重慶市第一中學(xué)校 李雙岑

服務(wù)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

重慶市第一中學(xué)校 李雙岑

針對(duì)服務(wù)機(jī)器人的工作環(huán)境，以功能和可靠性為設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)服務(wù)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)了帶有懸掛裝置的從動(dòng)輪，提高了移動(dòng)平臺(tái)的穩(wěn)定性；在傳感器布置方面，采用多種傳感器組合成傳感器網(wǎng)絡(luò)，增加了移動(dòng)平臺(tái)的智能性；最后建立了移動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了可行性分析。

移動(dòng)平臺(tái)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；傳感器網(wǎng)絡(luò)；可行性分析

《中國(guó)制造2025》中強(qiáng)調(diào)將機(jī)器人作為未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域之一，提出要圍繞工業(yè)機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人兩大方向，積極研發(fā)新的產(chǎn)品，擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用市場(chǎng)。最近五年，服務(wù)機(jī)器人一直呈現(xiàn)出一種快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)給出的數(shù)據(jù)顯示：2013年，家用/個(gè)人服務(wù)機(jī)器人和專業(yè)服務(wù)機(jī)器人的全球銷量分別為400萬(wàn)臺(tái)和2.1萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)28%和4%。未來(lái)幾年，隨著機(jī)器人技術(shù)獲得重大突破，機(jī)器人生產(chǎn)和維護(hù)成本大幅降低，服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展將繼續(xù)快速增長(zhǎng)[1]。

本文介紹了該移動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并建立了移動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合相關(guān)軟件對(duì)移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行了可行性分析[2-4]。

1.機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)功能要求

本服務(wù)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)主要用于室內(nèi)導(dǎo)游或會(huì)場(chǎng)迎賓，根據(jù)其實(shí)際的使用場(chǎng)所確定了其相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)和功能。運(yùn)動(dòng)參數(shù)要求：正常行駛速度0.5m/s，最大行駛速度1m/s；最大加速度0.5m/s2；最小轉(zhuǎn)彎半徑0m；最大爬坡度10°；最大越障能力10mm，最小離地間隙20mm；最大承載能力50kg。機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)功能要求：能夠在特定的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)尋跡功能、目標(biāo)識(shí)別功能和避障功能。

2.機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在服務(wù)機(jī)器人中，輪式移動(dòng)平臺(tái)具有比腿式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)更快、更平穩(wěn)，控制更簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；比履帶式機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪音小和振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)。此外，輪式移動(dòng)平臺(tái)具有更好的活動(dòng)能力、效率高、便于拆裝和維護(hù)。根據(jù)本服務(wù)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的應(yīng)用場(chǎng)所和功能要求，輪式移動(dòng)平臺(tái)是最佳選擇。機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)主要包括車輪方案、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、傳感器的確立；主、從動(dòng)輪以及懸掛裝置的設(shè)計(jì)；移動(dòng)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)和可行性分析。

圖1 移動(dòng)平臺(tái)車輪配置

2.1 移動(dòng)平臺(tái)輪系配置

機(jī)器人輪式移動(dòng)平臺(tái)常見(jiàn)的車輪配置有三輪配置和四輪配置。一般迎賓機(jī)器人的高寬比較大，機(jī)器人在行駛過(guò)程中容易摔倒，由于三輪配置的穩(wěn)定性不如四輪配置，初步選定四輪配置的方案。考慮到移動(dòng)平臺(tái)最小轉(zhuǎn)彎半徑為0m的要求，移動(dòng)平臺(tái)車輪的布局如圖1所示：四個(gè)車輪呈十字型布置，中間是兩個(gè)對(duì)稱且同軸的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪，前后端各一個(gè)萬(wàn)向從動(dòng)輪。移動(dòng)平臺(tái)尺寸參數(shù)：驅(qū)動(dòng)輪距，從動(dòng)輪距；驅(qū)動(dòng)輪直徑，輪寬，滑動(dòng)摩擦系數(shù)，滾動(dòng)摩擦系數(shù)；從動(dòng)輪直徑，輪寬，滑動(dòng)摩擦系數(shù)，滾動(dòng)摩擦系數(shù)。

2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速器的確立

2.2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率計(jì)算

當(dāng)移動(dòng)平臺(tái)在坡道上行駛時(shí)需要克服：地面的滾動(dòng)阻力Ff、空氣作用在移動(dòng)平臺(tái)行駛方向上的空氣阻力Fw、重力沿坡道的分力即坡度阻力Fi以及加速阻力Fj。由于移動(dòng)平臺(tái)是勻速行駛且速度極慢，故加速助力和空氣阻力均為零，其受力如圖2所示。所以移動(dòng)平臺(tái)在坡道上的總驅(qū)動(dòng)力為：。假設(shè)移動(dòng)平臺(tái)的重力均勻分布在四個(gè)車輪上，①當(dāng)坡度、移動(dòng)速度時(shí)，滾動(dòng)阻力；坡度阻力。根據(jù)以上三個(gè)式子可以得到：移動(dòng)平臺(tái)在坡道上勻速行駛時(shí)的牽引力，每個(gè)電機(jī)所需要提供的功率。②當(dāng)移動(dòng)平臺(tái)以最大加速度0.5m/s在平路上行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)力。其中滾動(dòng)阻力；加速阻力。以此可以得出移動(dòng)平臺(tái)在平路上以最大加速度行駛時(shí)的牽引力，每個(gè)電機(jī)所需要提供的功率。

圖2 移動(dòng)平臺(tái)坡道受力圖

2.2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)力矩計(jì)算

通過(guò)上面的分析可以得出：平均功率輸出最大一般出現(xiàn)在爬坡工況中。下面將對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)向和越障工況中的力矩進(jìn)行計(jì)算。

（1）轉(zhuǎn)向工況下力矩計(jì)算移動(dòng)平臺(tái)在水平路面上轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，機(jī)器人質(zhì)心與驅(qū)動(dòng)的距離，質(zhì)心與萬(wàn)向輪的距離；驅(qū)動(dòng)輪作純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，其受到滾動(dòng)阻力和垂直于輪面方向的靜摩擦力的作用；每個(gè)車輪所受的滾動(dòng)阻力。如圖3（a）和（b）所示，左輪和右輪的驅(qū)動(dòng)力分別表示為FL和Fr，R表示轉(zhuǎn)彎半徑，由此可以得到移動(dòng)平臺(tái)力和力矩的平衡方程為：

用相關(guān)軟件可以繪出左右輪驅(qū)動(dòng)力隨轉(zhuǎn)彎半徑變化的關(guān)系曲線，如圖4所示。通過(guò)以上分析，時(shí)所需驅(qū)動(dòng)力最大，最大驅(qū)動(dòng)力約為10N，驅(qū)動(dòng)力矩：

圖3 移動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)彎工況受力圖

圖4 驅(qū)動(dòng)力變化曲線圖

（2）越障工況下力矩計(jì)算移動(dòng)平臺(tái)在通過(guò)障礙物的受力如圖5所示，假設(shè)臺(tái)階高度為t，驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)力矩為T2。其中：

驅(qū)動(dòng)輪作用在從動(dòng)輪上的力：

平臺(tái)在翻越障礙物的過(guò)程中，F(xiàn)1必須滿足：

用相關(guān)軟件可以繪出驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)力矩T2隨障礙物高度t變化的關(guān)系曲線，如圖6所示。通過(guò)以上分析，當(dāng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)力矩。

圖5 移動(dòng)平臺(tái)越障是受力圖

圖6 驅(qū)動(dòng)力矩隨障礙物高度變化圖

2.3 懸掛裝置的設(shè)計(jì)

移動(dòng)平臺(tái)在行駛過(guò)程中有可能出現(xiàn)某一個(gè)輪子懸空的現(xiàn)象，這必然會(huì)影響到機(jī)器人的穩(wěn)定性。為了防止上述現(xiàn)象的發(fā)生就必須使車輪能夠上下自動(dòng)調(diào)整，由于驅(qū)動(dòng)輪需要和減速器、電機(jī)等連接，為了簡(jiǎn)化移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)，所以將懸掛裝置設(shè)計(jì)在從動(dòng)輪上。設(shè)計(jì)的懸掛裝置機(jī)構(gòu)圖如圖7所示，其自由度。懸掛裝置彈簧剛度系數(shù)和可壓縮量的選取直接關(guān)系到懸掛效果的好壞。下面對(duì)彈簧剛度系數(shù)的選取進(jìn)行計(jì)算。

（1）移動(dòng)平臺(tái)在水平路面上的受力分析

水平路面上移動(dòng)平臺(tái)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型如圖8所示，其中M表示機(jī)器人自身重量，NL、NR分別表示左右驅(qū)動(dòng)輪所受的支持力，NF、ND分別表示前后從動(dòng)輪所受的支持力，彈簧剛度K、初始變形量為X0。由力的平衡關(guān)系有：

（2）移動(dòng)平臺(tái)在凹坑路面上的受力分析

凹坑路面移動(dòng)平臺(tái)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型如圖9所示，由力的平衡關(guān)系有：

假設(shè)從動(dòng)輪相對(duì)于參考平衡點(diǎn)的壓縮行程為Ve1，伸展行程為Ve2。為了滿足最小法向支持要求彈簧剛度應(yīng)滿足：

2.4 移動(dòng)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

移動(dòng)平臺(tái)用于支撐機(jī)器人本體，安裝各種傳感器及元器件，具有非常重要的作用。根據(jù)車輪的布置和尺寸要求。整體框架由方形鋼管焊接而成，鋼管與上面的平板連接。

傳感器是機(jī)器人感知外部環(huán)境的器官。根據(jù)移動(dòng)平臺(tái)的使用場(chǎng)所，采用反射式的紅外傳感器安裝在移動(dòng)平臺(tái)的前后方，實(shí)現(xiàn)尋跡功能；采用熱釋電傳感器安裝在移動(dòng)平臺(tái)的前后方，實(shí)現(xiàn)對(duì)生命體的檢測(cè)；采用超聲波傳感器安裝在移動(dòng)平臺(tái)的四周，實(shí)現(xiàn)避障功能。

3.機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)可行性分析

在對(duì)移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行制造之前，需要對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的可行性進(jìn)行分析，以此來(lái)判斷設(shè)計(jì)的移動(dòng)平臺(tái)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。虛擬樣機(jī)技術(shù)能夠?qū)υO(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行仿真分析，并以此判斷產(chǎn)品的可行性。本文對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的越障工況和爬坡工況進(jìn)行仿真分析，以此作為判斷移動(dòng)平臺(tái)可行性的參考標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 越障工況仿真分析

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將障礙物設(shè)為10mm高的臺(tái)階型障礙，仿真結(jié)果如圖13所示。從圖中可以看到移動(dòng)平臺(tái)由靜止啟動(dòng)到成功越過(guò)臺(tái)階的整個(gè)過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)力絕大部分是小于3200N.mm，峰值力矩也遠(yuǎn)小于9600N.mm。在1.5-3秒?yún)^(qū)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)力矩出現(xiàn)幾個(gè)峰值，分別對(duì)應(yīng)前輪、驅(qū)動(dòng)輪和后輪越障的瞬間，在此瞬間驅(qū)動(dòng)力明顯增大，這說(shuō)明仿真結(jié)果符合實(shí)際情況。

3.2 爬坡工況仿真分析

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的爬坡工況進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖14所示。由圖可知，驅(qū)動(dòng)力絕大部分是小于3200N. mm，只有在移動(dòng)平臺(tái)前輪和后輪接觸坡道的瞬間驅(qū)動(dòng)力矩產(chǎn)生了明顯的增加，此時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩增至堵轉(zhuǎn)力矩大小。

通過(guò)上面的分析可以得出：本研究所選擇的電機(jī)和減速器是合理的，設(shè)計(jì)的移動(dòng)平臺(tái)是可行的。

4.結(jié)論

本研究根據(jù)服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)所，設(shè)計(jì)了一款具有尋跡，目標(biāo)識(shí)別和避障功能的通用型移動(dòng)平臺(tái)。該移動(dòng)平臺(tái)能夠滿足最小轉(zhuǎn)彎半徑、正常行駛速度和最大爬坡度等要求。

[1]工信部裝備工業(yè)司.《中國(guó)制造2025》推動(dòng)機(jī)器人發(fā)展[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2015(3):31-33.

[2]陳軍,陳振華,李素平,等.迎賓機(jī)器人輪式移動(dòng)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)與控制方法研究[J].機(jī)械制造,2009,47(11):24-26.

[3]許松清,吳海彬,楊興裕.兩輪驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究[J].電子機(jī)械工程,2005,21(6):31-34.