陳鎮(zhèn)江，封瀟揚(yáng)

（黃河科技學(xué)院，河南 鄭州 450063）

目前，在社會(huì)生產(chǎn)和生活中，機(jī)器人已經(jīng)替代一部分的工作崗位，人們對(duì)機(jī)器人的依賴性也在不斷增強(qiáng)，隨著相關(guān)機(jī)器人生產(chǎn)技術(shù)的不斷優(yōu)化，機(jī)器人能夠完成更多的復(fù)雜任務(wù)，機(jī)器人內(nèi)部精密性也在不斷提升。而隨著市場(chǎng)對(duì)機(jī)器人要求的不斷提升，機(jī)器人需要提升自身的適應(yīng)性和移動(dòng)性，這樣可以突破空間限制，在更多復(fù)雜的環(huán)境中工作，完成相應(yīng)任務(wù)，這樣的機(jī)器人設(shè)計(jì)效率也會(huì)顯著提升[1]。

除了機(jī)器人執(zhí)行部件外，相關(guān)移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)也至關(guān)重要。這種移動(dòng)平臺(tái)是基于環(huán)境感知、運(yùn)動(dòng)控制、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行、動(dòng)態(tài)決策和規(guī)劃等多種技術(shù)為一體的綜合性系統(tǒng)。該平臺(tái)可以促使機(jī)器人或機(jī)械手臂有效移動(dòng)到工作位置，平穩(wěn)跨越障礙物，促進(jìn)機(jī)器人整體平穩(wěn)推進(jìn)。

為了應(yīng)對(duì)機(jī)器人在復(fù)雜工作環(huán)境中的相關(guān)移動(dòng)問(wèn)題，提升運(yùn)動(dòng)軌跡的精準(zhǔn)度，要求生產(chǎn)出全向移動(dòng)自主機(jī)器人，這類機(jī)器人在工作中能夠自由移動(dòng)，相關(guān)機(jī)器人可以圍繞相關(guān)中心點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，確保目標(biāo)位置有效實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人還能夠基于移動(dòng)平臺(tái)不斷拓展自己的移動(dòng)范圍，提升移動(dòng)性和穩(wěn)定性。在一些救援現(xiàn)場(chǎng)、地勢(shì)多變的勘測(cè)地帶、有毒物品泄漏環(huán)境中，都可以有效應(yīng)用，完成復(fù)雜任務(wù)。這類機(jī)器人也是目前機(jī)器人技術(shù)研究中重點(diǎn)探究的領(lǐng)域之一，在未來(lái)社會(huì)發(fā)展中有著很廣泛的應(yīng)用前景。

1 全向機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)思路優(yōu)化

1.1 底盤設(shè)計(jì)優(yōu)化思路

對(duì)此次全向機(jī)器人的底盤機(jī)械設(shè)計(jì)以麥克納姆輪的四輪驅(qū)動(dòng)方式為主，在設(shè)計(jì)中需要解決這類四輪驅(qū)動(dòng)在平面運(yùn)動(dòng)中確保四點(diǎn)著地的問(wèn)題。這4 個(gè)輪子中，要是有一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪與地面接觸不好，就可能導(dǎo)致機(jī)器人移動(dòng)中出現(xiàn)打滑、空轉(zhuǎn)的情況，導(dǎo)致相應(yīng)控制精度受到嚴(yán)重影響[2]。一般針對(duì)這一問(wèn)題，在機(jī)器人完成組裝后可以進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，但是不能保證調(diào)整后問(wèn)題就能被有效解決。且在機(jī)器人設(shè)計(jì)中，基于室外應(yīng)用需要，機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要確保在地面平整度較差的情況下也能夠有效與地面接觸，簡(jiǎn)單平面組裝的方法一般很難滿足相應(yīng)需要。在開展此次的全向移動(dòng)自主機(jī)器人設(shè)計(jì)中，初期嘗試通過(guò)大疆研發(fā)的麥克納姆輪底盤，這種底盤通過(guò)獨(dú)立彈性懸掛法使用，將避震器和輪組連接起來(lái)，這樣可以確保底盤穩(wěn)定運(yùn)行，避免底盤運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)的車體震動(dòng)情況出現(xiàn)，也能夠提升底盤的越野能力，使底盤在地面不平整的路面有效運(yùn)行，減少運(yùn)行中的震動(dòng)影響，幫助機(jī)器人更好地跨越障礙物，提升機(jī)器人的攀爬能力。不過(guò)這類底盤在地面障礙通過(guò)時(shí)，麥克納姆輪的地面的角度很難保證達(dá)到90°，所以使用中可能導(dǎo)致麥克納姆輪因?yàn)槭芰Σ痪鶎?dǎo)致其底盤行駛性能下降，甚至導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)輪的嚴(yán)重?fù)p壞，且在這類底盤的生產(chǎn)加工中，需要使用大量的CNC加工金屬件，相應(yīng)成本會(huì)比較高，所以，可以以麥克納姆輪為基礎(chǔ)，自主設(shè)計(jì)機(jī)械底盤，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)四輪縱臂獨(dú)立懸掛底盤對(duì)于解決上述問(wèn)題有很好的效果[3]。

基于麥克納姆輪進(jìn)行底盤優(yōu)化，實(shí)際上是對(duì)整個(gè)底盤使用四輪縱臂獨(dú)立懸掛設(shè)計(jì)，這樣各個(gè)麥克納姆輪的集成懸掛模塊都可以安裝上減震器，在不同移動(dòng)場(chǎng)景中，通過(guò)不同壓力負(fù)載的彈性減震器作用發(fā)揮，確保7 個(gè)驅(qū)動(dòng)輪都能夠在運(yùn)行中全部著地。相應(yīng)懸掛模塊中，麥克納姆輪使用剛性聯(lián)軸器和電極減速器與相關(guān)電機(jī)軸連接，電機(jī)可以固定在高強(qiáng)度定做的鋼套中，這樣整體模塊和車底盤底板使用2 塊工業(yè)合頁(yè)鉸連接，使懸掛在底盤橫向位置的公差精度能夠有效控制。此外，彈性減震器通過(guò)縱臂方式與底盤上板連接，可以通過(guò)軸承來(lái)解決相關(guān)減震器的穩(wěn)定性問(wèn)題。

在全向機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)中，通過(guò)上板和下板連接，確保2 層綠色環(huán)氧板整體強(qiáng)度，一般使用方鋁固定，這樣即使在崎嶇不平的路面上行駛，也能保證機(jī)器人的4 個(gè)驅(qū)動(dòng)輪全部落地，同時(shí)，相應(yīng)懸掛還能有效縮小底盤上層板與地面距離的變化，提升底盤的整體減震性能[4]。

1.2 全向自主機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

基于麥克納姆輪設(shè)計(jì)全向移動(dòng)自主機(jī)器人，考慮到機(jī)器人結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在機(jī)器人中間箱體中，包含多個(gè)可變性的驅(qū)動(dòng)輪單元，通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，呈左右對(duì)稱分布。這個(gè)箱體能夠?qū)㈦妱?dòng)機(jī)裝載在內(nèi)，還包含傳感器、控制硬件、電池、機(jī)械臂等，這個(gè)中間箱體可以看作是運(yùn)載的主平臺(tái)，能夠確保機(jī)器人保持水平姿態(tài)。這里的機(jī)器人4 個(gè)驅(qū)動(dòng)單元都是可變形的，其具體運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)獨(dú)立控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。相應(yīng)可變形的驅(qū)動(dòng)單元和兩邊配合的驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行摩擦傳動(dòng)，最后，輪式移動(dòng)和驅(qū)動(dòng)式移動(dòng)相結(jié)合，確保機(jī)器人結(jié)構(gòu)更加緊湊，在保證其性能的情況下重構(gòu)機(jī)器人體積和機(jī)身結(jié)構(gòu)。

1.3 障礙跨越設(shè)計(jì)方案

在全向機(jī)器人設(shè)計(jì)中，跨越障礙的能力關(guān)系到機(jī)器人的使用性能，車輪和移動(dòng)平臺(tái)車身在連接中，4個(gè)驅(qū)動(dòng)輪安裝于平臺(tái)底座，這樣可以有效提升驅(qū)動(dòng)輪之間的距離精度，但是也會(huì)存在一些問(wèn)題：在路面不平整的情況下，驅(qū)動(dòng)輪很難與地面同時(shí)接觸，移動(dòng)平臺(tái)的整體運(yùn)動(dòng)方向和速度是全部驅(qū)動(dòng)輪共同影響的結(jié)果，只要有一個(gè)輪子距離地面的方向出現(xiàn)變化，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)機(jī)器人方向變化。這是因?yàn)辂溈思{姆輪自身圓周輥?zhàn)幽軌蚶@相應(yīng)軸被動(dòng)自由旋轉(zhuǎn)，這樣很可能造成其在重載情況下出現(xiàn)打滑情況，在路面不平整情況下不能有效控制相應(yīng)移動(dòng)速度和方向，導(dǎo)致其跨越障礙的能力不足。基于這一問(wèn)題，可以嘗試在驅(qū)動(dòng)輪移動(dòng)平臺(tái)上增加彈簧阻尼懸掛系統(tǒng)，這樣可以改變質(zhì)心，提升驅(qū)動(dòng)輪的跨障礙能力。彈簧阻尼懸掛示意圖如圖1所示。

圖1 彈簧阻尼懸掛示意圖

相關(guān)懸掛系統(tǒng)一般可以用在汽車中，對(duì)提升汽車減震效果很有幫助，還能夠增強(qiáng)舒適性。對(duì)比獨(dú)立懸掛系統(tǒng)和非獨(dú)立懸掛系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)獨(dú)立懸掛系統(tǒng)性能更優(yōu)越，可以有效提升控制精度。

2 全向移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1.1 麥克納姆輪設(shè)計(jì)

這類全向移動(dòng)自主機(jī)器人能夠借助4 個(gè)驅(qū)動(dòng)輪內(nèi)部的伸展機(jī)構(gòu)伸展動(dòng)作實(shí)現(xiàn)彈性變形，在伸展機(jī)構(gòu)回歸到4 個(gè)驅(qū)動(dòng)輪內(nèi)部的時(shí)候，減震器就能夠借助彈力作用快速收縮，形成圓形狀態(tài)。相應(yīng)伸展機(jī)構(gòu)通過(guò)聯(lián)動(dòng)曲柄擺桿機(jī)構(gòu)應(yīng)用，介于2 個(gè)驅(qū)動(dòng)輪之間，這時(shí)候用螺釘將曲柄和連桿之間以及連桿和擺桿之間進(jìn)行連接。這樣擺桿就可以借助銷釘鉸接在固定盤中，而固定盤則和中間箱體處于靜止?fàn)顟B(tài)。此外，為了進(jìn)一步降低機(jī)器人的質(zhì)量，讓機(jī)器更加輕盈，在具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，可以通過(guò)有效的質(zhì)量縮減，在受力情況下，使用密度較小的輕金屬材料作為制造機(jī)器人的主要材料，用一些輕型的金屬材料替代笨重的機(jī)械材料。基于麥克納姆輪的全向移動(dòng)自主機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，驅(qū)動(dòng)輪的減震設(shè)計(jì)也是重要組成部分，因?yàn)闄C(jī)器人需要適應(yīng)不同復(fù)雜的地形，所以將輪式和減震器設(shè)計(jì)相結(jié)合，構(gòu)建復(fù)合式的減震結(jié)構(gòu)?？紤]到車體要適應(yīng)山地、丘陵、凹地等多種地域狀態(tài)，所以要設(shè)計(jì)傳動(dòng)，具體設(shè)計(jì)應(yīng)該在電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)車體前的位置安裝起落架來(lái)適應(yīng)不同地形和障礙跨越需要，通過(guò)有效減震和傳動(dòng)，有效跨越前方障礙。

2.1.2 合理選擇電機(jī)

在全向移動(dòng)自主機(jī)器人設(shè)計(jì)中，電機(jī)設(shè)計(jì)是機(jī)器人設(shè)計(jì)中的核心環(huán)節(jié)，電機(jī)容量需要滿足要求，這里就需要把握電機(jī)運(yùn)行中的發(fā)熱條件，具體的發(fā)熱條件與實(shí)際的工作情況有一定聯(lián)系。電機(jī)在長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)中，相應(yīng)的載荷是呈現(xiàn)變化趨勢(shì)的，即使是在常溫環(huán)境下，只要確保負(fù)載在額定值范圍內(nèi)，就不會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱的情況，所以需要確保電機(jī)額定功率大于等于小車電機(jī)輸出功率。在電機(jī)功率計(jì)算中，應(yīng)該確保其參數(shù)值合理性，因?yàn)檫@個(gè)參數(shù)值過(guò)大會(huì)導(dǎo)致小車運(yùn)動(dòng)速度增大，造成車輛結(jié)構(gòu)不穩(wěn)，也會(huì)導(dǎo)致控制板負(fù)荷也會(huì)增加；而參數(shù)值過(guò)小會(huì)導(dǎo)致電機(jī)過(guò)載運(yùn)行，導(dǎo)致電機(jī)故障出現(xiàn)。所以要通過(guò)精確計(jì)算確定機(jī)器人設(shè)計(jì)中相關(guān)電機(jī)的額定電壓、轉(zhuǎn)速和電流的控制。

2.2 全向機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

此次全向移動(dòng)自主機(jī)器人設(shè)計(jì)中，選擇底盤四輪獨(dú)立縱臂懸掛方式，確保相應(yīng)驅(qū)動(dòng)輪能夠在機(jī)器人的多環(huán)境移動(dòng)中，始終保持與地面的充分接觸，找著力點(diǎn)。在機(jī)器人行進(jìn)路線設(shè)計(jì)中，通過(guò)ⅠMU 和Kinect融合算法來(lái)提升機(jī)器人行駛路線的精度，保證精確控制機(jī)器人移動(dòng)方向和距離。機(jī)器人采用激光雷達(dá)對(duì)位置地域開展自主建圖和自主導(dǎo)航，可以通過(guò)與微型電腦的連接，確保機(jī)器人系統(tǒng)處理速度可靠，降低設(shè)備對(duì)機(jī)器人的負(fù)載。相關(guān)電機(jī)需要全部加入速度環(huán)、電流環(huán)，確保速度誤差以及機(jī)器人功率有效控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。在相應(yīng)點(diǎn)位電機(jī)中增加位置環(huán)，保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向精準(zhǔn)可靠。考慮到機(jī)器人底盤的4 個(gè)麥克納姆輪在地面上需要保持一定的速度，也要確保運(yùn)行中的穩(wěn)定性，所以4 個(gè)底盤電機(jī)控制都選擇模糊控制系統(tǒng)，這一系統(tǒng)能夠讓不同狀況下的輸出適應(yīng)4 個(gè)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速的速率，避免機(jī)器人在行進(jìn)中不走直線或者是不按相應(yīng)路線行駛的問(wèn)題。

在具體控制上，需要借助多個(gè)控制設(shè)備和通信模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的監(jiān)測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人集中控制效果。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，包含幾個(gè)PLC 控制單元，它們共同構(gòu)成了相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，能夠確保規(guī)模控制效益，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的皮帶、設(shè)備等進(jìn)行全流程監(jiān)控。在控制系統(tǒng)啟動(dòng)之前，需要在集控臺(tái)發(fā)布預(yù)告信息，30 s 后，如果滿足現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)要求，可以自動(dòng)啟動(dòng)。在系統(tǒng)工作中，多采取自動(dòng)控制模式，相應(yīng)設(shè)備根據(jù)工藝要求順序以及流程對(duì)中央控制臺(tái)進(jìn)行啟停操作；而采取集控手動(dòng)控制的方式，就可以由中央控制臺(tái)來(lái)對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行操作，不存在閉鎖關(guān)系。系統(tǒng)需要對(duì)機(jī)器人實(shí)施集中監(jiān)控，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行有效監(jiān)控，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)在系統(tǒng)硬盤中。此外，系統(tǒng)針對(duì)設(shè)備故障以及異常信號(hào)實(shí)施報(bào)警處理，還要同時(shí)出現(xiàn)聲光提示，確保相關(guān)人員能夠及時(shí)關(guān)注到異常信號(hào)。在該全向機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過(guò)Ⅰ/O控制系統(tǒng)應(yīng)用，在故障診斷系統(tǒng)中增設(shè)主控計(jì)算機(jī)，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備，通過(guò)以太網(wǎng)接口以及主控計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)通信操作，借助主控計(jì)算機(jī)及時(shí)發(fā)送相關(guān)控制信號(hào)，做好現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的操控。這里應(yīng)用的前端數(shù)據(jù)信號(hào)采集設(shè)備一共有4 臺(tái)，這些信號(hào)數(shù)據(jù)采集設(shè)備分別與一體化設(shè)備的相關(guān)單項(xiàng)電氣設(shè)備連接，構(gòu)成了一個(gè)二級(jí)分布式控制系統(tǒng)。在機(jī)電一體化設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)異常情況的時(shí)候，系統(tǒng)能夠及時(shí)將故障信號(hào)以及設(shè)備故障名稱傳輸?shù)焦收显\斷計(jì)算機(jī)中，執(zhí)行相應(yīng)的故障診斷程序，最后計(jì)算機(jī)對(duì)故障范圍進(jìn)行判斷，確定維修步驟和方案，結(jié)合系統(tǒng)提示開展故障分析，借助電纜對(duì)需檢測(cè)的故障設(shè)備以及前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接，在將信號(hào)和故障診斷計(jì)算機(jī)連接，這樣系統(tǒng)輸入監(jiān)測(cè)設(shè)備號(hào)后，就可以模擬信號(hào)輸入和輸出，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析處理，確定故障所在位置，并按照系統(tǒng)提示做好必要的板級(jí)調(diào)換。

3 總結(jié)

目前，社會(huì)生產(chǎn)和生活對(duì)機(jī)器人的依賴性不斷增強(qiáng)，設(shè)計(jì)一種全向移動(dòng)自主機(jī)器人，對(duì)解決很多復(fù)雜環(huán)境中的問(wèn)題有很大幫助。基于麥克納姆輪設(shè)計(jì)全向移動(dòng)自主機(jī)器人，對(duì)相關(guān)機(jī)器人性能進(jìn)行優(yōu)化，解決了機(jī)器人在復(fù)雜地面上的行駛問(wèn)題。本文通過(guò)研究分析，探索基于麥克納姆輪進(jìn)行優(yōu)化的全向機(jī)器人設(shè)計(jì)思路，對(duì)指導(dǎo)新時(shí)期全向機(jī)器人設(shè)計(jì)和發(fā)展具有一定的借鑒意義。