章安福

摘 要：本文以45屆世界技能大賽移動機器人項目中涉及的機器人底盤控制為例，對三輪移動機器人運動控制方法及選擇過程進行分析。移動機器人是一個聚集環(huán)境檢測、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多功能為一體的智能系統(tǒng)[1]。該系統(tǒng)包含傳感器技術(shù)、信息處理、電子工程、計算機工程、自動化控制工程以及人工智能等多個學(xué)科的研究成果。文章介紹了第45屆世界技能大賽中使用最為廣泛的三輪移動機器人，具體分析了輪系選擇到控制實現(xiàn)的整個過程，實踐表明，該套控制系統(tǒng)具有良好的運動控制精度，并在比賽應(yīng)用中滿足了高速、精確的底盤運動控制要求，為全國參賽院校提供了較好的參考。

關(guān)鍵詞：移動機器人；底盤；運動控制

1 項目背景與任務(wù)分析

第45屆世界技能大賽移動機器人項目的任務(wù)是基于現(xiàn)實工廠的自動化裝配場景設(shè)計的，要求機器人能夠在虛擬工廠場景中完成將1個零件從零件庫到裝配工作站的自主拾取、自主移動、自主裝配的自動化過程。

移動機器人需要通過讀取命令板上的信息，將所要求的零件裝載至指定零件架，運送到指定的工作站。通過對虛擬工廠的簡單分析，初步確定機器人移動系統(tǒng)的基本要求，如圖1所示。

虛擬工廠的零件架與工作站位置固定，使用全向運動的移動系統(tǒng)能夠靈活且精準到達，移動機器人可以通過巡線確定左右位置，通過測距傳感器確定前后位置，因此可以初步確定全向運動的移動系統(tǒng)作為移動機器人的移動結(jié)構(gòu)。

2 底盤選擇與搭建

2.1 移動機器人底盤選擇

縱觀歷屆世賽，移動機器人項目的典型移動系統(tǒng)有兩電機實現(xiàn)的差動控制系統(tǒng)、三電機實現(xiàn)的全向控制底盤和四電機驅(qū)動全向控制底盤（表1）[2]。在第45屆世界技能大賽移動機器人項目的任務(wù)中，由于整個任務(wù)要求機器人具有靈活移動的同時使用盡可能少的電機，三電機實現(xiàn)的全向移動系統(tǒng)能夠在2 m×4 m的虛擬工廠中自由全方位移動，快速、精準地到達命令欄、零件庫、零件架區(qū)域、工作站區(qū)域前方，同時能夠滿足虛擬工廠內(nèi)10°斜坡的移動要求，完成任務(wù)比兩電機驅(qū)動底盤更加靈活，比四電機驅(qū)動的底盤具有相同靈活性，同時減少了1個電機的使用。經(jīng)對比分析，最終選擇了三電機驅(qū)動的底盤作為搭建原型。

2.2 移動機器人底盤搭建

2.2.1 輪子選擇

全向移動的移動機器人底盤設(shè)計一般采用全向輪和麥克納姆輪2種。麥克納姆輪承重能力大，摩擦力大，常用于4輪底盤設(shè)計。全向輪的特點是靈活快速，原點旋轉(zhuǎn)更精準，常用于3輪底盤設(shè)計?？紤]到套件資源因素，同時也希望機器人擁有快速移動能力，最后選擇使用3輪全向輪底盤（圖2）。

2.2.2 底盤的制作與裝配

在移動機器人項目提供的套件中，U型通道的尺寸無法滿足于我們的底盤支架大小，因此將原有的U型通道加工為長度160 mm的U型通道。底盤使用3條U型通道以60°內(nèi)角分別連接底部的電機座（如圖3）。

頂部后面裝有2路超聲波傳感器，右則裝有1路紅外傳感器，右前方裝有1路紅外傳感器，前方底部裝有4路QTI傳感器，中間放置1個陀螺儀。底盤使用2塊電池，分別放置在后方兩側(cè)，最終完成的機器人如圖4所示。

3 底盤控制研究與實現(xiàn)

三輪全向移動底盤具有良好的運動性。3個輪子互相間隔120°，每個全向輪由若干個小滾輪組成，各滾輪的母線組成1個完整的圓。機器人既可以沿輪面的切線方向移動，也可以沿輪子的軸線方向移動，這兩種運動的組合即可以實現(xiàn)平面內(nèi)任意方向的運動。

通過此方程即可以將場地的速度與輪子的速度連接起來，根據(jù)這個算法將輪子的速度計算出來，由此可以控制電機的轉(zhuǎn)速，從而控制輪子的運動[3]。

坐標移動方式可分為相對坐標移動與絕對坐標移動，相對坐標移動是以機器人自身作為坐標運動的中心向任意方向運動；絕對坐標移動是以運動空間中的某一個點作為坐標運動的中心向任意方向運動。

程序上的實現(xiàn)是通過LabVIEW Robotics Steering模塊提供的移動機器人運動學(xué)解算算法。通過配置輪式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)快速搭建框架。不需要學(xué)習(xí)移動機器人運動學(xué)中枯燥乏味的算法就能實現(xiàn)對不同輪式結(jié)構(gòu)的機器人驅(qū)動。

3輪全向輪運動框架的配置需要切換到程序框圖，右擊彈出函數(shù)面板（如圖6）。myRIO Robotics Algorithms Steering Configure，調(diào)用編寫搭建運動模型所需的函數(shù)。用myRIO自帶的快速VI編寫，這樣會更加方便快捷。

進入配置頁面，配置移動機器人運動框架模塊可以創(chuàng)建不同的運動框架（圖7），例如：兩輪差動模型[4]、三輪全向輪、四輪全向輪等。

不同轉(zhuǎn)向類型配置欄里的選項也會不一樣，這里以User Defined（用戶定義）類型進行說明，分別有Wheel Type（輪子類型）、Wheel Name（輪子名稱）、X position（輪子X坐標）、Y position（輪子Y坐標）、WheelRadius（輪子半徑）、Gear Ratio（齒輪比）和Frame Angle（輪子夾角）。這里顯示配置輪子的數(shù)量，不同的轉(zhuǎn)向類型輪子數(shù)量也不一樣，右下方的3個按鈕可以對輪子進行添加、刪除、復(fù)制等。點擊不同輪子可以進行輪子的配置，在調(diào)用的畫面中會顯示輪子的布局以及每個輪子的大小與角度等。對于3輪全向移動系統(tǒng)的配置，轉(zhuǎn)向類型選擇User Defined（用戶定義），旋轉(zhuǎn)單位選擇Degrees（度），再在輪子列表中添加兩個輪子，變成3輪全向移動系統(tǒng)。

配置完底盤控制框架后，我們將配置框架、逆運動學(xué)解算、正運動學(xué)解算以及電機速度環(huán)連接起來。正運動學(xué)通過電機編碼器解算出當(dāng)前機器人在機體坐標系下的矢量速度；逆運動學(xué)負責(zé)解算設(shè)定機體坐標系下的速度，得到每個輪子電機的矢量速度，從而實現(xiàn)3輪機器人底盤的運動控制（圖8）。

參考文獻：

[1] 丁力，吳洪濤，李興成，周宇.移動機器人的最優(yōu)軌跡跟蹤控制研究[J].機械設(shè)計與制造，2020（02）：271-274.

[2] 宗光華.機器人的創(chuàng)意設(shè)計與實踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004：330.

[3] 牟學(xué)剛，朱勁，蔣平.三輪全向足球機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與系統(tǒng)模型研究[J].機械與電子，2006（5）：38-41.

[4] 黃永志，陳衛(wèi)東.兩輪移動機器人運動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].機器人，2004，26（1）：40-44.