置的移動平臺。

1.3 全方位移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

本實(shí)驗(yàn)室設(shè)計的全方位移動機(jī)器人平臺，如圖4 所示。其關(guān)鍵部件為全方位輪驅(qū)動裝置(圖5)，選用無刷直流電機(jī)驅(qū)動全方位輪，其輸出軸與撓性聯(lián)軸器聯(lián)接，聯(lián)軸器安裝在全方位輪內(nèi)部，有效控制軸系尺寸和保護(hù)電機(jī)輸出軸。減震系統(tǒng)是全方位輪式移動機(jī)器人平臺設(shè)計重要部件，有效解決平臺運(yùn)行過程中四輪不同時接觸地面導(dǎo)致的打滑或空轉(zhuǎn)問題。

圖4 全方位移動機(jī)器人平臺

圖5 全方位輪內(nèi)部構(gòu)造

根據(jù)設(shè)計要求，全方位移動平臺質(zhì)量為35 kg，最大載重量為50 kg，則每個輪子承受載荷為212.5 N。

設(shè)輪子與地面的滾動摩擦因數(shù)為μ=0.1，則

摩擦力f = 0.1 ×212.5 =21.25 N

車輪半徑r=0.1 m，

摩擦力矩t=fr=21.25 ×0.1 =2.125 Nm

所選電機(jī)參數(shù):額定功率P=0.06 kW，轉(zhuǎn)速為n=100 r ∕min，由T =9550 ×P/n =5.73 N·m，電機(jī)效率＞80%，則理論最大力矩T=4.58 Nm。

T ＞t，所選電機(jī)滿足驅(qū)動要求。

為了保證全方位輪的可靠性，對設(shè)計的全方位輪的輪轂和從動輥進(jìn)行了強(qiáng)度分析。本文以輪轂為例，闡述其分析過程。輪轂采用鋁合金LY12 加工制造，其材料屬性ρ =2.78 ×103kg/m3，σb=420 MPa，σs=7.58 ×108Pa，E =7.0 ×1010Pa，ν =0.3。在UG 三維軟件的有限模塊中，采用四面體對輪轂進(jìn)行網(wǎng)格劃分，輪轂中心處施加0.147 kN的載荷，以從動輥軸的2 個安裝槽作為約束。仿真結(jié)果，變形位移(Max)為1.098 × 10-2mm，應(yīng)力(σmax)為4.359 ×106Pa ＜σs，所選材料符合設(shè)計要求。

2 全方位移動機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計

全方位移動機(jī)器人運(yùn)動控制的關(guān)鍵技術(shù)是四電機(jī)同步協(xié)調(diào)控制。本文根據(jù)全方位輪式移動機(jī)器人運(yùn)動控制，選用TMS320F2812 DSP 控制器，H橋直流電機(jī)驅(qū)動模塊，構(gòu)建全方位輪的控制系統(tǒng)，如圖6 所示。其控制方法采用PWM 調(diào)速，每個全方位輪的直流電機(jī)由速度和方向兩路信號控制。基于全方位輪運(yùn)動速度分解，通過控制PWM 波形的占空比調(diào)壓變速，實(shí)現(xiàn)直線、斜線、旋轉(zhuǎn)三種運(yùn)動軌跡模式。

圖6 控制系統(tǒng)實(shí)物圖

3 全方位移動機(jī)器人實(shí)驗(yàn)

本文在構(gòu)建的全向移動機(jī)器人樣機(jī)平臺，進(jìn)行了直線、斜線、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動測試，結(jié)果如圖7、圖8、圖9 所示。由圖可知，移動平臺直線運(yùn)動軌跡最大誤差△＜10 mm、斜線運(yùn)動軌跡最大誤差△＜20 mm，自轉(zhuǎn)運(yùn)動軌跡最大誤差△＜20 mm。通過測試分析，發(fā)現(xiàn):①四臺電機(jī)同步協(xié)調(diào)控制時，電機(jī)轉(zhuǎn)速差異導(dǎo)致全方位輪轉(zhuǎn)速不一致;②全方位輪加工制造精度問題;③全方位輪的小棍子與測試地面的摩擦等因素導(dǎo)致動平臺軌跡跟蹤性能出現(xiàn)誤差。因此，本移動機(jī)器人下一階段研究工作重點(diǎn)是通過在全方位輪上安裝編碼器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制，提高同步協(xié)調(diào)控制補(bǔ)償能力;增強(qiáng)全方位輪與接觸地面的摩擦等手段，提高移動平臺運(yùn)動性能。

圖7 直線運(yùn)動

圖8 斜線運(yùn)動

4 結(jié)論

圖9 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動

本文在研究國外全向輪的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種全向輪，目的在于減小多邊形效應(yīng)，增強(qiáng)從動輪與接觸地面摩擦力。在此基礎(chǔ)上，通過分析全向移動機(jī)器人平臺的原理，構(gòu)建了對稱分布的四輪全向移動平臺。選用DSP 控制器實(shí)現(xiàn)移動機(jī)器人平臺的直線、斜線及轉(zhuǎn)動的運(yùn)動模式。實(shí)驗(yàn)證明，移動平臺具有摩擦力大，運(yùn)動平穩(wěn)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了良好的全方位運(yùn)動效果。

全向移動機(jī)器人平臺下一步研究工作:①改進(jìn)減震結(jié)構(gòu)，提高四輪同步接觸地面，進(jìn)一步避免打滑、空轉(zhuǎn)現(xiàn)象。②深入研究四輪同步協(xié)調(diào)控制算法，提高運(yùn)動軌跡跟蹤能力。

［1］Skubch H. Modelling and Controlling of Behaviour for Autonomous Mobile Robots［D］.Germany:University of Kassel，2012.

［2］J De Best，R Van de Molengraft，Maarten Steinbuch.A novel ball handling mechanism for the RoboCup middle size league ［J］.Mechatronics，2011，201(2):469 -478.

［3］盧盛才. 足球機(jī)器人的設(shè)計與全向移動平臺的控制［D］. 長沙:國防科技大學(xué)，2009.

［4］陳旭東，孔令成，劉尊朋. 基于全向輪的機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析與控制設(shè)計［J］. 測控技術(shù)，2012，31(1):48 -56.

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