一種全向移動攀爬機器人的設計

王江華， 趙 燕

(1.華北科技學院 電子信息工程學院，河北 三河 065201；2.燕京理工學院 信息科學與技術學院，河北 三河 065201)

一種全向移動攀爬機器人的設計

王江華1， 趙 燕2

(1.華北科技學院 電子信息工程學院，河北 三河 065201；2.燕京理工學院 信息科學與技術學院，河北 三河 065201)

為提高機器人在特定場地移動的靈活性和沿柱面攀爬的能力，對傳統(tǒng)競賽機器人從移動方式、儲能方式、工作方式三方面進行全面改進，設計并制作出一種在特定工作環(huán)境下，支持全向移動并兼有沿柱面攀爬的氣動型機器人。該機器人采用3個全向輪搭建系統(tǒng)的運動機構，通過優(yōu)化的坐標變換方式控制3個運動伺服電機，實現平臺的全向移動；當運動平臺檢測到目標柱體時，前置壓力開關自動切換運動模式，氣動裝置推動攀爬機構壓緊柱體，機器人進入自動攀爬狀態(tài)。系統(tǒng)采用了“兩主一從”攀爬方式，攀爬速度和精度均達到了預期目標。經過Matlab/Simulink仿真與實物現場測試，全向移動平均方向偏差達0.82°、攀爬高度偏差率達0.68%。實驗結果驗證了設計的有效性與控制的精準性，對提高競賽機器人的性能具有一定的參考價值。

機器人； 全向移動； 柱面攀爬； 氣動型

0 引 言

當今社會，機器人從工業(yè)領域逐漸過渡到民用領域，越來越多民用機器人被制造出來，應用于我們生活的各個方面[1]。Google設計出擁有高度機動能力的類人機器人“Atlas”、韓國科技先進研究院(KAIST)研發(fā)出從事危險環(huán)境修復工作的機器人DRC-HuBo[2]、法國Aldebaran Robotics公司推出人工智能機器人Nao[3]，等等，可見世界對于機器人的渴求。我國也通過許多機器人競賽，激勵當代大學生涉足機器人研究領域，全國大學生機器人大賽(ROBOCON)就是這樣一個賽事。本文通過對2016年比賽要求的分析，設計并制作出一種在特定工作環(huán)境下，支持全向移動同時兼有沿柱面攀爬的氣動型機器人。機器人具有三輪全向移動平臺[4]，以及一整套氣動系統(tǒng)。按照比賽要求，機器人先經過一段自主移動到達攀爬位置，通過單片機控制多路電磁閥切換機器人的機械結構，切換到攀爬工作方式，之后通過兩主一從電機驅動結構使機器人勻速爬升。使用Matlab仿真軟件中的Simulink功能，對本次設計的機器人運動模型進行仿真測試[5]，實驗結果驗證了機器人運動的靈活精準性，為機器人的二次研發(fā)奠定了較好的基礎平臺。

1 總體方案設計

機器人攀爬方案采用兩主一從的電機分布進行驅動，即使用兩個主動輪，一個從動輪，通過伸縮氣缸使其夾緊立柱，利用橡膠輪與立柱之間的靜摩擦力勻速攀爬；機器人移動方案采用3個間隔120°的全向輪組成三輪全向移動平臺，通過坐標變換使其可向任意方向以任意速度進行移動。整機控制采用電控與氣控兩部分，電控部分以STM32F103為控制核心，RS485用來實現手持式控制器與主控制器間的信息交換；氣控部分通過機身攜帶的4個2 L的塑料瓶儲存氣源，為整機氣動控制提供能量，主控制器通過控制各路電磁氣閥以控制氣缸工作狀態(tài)從而驅動相應的機械結構。設計采用24 V鋰電池組為整機攀爬電機和電磁閥供電，再通過梯度降壓為其余各模塊供電，以此為機體提供穩(wěn)定電源。

2 機械結構的分析與設計

2.1 氣動結構

無論是電機由豎直狀態(tài)到水平狀態(tài)的轉換，還是動力輪與輔助輪與立柱的夾緊過程，都需要一定的執(zhí)行機構提供動力。設計采用氣動方式作為本部分的執(zhí)行機構。機器人氣動執(zhí)行機構均為氣缸，其分布及功能如圖1所示。氣缸利用大氣壓差產生伸縮力，通過電磁換向氣閥實現快速的伸縮動作并提供推力，期間能量消耗很小。氣缸由電磁換向氣閥控制，將壓縮空氣的能量轉換為機械能，以驅動相應機構?？刂茪飧椎膭幼飨纫刂齐姶艙Q向氣閥[6-7]的動作，本設計選用的是一款高壓大電流達林頓結構驅動芯片TD62081APG，以達到迅速準確控制電磁閥的要求。

圖1 氣缸分布及功能

2.2 攀爬結構

采用兩主一從攀爬方式，即2個主動輪和1個輔助輪搭配，通過氣缸將其卡入相應位置，通過橡膠輪的轉動提供上升動力。該種方式攀爬，既可以保證攀爬的效率，又可以提高機器人的載重能力。

機器人上升動力由2個上升動力電機提供。由于輔助輪材質的原因，摩擦系數與2個由橡膠輪做成的主動輪有明顯差異，故以下計算忽略輔助輪對于PVC管壁的摩擦。圖2為其受力分析圖，設系統(tǒng)質量m=18 kg，g=10 N/kg,主動輪半徑r=1.5 cm，輪與PVC管之間發(fā)生的是靜摩擦力。在初始加速階段，由靜摩擦力提供加速度：f>0.5 mg，轉矩T=fr，即T/r>0.5 mg，解得：T>1.125 N·m=11.25 kg·cm。在勻速爬桿過程中，受平衡力作用，單輪受到的摩擦力f=0.5 mg。由此數據分析，轉矩至少要在11.25 kg·cm以上[8-10]。經過反復試驗，確定主動輪電機采用瑞士maxon RE35直流伺服空心杯減速電機，該電機額定功率90 W、額定轉速120 r/min、連續(xù)轉矩40 kg·cm。

圖2 受力分析圖

3 控制部分的分析與設計

3.1 硬件設計

(1) 主控制器與手持控制器設計。圖3為系統(tǒng)結構框圖，整個系統(tǒng)采用STM32F103RCT6為主控芯片[11]，包括低壓電源管理、電機驅動、各種檢測電路和接口以及蜂鳴器、模式選擇開關、OLED屏幕顯示接口、電池電量檢測電路等必要的調試硬件。

圖3 系統(tǒng)結構框圖

手持式控制器同樣采用STM32F103單片機作為中央處理器，先對信息進行預處理，再將分類優(yōu)化的數據以串口的方式發(fā)送給機器人主控制器。手持式控制器以搖桿電位器作為輸入控制，以便對機器人進行精確控制；對于數據傳輸，由于傳輸距離較長，為提高傳輸穩(wěn)定性，降低誤碼率，采用RS485來實現手持式控制器與主控制器間的信息交換。RS485通信協議理論最遠傳輸距離能達到3 km[12]，且具有較強的抗干擾能力。

(2) 傳感器部分設計。傳感器部分包括機器人某些關節(jié)的限位開關、底盤移動輪的速度采集以及地面路線跟蹤電路。

限位開關：通過控制單元設計預留的開關量或模擬量的檢測接口接入。某些接口也同時用于控制舵機和電子調速器等，實現簡單的功能擴展。

測速部分：機器人的底盤移動輪采用直流電機驅動，每個電機安裝光電編碼器，進行電機轉速的實時檢測。單片機根據編碼器輸出的相位變化，來判斷電機的正反轉。

地面路線跟蹤：地面路線跟蹤采用可見光反射檢測方式，利用地面不同顏色所反射光的強度不同來實現。在模擬場地中經過多次試驗測試，最終決定使用綠色可見光作為反射光。為了適應外界的可見光變化，設計相應的調節(jié)電路進行閾值調節(jié)，從而提高機器人的場地適應性[13]。

3.2 軟件設計

(1) 核心控制單元。在機器人程序設計過程中，首先搭建串口、PWM、脈沖輸入捕捉、A/D轉換、開關量檢測、開關量輸入輸出等驅動層的程序，然后按照各部分功能選擇相應算法，完成底盤電機的閉環(huán)控制、機器人氣動電磁閥控制、地面自動循跡控制、任務規(guī)劃等。對機器人核心控制部分采用順序控制中的條件控制方式，以限位開關作為位置信息來完成工作模式的切換。

(2) 基于運動學模型的分層控制。機器人總體控制采用基于運動學模型的分層控制[14]，其控制原理框圖見圖4。機器人運動控制作為其上層，電機的轉速控制作為下層。上層控制器通過采集下層的電機轉速，根據坐標系的變換，將轉速的調整轉換成實時狀態(tài)參數的調整，實時狀態(tài)參數與機器人根據當前狀態(tài)給出的期望值進行對比，對得到的偏差信號使用PID進行調節(jié)，從而控制機器人工作于期望速度。

圖4 基于運動學模型的分層控制框圖

(3) 三輪全向移動機器人運動模型。三輪全向移動機器人的運動示意圖如圖5所示，該機器人由3個質量、大小均相同的全向輪組成，各輪互成120°，且徑向對稱。圖中xOy是機器人的絕對坐標系;XOY為其相對坐標系[15]。

圖5 三輪全向移動機器人運動示意圖

在機器人相對坐標系中，以三輪全向移動機器人的中心為參考點，以速度V為機器人的整體運動速度，圖5中將速度V沿機器人坐標系XOY分解為vX、vY；ω表示機器人在相對坐標系中的角速度，在機器人相對坐標系中機器人的運動速度表示為：(vx,vy,ω)；故3個輪邊沿線速度(va,vb,vc)與相對坐標系中機器人運動速度關系如下：

(1)

在絕對坐標系中，參考中心為機器人的中心O，機器人絕對坐標系的坐標用(x,y)表示；機器人的方向角用θ表示，機器人的位置和方向用廣義坐標(x,y,θ)表示。機器人的中心距輪子中心的水平距離用L表示。

機器人相對和絕對坐標系相對比有如下轉換關系：

(2)

在絕對坐標系中，機器人輪子的速度(vx,vy,ω)與機器人相對坐標系中輪子邊沿的線速度(va,vb,vc)之間的關系有：

(3)

機器人程序控制是在絕對坐標系中進行加減速控制，通過將控制量利用式(3)分解到機器人相對坐標系中推算出3個輪子的設定速度，將設定速度與電機編碼器實時采集測量到的速度進行對比調節(jié)，使機器人按照絕對坐標系中的運動需求進行工作。

4 仿真實踐與實物測試

4.1 全向移動仿真實驗

系統(tǒng)仿真實驗基于Matlab/Simulink仿真平臺，主要對控制精度與全向運動能力進行仿真驗證。對三輪全向移動平臺建立Simulink模型以驗證其在絕對坐標系中的運動與電機線速度之間的關系，其仿真軌跡如圖6所示。在絕對坐標系中機器人以0.5 m/s的速度沿與x軸成37.5°的方向運動，各坐標軸的分速度為：vx=0.3 m/s,vy=0.4 m/s。仿真過程分為3步：①機器人沿方位角θ=0°出發(fā)；②改變機器人方位角θ=30°；③改變機器人方位角θ=90°。綜合查看不同機器人朝向對行進路線偏差的影響以及各輪線速度變化情況，圖7為系統(tǒng)全向移動仿真測試結果。

圖6 仿真軌跡圖

實驗過程中，使機器人以不同的方位角沿直線移動多次，且每次移動距離均為2 m，通過測量機器人最終停止點與目標停止點的橫向距離來測試方向偏差，測試結果如表1所示。

圖7 全向移動仿真結果圖

機器人方位角,θ/(°)03090方向偏差,l/cm1.532.284.73

由實驗結果可看出，平均每階段偏差角為：

(4)

實驗結果很好地說明了機器人運動控制模型的準確性與全向移動的靈活性。

4.2 攀爬測試

將機器人氣瓶充滿備用，開啟自動模式進行路徑識別，當機器人到達桿底時，攀爬限位開關被觸發(fā)，主動輪2鎖死，氣缸控制閥打開，主動輪1就位。自檢無誤后主動輪電機啟動，機器人勻速上升，實驗結果如圖8所示。

攀爬測試數據如表2所示，對測試數據分析可知，平均爬桿高度誤差2.06 cm，立桿高度為3 m，故高度偏差率為0.69%。測試結果表明,機器人攀爬控制的精確性，驗證了兩主一從攀爬方式的準確性，測試精度滿足高空作業(yè)要求。

表2 攀爬測試數據表

注：自旋角度=橫向自旋距離/立柱周長×360°

5 結 語

本文設計并制作了一種在特定工作環(huán)境下，支持全向移動同時兼有沿柱面攀爬的氣動型機器人。通過仿真與測試，機器人可以靈活迅速在場地內移動，在攀爬過程中，憑借氣動系統(tǒng)，能夠迅速切換運行方式，在高壓下夾緊立柱進行爬升。實踐結果對提高機器人的競賽性能具有重要的參考價值。此機器人亦可用于進一步開發(fā)，根據使用者的具體要求對機械手稍作改造便可應用于電力系統(tǒng)檢修、電線除冰[16]等高空危險作業(yè)，進一步拓寬了機器人的實用范圍。

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Design of an Omni-directional Mobile Climbing Robot

WANGJianghua1，ZHAOYan2

(1. School of Electronic and Information Engineering， North China Institute of Science and Technology，Sanhe 065201， China； 2. College of Information Science and Technology，Yanching Institute of Technology， Sanhe 065201， China)

To get the flexibility of the robot to move in a particular field and ability to climb along the cylinder, the traditional contest robot is improved fully from three aspects of movement pattern, energy storage mode, and work mode. A pneumatic robot that supports omni-directional mobile and moving along the cylinder in a specific work environment is designed and produced. The robot uses three omni-directional wheels to realize motion, which is controlled by three servomotors, and optimized by the coordinate transformation, Thus, the omni-directional movement is achieved. When the movement platform detects the target cylinder, the front pressure switch automatically switches the movement mode, the pneumatic device drives the climbing mechanism to press the cylinder, and the robot enters the automatic climbing state. The system adopts the “two active one slave” climbing method, and the climbing speed and precision all reach the expected target. By using Matlab/Simulink simulation and physical field test, average direction deviation of omni-directional is 0.82°, climbing height deviation rate is 0.68%. The experimental results validate the effectiveness of the design and the precision of the control, and it has a certain reference value for improving the performance of the competition robot.

robot; omni-directional movement; cylinder climbing; pneumatic type

2016-09-26

河北省高等學?？茖W技術研究項目(Z2015202)；華北科技學院科技基金項目(3142014072)

王江華(1981-)，男，河北邢臺人，碩士，講師，主要研究方向是智能控制、圖像處理以及電機控制等。

Tel.：13785699600；E-mail：jianghua960@163.com

趙 燕(1982-)，女，河北石家莊人，碩士，講師，現主要從事實驗室建設、管理、理論及實驗教學和科研工作。

Tel.：13784464373；E-mail：zhaoyan137@163.com

TP 242.6

A

1006-7167(2017)06-0079-05