高涵,王志文,唐源澤,劉晶
(華東理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院,上海 200237)
普通的多輪驅(qū)動機器人在與人交互時常遇到一個問題,由于人體的身高較高,重心較高的機器人非常容易翻倒。為了解決這個問題,多輪驅(qū)動機器人需要調(diào)整其重心或者增大底盤面積,使得其在使用時產(chǎn)生了諸多不便。且在家庭等狹小區(qū)域,多輪驅(qū)動的機器人很少能實現(xiàn)全向移動的功能。但是球形輪驅(qū)動的機器人很好地解決穩(wěn)定性和方向靈活性的問題,在一些平坦場所的使用前景廣泛,除此之外,在基于球形輪驅(qū)動的底盤上部添加機械抓手等輔助功能,可以較好地完成家庭中家務(wù)工作的需求,更加方便了使用者的日常生活,是一種新型的實用型家居機器人。
本文設(shè)計的機器人其主體部分可以分為上、中、下三層結(jié)構(gòu),每一層中間使用了亞克力板材料進行每一層的分割,層與層之間使用亞鈦合金鋼柱進行連接,保證了整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,文中將分三層結(jié)構(gòu)逐一介紹球形輪智能家居機器人的結(jié)構(gòu)。
球形輪智能家居機器人上端采用了6自由度的機械抓手,使用了3個行程為50 mm的12 V直流電動推桿來進行機械臂的抓取和抬升,機械臂總體長度伸長達到600 mm左右[1],可以在球形輪的承載下在上部進行自由活動以進行物品的抓取,實現(xiàn)對于指定物品的拿取和擺放,進行家居物品的擺放歸位和需求物品的自動拿取,這給腿腳不便的使用者(如老人、孕婦)帶來了極大的便利。抓取機械抓手的質(zhì)量只有115 g,在移動時減小慣性力,機械抓手的轉(zhuǎn)矩達15 N·m,可以抓取最大的質(zhì)量可達6 kg,基本可以實現(xiàn)居家內(nèi)各種雜物的收拾和行動不便使用者基本生活物品的拿取。智能機器人的中上層結(jié)構(gòu)主要用于支撐和容納中層的控制結(jié)構(gòu)和電池裝置,以及自動充電接口的放置,最上層結(jié)構(gòu)(如圖1)主要用于連接電動機墊片,電動機用螺釘固定在最上層亞克力材質(zhì)圓盤分隔板之上,電動機傳動帶動機械臂一段旋轉(zhuǎn),利用程序控制藍牙模塊,利用手機移動端控制機械抓手的旋轉(zhuǎn)和運動方向,機械臂中端裝配紅外測距裝置,可以自動控制與障礙物的距離進行準確抓取,同時也保證了機器人在家庭中工作的時候不會碰撞到使用者或者自己撞到家居導(dǎo)致人員的傷害或者對家居的損害。
圖1 上層結(jié)構(gòu)
下部結(jié)構(gòu)是本機器人最有特色的一個部分,運用最下層的亞克力分割板,在其上裝備3個電動機,電動機與水平面的天頂角成50°(如圖2),3個成中心堆成的電動機連接3個球面運動型麥克納姆全向輪,控制整個機構(gòu)在球面上運動。在機器人的中部結(jié)構(gòu)處加裝陀螺儀、加速度計等傳感器,用以獲取整個機構(gòu)的狀態(tài)參數(shù)[2]。利用STM32控制板執(zhí)行三驅(qū)動單輪自平衡算法,自動算取機構(gòu)的實時重心以保證整個機器人系統(tǒng)在運動過程中保持平穩(wěn)的運動。利用單輪驅(qū)動的原理進行運動,能保證各個方向的更平穩(wěn)、快速的全方位運動。
圖2 球形輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)圖
如圖3所示,當機器人停止運行時,啟用側(cè)方4個支柱中的支撐座支撐機器人的站立。支撐座由帶有導(dǎo)向槽的支架、撐腳和約束運動的桿組成。支撐座由電動機驅(qū)動,支撐座使機器人可以在任意位置穩(wěn)定靜止或者在運行中暫時穩(wěn)定,增加了機器人的實用性。
圖3 展開和收起狀態(tài)
機器人總體參數(shù)與支撐架參數(shù)如圖4所示,機械手設(shè)計參數(shù)如圖5所示,中層驅(qū)動結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖6所示。
圖4 總體參數(shù)與支撐架參數(shù)
圖5 機械抓手設(shè)計參數(shù)
圖6 中層驅(qū)動結(jié)構(gòu)參數(shù)
在機器人操作系統(tǒng)(Robot Operating System,ROS)下采用即時定位與地圖構(gòu)建(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)算法技術(shù),可以使機器人柔性地在各個目標點間自主行動。具體操作如下:將使用SolidWorks軟件繪制的機器人型導(dǎo)出為URDF格式,在ROS中調(diào)用此機器人模型。在樹莓派上使用robot_pose_ekf(擴展卡爾曼濾波器)融合里程計、激光雷達和IMU的時時數(shù)據(jù),在PC端使用Gmapping算法建立2D柵格地圖,并將此地圖用于自適應(yīng)蒙特卡洛定位(AMCL)和move_base移動導(dǎo)航。在配置文件中設(shè)置最大速度、機器人半徑、障礙物半徑等參數(shù)。使用腳本在終端設(shè)置好目標點后將速度指令傳給STM32進行PID電動機控制,并通過編碼器獲取電動機轉(zhuǎn)速傳回終端進行運算,得到速度、加速度、路程、相對坐標等運動信息,進行本地和全局的路徑規(guī)劃。由此可實現(xiàn)機器人導(dǎo)航至指定地點并能自主避開途中移動或靜止的障礙物。由于球足機器人采用3個電動機驅(qū)動3個全向輪帶動底部球足進行移動,其運動模型與常見的差速模型有較大不同,相關(guān)速度計算分析見第3節(jié)的運動計算,由此推導(dǎo)的相關(guān)速度公式應(yīng)用于STM32上驅(qū)動3個電動機合理轉(zhuǎn)動。
球足機器人在移動過程中實時激光掃描建圖,當路徑規(guī)劃途中出現(xiàn)移動或靜止的新障礙物,雷達掃描得到新的點云信息,機器人會重新進行局部路徑規(guī)劃,從而達到自主避障的功能。具體實現(xiàn)算法是Dynamic Windows Approach(DWA),即在速度空間(線速度v,角速度w)中采樣并模擬這些速度在一定時間內(nèi)的運動軌跡,再通過評價函數(shù)對這些軌跡打分,選出最優(yōu)的一組速度[3],再由這一組線速度、角速度計算出3個驅(qū)動輪的速度。
對于容易抓取的日常物品,機械臂接收語音提示后自主抓取。識別物品主要依靠深度學(xué)習和圖像識別技術(shù),得到物品輪廓和空間三維坐標后,進行機械臂運動學(xué)逆解,計算出機械臂各關(guān)節(jié)應(yīng)進行的動作,交由主控板完成電動機控制抓取物體。
本機器人的驅(qū)動球輪大小類似于普通籃球大小,直徑約為30 cm,質(zhì)量達650 g,而本機器人的驅(qū)動原理采用了偏心距驅(qū)動原理[4],空載時利用了3個全向輪的差速運動從而對底盤的球輪載體施加了偏心力矩,使得球體隨之開始運動;當上端結(jié)構(gòu)機械臂開始運作或夾取物品時,外物本身的質(zhì)量提供了一個偏心力,從而驅(qū)動球輪開始運動,而3個全向輪通過差速配合運動來保證整體的平穩(wěn)性。
方向傳感器以平臺的水平傾斜角和加速度作為輸入,通過程序數(shù)據(jù)處理后,將指令傳達給3個步進電動機,控制3個全向輪的轉(zhuǎn)向和速度,從而保持機器人整體的穩(wěn)定。對于機器人的運動情況建模[5]:
指定空間坐標系,當機體在XOZ平面內(nèi)傾斜θ角度時,通過傳感器獲取加速度ax和角度θ。全向輪的天頂角為φ。
則球在繞X軸轉(zhuǎn)動的角速度為ωx時,輪1和輪2、輪3的轉(zhuǎn)速[6]為:
圖7 偏心矩驅(qū)動原理簡化圖
由此可得輸入速度與輸出力矩之間的關(guān)系。
直線運動時,只需要保持機體在向運動方向傾斜θ角度,機器人的水平分力會使機器人沿傾斜方向產(chǎn)生加速度,通過調(diào)整程序參數(shù)使機體在運動過程中保持傾角不變,就可以實現(xiàn)定向移動的功能。
底盤球輪直徑小,質(zhì)量較輕,在上層抓取結(jié)構(gòu)運作時較容易發(fā)生傾倒,為了解決這一問題,本設(shè)計在支撐電動機的3個支撐架上增添了電磁鐵磁力裝置,從而增大底盤的受力以增加底盤質(zhì)量。
增加電磁鐵裝置的目的是希望3個成圓周排列相隔120°的電磁鐵通過磁力的作用互相吸引,從而使得萬向輪產(chǎn)生相對于底盤球面法向的壓力,而壓力垂直于地面方向的分力充當了向下的底盤重力,從而解決了底盤較輕、機器人在行走過程中不平穩(wěn)的問題,而較小的磁力大小無法達到增加底盤質(zhì)量的目的,過大的磁力質(zhì)量會導(dǎo)致球輪行走阻力過大,電動機的功率無法驅(qū)動的問題。因此本文通過以下幾組對比實驗,選擇出了最合適的電磁鐵規(guī)格區(qū)間,如表1所示。
表1 實驗對比參數(shù)
通過上述的對比可以知道,選擇市面上已有的吸力大小15 kg、自重84 g、功率為3 W的電磁鐵對機器人總體運行平穩(wěn)性有較大的提高,故選擇此規(guī)格。
使用3個直徑為30 mm、功率為3 W、單個吸力達15 kg的小型電磁鐵分別按中心排列模式堆排,圓周分布間隔為120°,直線間隔約24 cm,受力示意圖如下,考慮電磁鐵和伺服電動機自身質(zhì)量(忽略全向輪的質(zhì)量)及3個磁鐵由于間隔所帶來的的磁力減小影響,故F2(水平方向力)近似等于130 N,F(xiàn)1(垂直方向力)近似等于220 N,而相較與機械抓手在抓取家庭物品時的質(zhì)量來說,底盤的整體重量在空載時達到了總體結(jié)構(gòu)質(zhì)量的74%~78%,在負載時假設(shè)負載的質(zhì)量為5 kg,而底盤質(zhì)量仍然達到了總體結(jié)構(gòu)質(zhì)量的58%左右。在普通家庭中的雜物質(zhì)量一般不超過5 kg,相較于底盤的質(zhì)量,抓取物品時所帶來的重心偏移問題并不會影響到總體結(jié)構(gòu)重心的偏移,從而保證了整體運動的平穩(wěn)性。
在室內(nèi)環(huán)境中進行仿真測試,設(shè)定4個目標點,機器人依次自主前往,運動軌跡如圖中紅色實線,證明三輪驅(qū)動球足機器人的運動可行性。
圖8 底盤受力示意圖
圖9 目標行進點
圖10 仿真測試軌跡圖
在抓取力大小為50 N的情況下機械抓手所受的應(yīng)力較小,所產(chǎn)生的應(yīng)變較小,可以完成室內(nèi)物品的基本抓取。
圖11 機械臂所受應(yīng)力分析示意圖
針對普通機器人移動不靈活、重心過高時不穩(wěn)的問題,設(shè)計采用了球形輪驅(qū)動方式,實現(xiàn)了高重心的穩(wěn)定平衡、原地轉(zhuǎn)向、全向移動等功能。并對其運動模型和受力情況進行了計算和試驗驗證,為家庭等狹窄環(huán)境下的機器人需求提供了一種解決方案。