面粉廠吸塵機器人方輪式全方位行走機構及定位糾偏設計

李光玲 周宏雷 張周新

（1.江蘇省信息融合軟件工程技術研發中心，江蘇 江陰 214405；2.江陰職業技術學院，江蘇 江陰 214405）

面粉廠廠房內小麥的輸送、破碎、磨研、篩分和包裝等生產環節都是產生粉塵的源頭，一方面工人長期工作在粉塵中會造成呼吸道方面的疾??；另一方面粉塵會給面粉廠安全埋下隱患。隨著科技的進步，吸塵機器人將會越來越多地替代人工用于粉塵清掃。在此過程中，要求吸塵機器人既要實現粉塵的全面清掃，又要降低成本，提高效率，節約能耗，而實現這些要求的關鍵在于機器人的行走機構。由此，設計經濟、高效、節能的吸塵機器人全方位行走機構越來越迫切。

國內外雖然對行走機構進行了長期的研究，但是全方位［1］的行走機構還僅局限于幾種固有的形式：Swedish輪［2，3］、連續切換輪［4，5］、正交輪、偏心方向輪、球輪［6］，上述幾種機構的共性是結構和驅動復雜，電機成本高，電機無用功輸出較多，在不平坦的場合使用時，自控能力差，目前大都處于摸索階段，尚未能廣泛地在生產中應用。

本研究擬通過創新設計輪子布局方式及方形輪子的配套組合等關鍵部件，進一步提高吸塵機器人行走機構的工作效率，降低成本；通過光電移動檢測傳感器解決吸塵機器人行進過程中因廠區不平造成的路線偏離問題；通過海綿接觸型傳感器避免吸塵機器人行進過程中與廠區內隨意擺放的障礙物的碰撞問題，減小不必要的經濟損失。

1 傳統輪式機器人的不足

傳統的輪式機器人普遍采用左右輪驅動加上萬向輪輔助支撐的二自由度移動方式［7，8］，它在向左或右運動時需有一個轉彎的過程，目前的輪式機器人一次轉彎相當于它平均行走0.785（π/4）個輪間距。這種行走方式最大的缺點是耗時又耗能，且最困難的是難以在轉彎后與原方向保持垂直。

如圖1所示，假設機器人在行進過程中遇到一垛斜向設置的墻，傳統的二自由度移動機構所走的總長度為：

式中：

L——行走的總長度，cm；

L1——斜向墻在X方向的投影長度，cm；

L2——斜向墻在Y方向的投影長度，cm；

D——兩行走輪的輪間距，cm；

S——行走機構的步進距離或坐標單位長度，cm。

圖1 某一垛斜向墻示意圖Figure 1 Schematic of a certain diagonal wall

假設機器人的移動速度為25cm/s，啟動到停止用時0.4s，每次轉過90°用時3s（轉彎速度不能太快，否則慣性對轉過的角度有較大的影響），則機器人在這個過程中所用的總時間約為105s，實際的有效行程僅為80cm，有效時間為3.2s。對于理想的全方位移動機構就應減少其中的轉彎過程，如果考慮機器人啟停時間，則所用的時間為15.2s。

由此可見，如果大功率機器人采用傳統移動方式會浪費大量的電能，而且效率低。

2 方輪式全方位行走機構

2.1 行走輪

行走機構采用兩組軸線互相垂直的輪系，在排列方式上輪子共4列，呈長方形排列，同方向轉動的為一組；在輪子形狀上將傳統意義上圓形改成方形輪子，目的是利用它的長徑抬高車位使其在垂直方向的輪子被抬離地面而不成為阻礙。

行走輪的工作原理如圖2所示：當行走機構不動時，所有輪子由于慣性作用停留在一個平面上（即方輪的一條邊與地面接觸），也就是行走機構的最低位置；當一組輪子開始轉動時，整個機構被漸漸抬離地面，另一組輪子也跟著被抬離地面，當轉動的輪子轉過其最高位置后，靠整個機構的重力慣性又回到它的最低位置（方輪的另一條邊）。如此重復，兩個電動機交差運行，加上正轉反轉，機構可隨時向前后左右作直線運動。

圖2 行走輪工作原理Figure 2 Working principle of walking wheel

2.2 糾偏輪

為實現轉向，行走機構增加糾偏輪，它是套裝在行走輪一側的輪軸上的單獨驅動（差動）的比行走輪略小的非圓形或圓形偏心輪上。如圖3所示，行走機構的輪子轉動時，糾偏輪不轉；行走結構不動時，糾偏輪可（正向或反向）轉動糾偏。如此行走機構完全可以在前后、左右、轉向3個動作上任意轉換，并且轉換過程不需要多余時間和動作。

圖3 糾偏輪工作原理Figure 3 Working principle of correcting wheel

2.3 輔助行走輪

在設計過程中進一步發現，多邊形輪子在邊長相等的情況下，邊數越多，跨越的高度越小；同形輪子為了提高跨越高度，只能增大輪子的尺寸，但相應的步距也同比增加。在對步距精度要求高的場合，需對行走機構做進一步改進：在每組輪子（行走輪）的輪軸上再增加一組非圓形輪，其長徑略大于多邊形輪子的短徑，且有獨立的驅動機構，在此稱它為輔助行走輪。其具體工作原理（圖4）為：當行走輪轉動時，輔助行走輪不轉，行走機構大步距移動；當機器人需要小步距調整時，行走輪不轉，輔助行走輪轉動，將行走機構略微抬升移動。

輔助行走輪類似于糾偏輪，但與糾偏輪的區別在于糾偏輪是空套在行走輪輪軸上的單側輪（也可以是各自獨立的雙側輪），而輔助行走輪則是對稱分布在行走輪輪軸上的同軸雙側輪；糾偏輪是可以只存在在前后輪或左右輪中的一組上（也可以兩組上都有），而輔助行走輪則是在前后驅動輪輪軸和左右驅動輪輪軸上都有。

圖4 輔助行走輪工作原理Figure 4 Working principle of auxiliary wheel

3 定位糾偏方案

3.1 多套光電傳感器配合

在實際使用中，吸塵機器人的工作空間會由于地表不平等因素在移動中都會偏離預計的路線。本設計利用新的移動平臺和多冗余度光電感知系統，并結合特征點匹配（比如充電座、比如障礙物的轉角）的軟件輔助定位方案，并對這些數據進行融合處理，結合模糊控制算法［9］，實現機器人定位糾偏的精度提高。

傳統移動機構移動中位置變化相對穩定的只有兩個驅動輪連線的中心位置，最多能搭載一套光電移動檢測傳感器，容易產生誤差。而本研究采用不需轉彎的行走機構，因而可以在機器人底部4個角附近安裝4套光電移動檢測傳感器，機器人每移動一步，傳感器均能記錄其在橫向移動了多少、在縱向移動了多少。同時，可利用對光電傳感器的檢測，自動調整驅動行走輪、輔助行走輪、糾偏輪轉過固定角度所需要的脈沖寬度（PWM）?？晒┻x擇的移動檢測傳感器還包括超聲波、激光測距傳感器方案［10，11］。

3.2 海綿接觸型傳感器

面粉廠由于原料、貨物、人員流動性較大，造成廠房內障礙物位置的隨意性增大，為避免吸塵機器人與工作空間內的貨物、生產設備發生碰撞，造成不必要的損失，本研究設計了海綿接觸型傳感器。它是在吸塵機器人外殼上覆蓋一層有一定厚度的海綿，并在海綿下安裝薄膜式微動開關。當安裝接觸傳感器的機器人遇到障礙物時，表面的海綿受壓，壓力迅速被海綿吸收并傳遞到反面的塑料薄膜式微動開關上，相當于微動開關被直接壓下，這樣吸塵機器人便可感知某一方向上或某一部位遇到了障礙物。這種接觸型傳感器可利用海綿本身的張力固定在吸塵機器人表面所需安裝的部位，具有工藝簡單、安裝方便、重量輕、成本低等特點。

4 方輪行走機構實例及性能分析

4.1 定位糾偏行走機構實例

按照上述原理設計的8個方輪的全方位行走機構［12，13］結構圖見圖5。

圖5 八方輪行走機構結構設計圖Figure 5 Structure diagram of 8quartet-wheels walking mechanism

經過變型設計，也可以設計成兩輪驅動的方輪行走機構，結構見圖6，實物見圖7。

4.2 性能分析

按照行走機構的應用需求，既可選用步進電機驅動，也可選用直流電機［14］。若需實現控制精準則選用步進電機，但其成本高、驅動復雜、負載能力低；而采用普通直流電動機，則可降低成本、控制簡單、易于實現大功率驅動。

由于采用“雙向驅動”加上“凸輪糾偏”的設計，行走機構完全可以使其在前后、左右移動和調整方向3個動作上任意轉換，不需要多余的時間和動作，遇到障礙時可以直接橫向移動實現轉向，省略了原地轉向的動作，縮短了時間，提高了效率，節約了電能。

行走機構部件模塊化、參數可調整、可重構特點使其具有很大的靈活性。如可根據使用規模、地面環境，采用不同功率和不同電壓電機、不同長度和不同粗細輪軸、不同大小、不同形狀、厚度及材質的行走輪、輔助行走輪和糾偏輪，得到適用的全方位行走機構［8］。

5 結論

以此全方位行走機構設計的吸塵機器人不僅能實現粉塵的全面清掃，而且具有行走準確，轉彎便捷，成本低、控制精確、高效節能、配置靈活等優點；多套光電移動檢測傳感器和海綿接觸型傳感器配合，解決了機器人的移動控制和定位糾偏難題和與障礙物碰撞的難題。此全方位行走機構不僅可應用于面粉吸塵機器人，還可推廣應用于自動地面打臘機、自動清掃機、自動拖地機、自動打磨拋光設備、自動割草機、掃雷機器人等裝置，具有廣闊的應用前景。

圖6 兩輪驅動的四方輪行走機構圖Figure 6 Diagram of two-wheel driving for quartet-wheels walking mechanism

圖7 兩輪驅動的四方輪行走機構實物Figure 7 Diagram of the practical omni-directional and correcting position for mobile robots

1 宗兆輝，張海洪，李治斌.一種輪式機器人全方位移動機構的研究［J］.機械制造，2011，49（3）：14～16.

2 劉洲，吳洪濤.Mecanum四輪全方位移動機構運動分析與仿真［J］.中國制造業信息化，2011，40（5）：43～46.

3 王一治，常德功，錢晉武.適應不平地面的Mecanum四輪全方位小車結構及運動學模型［J］.中國機械工程，2009，20（9）：1 130～1 133.

4 周衛華，王班，郭吉豐.連續切換輪及其移動機器人的自鎖特性［J］.機器人，2013（7）：449～455.

5 Kyung-Seok Byun，Sung-Jae Kim，Jae-Bok Song.Design of continuous alternate wheels for omnidirectional mobile robots［C］//IEEE International Conference on Robotics and Automation.Piscataway，USA：IEEE，2001：767～772.

6 Mark West，Haruhiko Asada.Design and control of ball wheel omnidirectional vehicles［C］//IEEE International Conference on Robotics and Automation.Piscataway，USA：IEEE，1995：1 931～1 938.

7 南景富，劉延斌，牛廣林.輪式移動機器人的運動及定位分析［J］.機械設計與制造，2007（7）：148～150.

8 周曉東，胡立德，劉建.一種小型移動機器人行走機構的設計與分析［J］.機械，2009，36（4）：14～17.

9 潘永惠.吸塵機器人系統設計與避障算法研究［J］.電子技術應用，2013，39（6）：130～135.

10 羅勝.吸塵機器人的現狀及其智能系統的若干關鍵技術［J］.傳感器與微系統，2007，26（11）：5～9.

11 （美）丹尼斯·克拉克，邁克爾·歐文斯.機器人設計與控制［M］.北京：科學出版社，2004.

12 張少文，吳學梅.新型烹飪機器人鍋具運動機構的設計及運動學仿真［J］.食品與機械，2013，29（4）：92～94.

13 張周新.物體的行走機構：中國，CN200910025202.0［P］.2010—08—25.

14 王三武，劉進.清掃機器人移動驅動機構的研究［J］.機械制造與自動化，2008，37（5）：105～107.