趙曉艷 張超 馬艷娥 張強

摘要：機(jī)器人的發(fā)展是未來發(fā)展必然趨勢的其中之一，全方位移動式機(jī)器人更是智能機(jī)器人這一領(lǐng)域的一個重要組成。本課題設(shè)計是應(yīng)全國大學(xué)生機(jī)器人大賽（ROBOCON賽事）規(guī)則的要求，設(shè)計制造一款四個全向輪的機(jī)器人，采用STM32F407VET6作為主控制器，對其行走機(jī)構(gòu)和拋投機(jī)構(gòu)做了研究。其中四輪全向輪機(jī)器人的行走移動機(jī)構(gòu)，采用了多傳感器融合定位，以保證可靠準(zhǔn)確的抵達(dá)最初設(shè)定的位置。通過拋投機(jī)構(gòu)抓取拐骨、翻轉(zhuǎn)并將拐骨投擲到投擲區(qū)且平穩(wěn)的著落，并對機(jī)構(gòu)進(jìn)行實驗驗證。

關(guān)鍵詞：全向輪;拋投;機(jī)器人;機(jī)構(gòu)控制

1? 緒論

第十八屆全國大學(xué)生機(jī)器人大賽（ROBOCON賽事）是以“快馬加鞭”為中心主題，舉辦大學(xué)生機(jī)器人賽事。如今，第四次工業(yè)革命以大數(shù)據(jù)為核心，信息在不知不覺中高速傳遞，促使互聯(lián)網(wǎng)在思維邏輯上形成了單一且巨大的信息在網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)全球化，能使我們不受空間限制，并且可以通過多種多樣的形式來進(jìn)行信息的交換。

2? 系統(tǒng)總框架設(shè)計

底盤行走機(jī)構(gòu)和拋投機(jī)構(gòu)的方案

本次的行走機(jī)構(gòu)采用的是四輪底盤。四輪車體不僅僅滿足了移動機(jī)器人在平面上對三個自由度（橫向、縱向和旋轉(zhuǎn)）一定的需求，同樣較三輪底盤，增加一個驅(qū)動輪就意味著增加了機(jī)器人的系統(tǒng)穩(wěn)定性，增加了機(jī)器人的整體承重能力，同時減少了每個全向輪垂直方向上的負(fù)荷，也提高了機(jī)器人移動的速度與穩(wěn)定性[1]。

根據(jù)比賽規(guī)則，“機(jī)器信使1”必須按照場地原有的白線引導(dǎo)線標(biāo)明的路線行駛，要求“機(jī)器信使1”以最短的時間和最優(yōu)的路徑繞過森林，穿過橋梁，抵達(dá)交接位置，用最短的時間完成交接，縮短實現(xiàn)任務(wù)時間。

“機(jī)器信使1”從龍門驛出發(fā)，通過繞半圓圓弧的方式穿過森林，車身正直穿過橋梁，然后轉(zhuǎn)向走過界線1交接令牌，并抓取獸骨走到投擲區(qū)內(nèi)準(zhǔn)備投擲。

“機(jī)器信使1”雖然可以手動操作，但是為了以最快的速度和最高的效率完成任務(wù)，“機(jī)器信使1”要求基本實現(xiàn)全自動，只做少部分的人為干預(yù)，所以“機(jī)器信使1”必須知道自己當(dāng)前所處的位置，以及自己下一步的運動方向?！皺C(jī)器信使1”的主MCU通過定位系統(tǒng)返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計算，然后控制動力系統(tǒng)按照既定的行進(jìn)方向繼續(xù)行進(jìn)。

“機(jī)器信使1”在將令牌交接給“機(jī)器信使2”后，“機(jī)器信使2”抵達(dá)高山驛后，“機(jī)器信使1”才可以進(jìn)入投擲區(qū)進(jìn)行投擲拐骨。由于獸骨的形狀是不規(guī)則的形狀。首先需要平穩(wěn)的抓起獸骨，并以最快的方式轉(zhuǎn)交到拋投機(jī)構(gòu)上，所以設(shè)計的方案便是抓取機(jī)構(gòu)即為拋投機(jī)構(gòu)，“機(jī)器信使1”上有一個氣缸推動的導(dǎo)軌平臺，將拋投機(jī)構(gòu)安裝到平臺上，從車尾抓到獸骨，將獸骨翻轉(zhuǎn)到車身前，到達(dá)發(fā)射區(qū)的最前端，將平臺推到極限位置，然后通過氣缸將獸骨推進(jìn)著陸區(qū)，盡最大可能一次性得到最高分。

3? 各機(jī)構(gòu)硬件設(shè)計方案

3.1 全向輪底盤硬件設(shè)計

全向輪底盤采用的四輪設(shè)計，四輪底盤可以在繞圓弧的時候提供更大的向心力，以抵消機(jī)器人本身的慣性，保證可以平穩(wěn)快速的穿過森林區(qū)域。底盤上的動力來自MAXON的RE40伺服電機(jī)，其功率達(dá)到了150W，并配以14∶1的行星減速箱，在提供強勁動力的同時還可以提供做夠大的扭矩，來保證重20公斤的機(jī)器人可以快速啟動、快速行進(jìn)。

伺服電機(jī)后配有500線高精度編碼器，可以將電機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速發(fā)送給伺服電機(jī)驅(qū)動盒，驅(qū)動盒將電機(jī)返回的數(shù)據(jù)與主控MCU設(shè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，并進(jìn)行補償，從而達(dá)到速度的精準(zhǔn)控制。

全向輪采用的是直徑127mm大尺寸的輪。此全向輪由雙排44個橡膠材質(zhì)的小輥輪，套在輥子軸和軸承上，輪轂采用輕質(zhì)高強度鋁合金，在提高負(fù)載能力的同時減輕輪子自身的重量。大尺寸的全向輪在電機(jī)提供強勁動力的時候，輪子可以提供更快的速度[2]。

電機(jī)編碼器采用安華高光500線編碼器，編碼器是AB項光電式的，它是512線編碼器，即電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，AB項都會發(fā)出512個脈沖。所以，單個編碼器的測量精度為0.72°。

電機(jī)的控制采用Robomodule直流伺服電機(jī)驅(qū)動器。有多種開環(huán)和閉環(huán)的運動模式，其中速度位置雙閉環(huán)模式更適合四輪全向輪機(jī)器人的移動，再配合高分辨率的編碼器，可以使機(jī)器人的運動更為精準(zhǔn)[3]。

全向輪底盤的運動就是將整個機(jī)器人的運動方向分解成四個全向輪的移動方向，所以需要知道機(jī)器人的位置和當(dāng)前速度與四個輪子速度和轉(zhuǎn)向之間的關(guān)系。

3.2 傳感器的設(shè)計

選用HPS-167-L TOF測距傳感器來判斷機(jī)器人與圍欄之間的距離，TOF測距傳感器有個很明顯的缺點是存在發(fā)射角度太大，容易丟失數(shù)據(jù)，需要另外的傳感器來補償這一盲區(qū)。選用光電開關(guān)彌補誤差，反應(yīng)靈敏，可以捕捉快速通過的物體，靈敏度可調(diào)，內(nèi)置抗干擾芯片。四輪全向輪機(jī)器人整體系統(tǒng)采用24V供電，降壓到5V，再經(jīng)AMS1117-3.3V穩(wěn)壓芯片輸出3.3V給傳感器和MCU供電。

在傳感器的電路設(shè)計中，雙輪全場定位系統(tǒng)采用IIC與主控MCU通信;TOF測距傳感器也采用TTL與主控MCU通信;采用光電開關(guān)選用PNP型，12V供電，只需一個I/O采集高低電平即可。

四輪全向輪機(jī)器人的定位系統(tǒng)使用的雙輪全場定位系統(tǒng)安裝在底盤的任意位置，通過算法補償雙輪全場定位系統(tǒng)與機(jī)器人中心的差距;使用的TOF測距傳感器角度達(dá)到了1.6°，當(dāng)機(jī)器人距圍欄較遠(yuǎn)的時候，會散射到圍欄外，從而丟失數(shù)據(jù)，因此采用光電開關(guān)彌補超聲波測距角度的不足。定位系統(tǒng)中，需要在四輪全向輪機(jī)器人上安裝1個雙輪全場定位系統(tǒng)、2個TOF測距傳感器、2個光電開關(guān)。

3.3 拋投機(jī)構(gòu)的設(shè)計

拋投機(jī)構(gòu)包含了拐骨的抓取、翻轉(zhuǎn)和拋投。為了保證抓取和拋投的快速和準(zhǔn)確，采用氣動方式進(jìn)行抓取和拋投。拐骨的翻轉(zhuǎn)力矩較大，使用電機(jī)翻轉(zhuǎn)需要電機(jī)的扭矩很大，利用巧妙的鏈條結(jié)構(gòu)增大扭矩，從而使拐骨可以用很小的力就可以翻轉(zhuǎn)過來。

氣動采用了三個五位三通的電磁閥控制氣缸的運行，左側(cè)電磁閥控制拐骨的抓取，中間電磁閥控制整個拋投機(jī)構(gòu)的推出，右側(cè)電磁閥控制拐骨的拋投。

因為選擇的24V的電磁閥單電控五位三通電磁閥，主控MCU的信號是3.3V，所以不能直接控制電磁閥的運動[4]，需要設(shè)計一個電磁閥驅(qū)動來控制電磁閥。雖然三極管不能阻斷電路，電磁閥會有少量的電流回流到主控MCU中，影響主控MCU的運行，所以將三極管換成了具有阻斷電路的光耦，在不影響放大電流的情況下，可以很好的起到阻斷電路的作用。

為了減少電磁閥驅(qū)動占用過多的主控MCU的引腳，電路中利用上下拉電阻設(shè)計了反向，所以一個引腳就可以控制一個電磁閥的通斷。

4? 機(jī)構(gòu)控制設(shè)計方案

本次設(shè)計使用到了一條CAN總線，用于與四個伺服電機(jī)的通訊。使用了三條USART，第一條USART與定位系統(tǒng)進(jìn)行通訊，第二條USART與拋投機(jī)構(gòu)進(jìn)行通訊，第三條接受其他傳感器返回的數(shù)據(jù)。

主控MCU的供電采用鋰電池供電，使用非隔離降壓模塊（BUCK）同步整流，將12.4V降到5V給主控MCU供電。CAN總線使用TJA1050 CAN高速收發(fā)器，主控MCU通過串行輸入口與串行輸出口與TJA1050收發(fā)器相連，通過TJA1050內(nèi)部電平轉(zhuǎn)換，再通過CAN_H和CAN_L通過廣播報文的形式發(fā)送出去，對應(yīng)ID的伺服電機(jī)驅(qū)動盒接受對應(yīng)的的報文消息。在整個CAN總線的末端都會加一個120Ω的終端電阻，CAN_H和CAN_L兩根線以雙絞線的形式并聯(lián)在四個驅(qū)動盒上，終端電阻與雙絞線形式保證了數(shù)據(jù)信號在總線的兩端不會反射，保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

為了使各個MCU更為有效的進(jìn)行工作，采用多機(jī)通信的方式來傳遞信息，IIC用于采集全場定位數(shù)據(jù)，主控MCU同位置感知從機(jī)MCU之間的通訊采用232通訊，防止了數(shù)據(jù)的丟幀。

四輪全向輪底盤定位采用雙閉環(huán)控制。外環(huán)控制為雙輪全場定位系統(tǒng)與電機(jī)驅(qū)動之間的閉環(huán)，內(nèi)環(huán)為電機(jī)驅(qū)動與電機(jī)位置和速度之間的閉環(huán)。電機(jī)上的光電式編碼器將電機(jī)的位置和轉(zhuǎn)速反饋到電機(jī)驅(qū)動器內(nèi)，電機(jī)驅(qū)動器在驅(qū)動器內(nèi)部將反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比對，得到偏差值，并對電機(jī)進(jìn)行偏差的補償，此內(nèi)環(huán)控制可以對電機(jī)進(jìn)行一個精準(zhǔn)的控制。雙輪全場定位系統(tǒng)返回當(dāng)前機(jī)器人在坐標(biāo)系中的位置，然后與目標(biāo)位置進(jìn)行比較，得出位置的偏差，并對偏差進(jìn)行補償，此外環(huán)控制可以對機(jī)器人的位置進(jìn)行一個精準(zhǔn)的控制。

機(jī)器人自身的旋轉(zhuǎn)會對雙輪全場定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生一個漂移，所以需要激光進(jìn)行檢測圍欄的距離進(jìn)行校準(zhǔn)以此來消除誤差。在雙輪全場定位系統(tǒng)與激光的雙閉環(huán)下，四輪全向輪機(jī)器人可以實現(xiàn)自主行走，并自主進(jìn)行校準(zhǔn)，消除誤差。

雙輪全場定位系統(tǒng)通過卡爾曼濾波、互補濾波算法和A-Fusion算法將采集回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，得到一個可靠穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。設(shè)計出偏移量，然后輸入為速度PID的速度偏差值。位置PID通過編碼器光柵格返回的脈沖數(shù)量，計算出電機(jī)當(dāng)前所轉(zhuǎn)動的角度，通過與給定的電機(jī)角度進(jìn)行計算，計算出偏移量，然后輸入位置PID的位置偏差值。

5? 結(jié)論

本設(shè)計通過多傳感器融合，使得四輪全向輪機(jī)器人可以更準(zhǔn)確的知道自己所處的位置，并且可以知道需要執(zhí)行哪一步任務(wù)，實現(xiàn)全自動化，減少人為干預(yù)，可以更加快速的完成任務(wù)。在調(diào)試過程中，出現(xiàn)了很多問題，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制設(shè)計密不可分，需要特別緊密的配合，雖然四輪全向輪機(jī)器人完成了相應(yīng)的功能。希望在未來可以設(shè)計出更加穩(wěn)定，更加全能，更加高效的四輪全向輪機(jī)器人，并且可以運用在搶災(zāi)、救險、運輸?shù)刃袠I(yè)中，推動未來科技的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]王江華，張莉，曾建學(xué).球形全向移動自平衡機(jī)器人的建模與控制[J].實驗室研究與探索，2019（09）.

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[3]王建彬，陳建平.一種輸入有界的四輪全向機(jī)器人軌跡跟蹤控制方法[J].現(xiàn)代計算機(jī)，2019（17）.

[4]丁權(quán)，馮金龍.輪式移動機(jī)器人軌跡跟蹤控制研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（04）.