李鑫磊 潘陽(yáng)紅 曾明峰 鮮 嶺 李思源( 成都工業(yè)學(xué)院,四川 成都611730
激光探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為激光雷達(dá), 另外也稱Laser Radar 或LADAR 是NASA 于1970 年開(kāi)始研發(fā)。 近年來(lái)隨著激光雷達(dá)技術(shù)的逐漸成熟和設(shè)備生產(chǎn)工藝的優(yōu)化,該技術(shù)也越來(lái)越多的應(yīng)用于自動(dòng)駕駛技術(shù), 自動(dòng)機(jī)器人等民用行業(yè)。 其中在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域也又逐漸嶄露頭角。 例如,在2019 年的新型冠狀病毒的防疫過(guò)程中,為了避免醫(yī)護(hù)人員感染,有的國(guó)家的醫(yī)療機(jī)構(gòu)就使用自動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)醫(yī)療人員和患者之間的物質(zhì)運(yùn)輸。 根據(jù)不同種類的激光雷達(dá)的不同特性,其應(yīng)用的行業(yè)也有所不同。依據(jù)激光雷達(dá)的線數(shù)能夠分為多線激光雷達(dá)和單線激光雷達(dá)。對(duì)于雷達(dá)性能要求不高的服務(wù)機(jī)器人多采用單線激光雷達(dá),例如餐廳服務(wù)機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)構(gòu)內(nèi)部的“ 物流機(jī)器人”等等。 因?yàn)槭菃晤l點(diǎn)工作,為了取得周圍360 度的物體位置信息,不得不增加應(yīng)該一個(gè)機(jī)械旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和增加掃描頻率,并機(jī)械旋轉(zhuǎn)速度和掃描頻率匹配來(lái)獲取外部信息。 自動(dòng)駕駛技術(shù)中多采用多線激光雷達(dá)。
機(jī)器人底盤設(shè)計(jì)采用O-square 全向輪設(shè)計(jì)方案,O-square四輪底盤不論在走直線還是走曲線都可以提供強(qiáng)大的向心力,在抵消慣性的同時(shí), 還提供了強(qiáng)勁的扭矩。 保證機(jī)器人可以快速啟動(dòng)與停止。
2.1.1 全向輪。輪轂和輥?zhàn)庸餐M成全向輪的基本結(jié)構(gòu)。輪轂是整個(gè)輪子支撐骨架, 安裝在輪轂上的鼓狀物則是輥?zhàn)印?輪轂軸與輥?zhàn)愚D(zhuǎn)軸之間呈90°。 輪轂軸與輥?zhàn)愚D(zhuǎn)軸之間的夾角不同就可以制作出功能各不相同的輪子。 2.1.2 激光雷達(dá)。 激光雷達(dá)運(yùn)用自動(dòng)傳感器快速獲取三維空間點(diǎn)云形式的數(shù)字信息。 激光雷達(dá)主要使用紅外到紫外之間的光譜段, 首先發(fā)射機(jī)向周圍周期性的發(fā)射激光束,遇到障礙物后,激光束會(huì)反射到接收機(jī),把光信號(hào)處理成可以讀取的電信號(hào)。 測(cè)量出激光束從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)所經(jīng)歷的時(shí)間、 信號(hào)類型和電信號(hào)頻率。通過(guò)分析得出障礙物距離機(jī)器人的距離與角度、機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度及方向( 位姿)。
2.2.1 根據(jù)實(shí)際功能需求確定使用全向輪底盤。 2.2.2 根據(jù)模型設(shè)計(jì)出符合功能需求的機(jī)器人結(jié)構(gòu)。 2.2.3 使用UG、SW 等工業(yè)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)出非標(biāo)零件結(jié)構(gòu)。
2.3.1 非標(biāo)零件多為碳纖維材質(zhì)。 2.3.2 激光雷達(dá)是一類對(duì)精度要求較高的傳感器,使用運(yùn)輸中請(qǐng)勿碰撞。 2.3.3 調(diào)試好工作狀態(tài)的激光雷達(dá),在使用過(guò)程中避免位姿的變化。 2.3.4 使用之前檢查供電狀態(tài)、擦拭激光鏡頭。
根據(jù)功能需求與提高空間利用率,通過(guò)三維設(shè)計(jì),最終確定其外形尺寸為:550mm×550mm×300mm。
非標(biāo)住零件的主要材料為碳纖維, 部分零件使用鋁合金ZAlCu5Mn(ZL201)
3.3.1 電機(jī)選型。 假定電機(jī)所需要承受的最大阻力為300N。
式中:
P——輸出功率( KW);T——修正過(guò)的力矩?cái)?shù)值( N·M);nb——轉(zhuǎn)速( r/min);U——轉(zhuǎn)動(dòng)效率;算得直流電機(jī)輸入功率,最終選定電機(jī)型號(hào):M3508。
3.3.2 全向輪速度
a.輪子的速度
Vtx—— X 軸速度,右為正。 Vty—— Y 軸速度,前為正。
b.輪子軸心位置的速度
c.輥?zhàn)拥乃俣?/p>
3.3.3 減震機(jī)構(gòu)
采用平行四邊形機(jī)構(gòu),使輪軸軸心于地面平行,確保全向輪擁有最大接觸面積,三根彈簧減震器形成穩(wěn)定的三角形,不僅實(shí)現(xiàn)減震的功能,還能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的用途,動(dòng)力來(lái)自于3508電機(jī),連接萬(wàn)向節(jié)為全向輪提供動(dòng)力,可以有效的避免側(cè)面沖擊帶來(lái)的破壞。
3.4.1 三角測(cè)距
q——實(shí)測(cè)距離;s——激光頭與鏡頭距離;f——焦距;β——夾角;d——實(shí)測(cè)距離。
3.4.2 旋轉(zhuǎn)掃描
模型設(shè)計(jì)無(wú)從下手。
解決方法:運(yùn)用TRIZ 技術(shù)沖突解決原理設(shè)計(jì)三維模型。 需要設(shè)計(jì)的是O-square 雷達(dá)機(jī)器人。
研究設(shè)計(jì)O-square 雷達(dá)機(jī)器人的結(jié)構(gòu), 需要利用UG、CAD技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì), 著重幾下幾個(gè)問(wèn)題討論:4.2.1 激光雷達(dá)高精度模型;4.2.2 部分機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù), 包括減震機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)。