輪履復合式機器人實驗平臺設計與研究

王 軍, 唐義文, 李恩鵬

(中國礦業大學 信息與控制工程學院, 江蘇 徐州 221116)

輪履復合式機器人實驗平臺與傳統輪式機器人相比,具有更高的靈活性和越障能力,其實驗平臺中的圖像采集和圖像顯示單元提供了第一人稱視角的實時現場圖像,可以得到某些危險場合最直觀的場景。輪履復合式機器人實驗平臺提供了一個完全開放的機器人開發平臺,其主控系統通過CAN總線、USB總線,以及串口等多種協議與外界進行信息交互,用戶可通過掛載不同傳感器和機械臂實現不同的功能從而實現二次開發。輪履復合機器人實驗平臺是一個集環境感知、動態決策與規劃、行為控制與執行等多種功能于一體的綜合型智能系統,涉及機械設計技術、機器人技術、自動控制原理、傳感技術、嵌入式系統設計、圖像處理技術等眾多學科知識的學習和綜合應用,是機械和自動化專業學生開展機器人相關課程學習和創新性實踐的良好平臺[1]

1 輪履復合機器人運動平臺的綜合設計

輪履復合機器人實驗平臺是機械結構部分、動力部分、傳感器與智能控制部分三者的有機結合。首先利用計算機輔助工具設計了輪履復合式機器人機械結構并進行了機械框架試制；之后依照機械結構分別設計了基于CAN總線控制的步進電機和直流電機的智能驅動器；最后在既定的機械結構和動力單元的基礎上設計了以工控機為主控制器的控制單元,三者相輔相成。利用實驗樣機分析了其運動模式和運動特性,防爆設計進一步擴展了其應用領域,能夠滿足工業現場和教學的需求。

2 輪履復合機器人實驗平臺的機械結構

在對輪履復合機器人實驗平臺進行具體機械結構設計之前,首先確定輪履復合機器人實驗平臺的工作要求,這樣在對輪履復合機器人實驗平臺進行機械結構設計時才更具有針對性。輪履復合式機器人實驗平臺在機械方面的要求有[2-4]：

(1) 能夠越過環境中經常遇到的臺階、間隙、崎嶇路等障礙物；

(2) 能夠在平地高效率的移動；

(3) 能夠在很小的半徑內或者原地轉向；

(4) 體積小、重量輕、可靠性好。

Solidworks是三維實體模型計算機輔助設計軟件,具有強大的繪圖和仿真功能。根據以上對輪履復合機器人實驗平臺的要求,本設計利用Solidworks軟件作為工具設計出機械結構草圖,然后建立各個零件的模型,最后利用裝配工具進行整機裝配并進行動態仿真。機器人機械原理圖和機器人裝配效果圖見圖1。

圖1 機器人機械原理圖和機器人裝配效果圖

機器人的車體采用合金型材料制作的桁架結構,內部留有充足的空間用以安裝電氣控制設備和電池等。履帶驅動電機和變形控制電機采用自制的電機座緊貼車體安裝,使結構進一步緊湊,在減小尺寸的同時也提高了空間利用率。輪履復合式的構造給機器人提供了多種運動模式,與同等大小的單一機械結構形式機器人相比,其運動更加靈活,越障能力進一步提高。輪式運動、履帶運動、上斜坡運動、下斜坡運動分別如圖2所示。

圖2 運動模式

4種運動模式各有特點,在具體應用背景中,輪式運動仍然是最主要的運動形式,但是履帶運動模式所提供的越障功能也是必不可少的,機器人越障實驗如圖3所示。

圖3 機器人越障實驗

3 輪履復合機器人實驗平臺的動力單元

在本輪履復合機器人實驗平臺設計中,無論是輪式運動、履帶運動或者變形運動都選擇電機作為執行單元,其基本結構是由4個電機驅動的輪式運動機構、兩條履帶運動機構和4套輪式運動機構擺臂裝置構成的復合結構。輪式運動主要應用在較為平坦的地形,只要電機參數相差不是太大即可正常工作,選擇直流有刷電機；搖臂要求驅動電機具有鎖止功能,因此選擇步進電機才能保證輪履復合機器人在變形過程中得到精確控制；履帶驅動為旋轉運動,可選擇的電機相對較多,為簡單起見,也選擇直流有刷電機。

根據設計要求,直流電機驅動器需要兼容步進電機智能控制器的相關協議和控制方法,從而使得直流電機驅動器也可以掛在CAN總線上實現總線式的分布控制[5-7]。直流電機驅動主電路采用以MOSFET為開關器件的H橋,其具有成本低、耐壓耐流程度高、散熱設計方便、內阻小、開關速度快等諸多優點。由單片機控制發出兩路互補的PWM波形,用雙極性PWM方法控制電機轉速的優點是雙極性PWM可以使得電機產生高頻震顫,有效減小其靜態摩擦。在H橋的低端位置使用了BACK-EMF轉速測量方法。用于直流電機智能驅動器硬件具體結構框圖見圖4。對于步進電機,本設計采用日本東芝半導體公司生產的TB6560步進電機驅動芯片來驅動。

圖4 直流電機智能驅動器硬件結構框圖

為了說明雙極性互補PWM波的實際效果,利用示波器測試了下橋臂的驅動信號,結果見圖5。由圖5可知,上升沿和下降沿時間短暫,開關管開關迅速,滿足實際應用的需要。

圖5 直流電機驅動器開關速度波形

機器人平臺使用兩套由直流有刷電機驅動的運動系統,當兩套運動系統做直線運動時,開環的速度控制將使得機器人在不同地形上保持相同運動速度的能力變差,對電機轉速進行精準控制就顯得非常有必要。為了改善機器人的運動性能,本設計中對其電機的轉速進行閉環控制,其中PID控制選用數字位置式的PID控制器。直流電機轉速控制流程圖見圖6。

圖6 直流電機轉速控制流程圖

4 輪履復合機器人實驗平臺的智能控制系統

4.1 輪履復合機器人實驗平臺控制箱設計

機器人平臺需要強大的主控系統來控制所有部件、協調各傳感器、記錄各項數據等,因此需要一個總的控制單元。由于工控機性能配置與PC相當,操作系統也屬于常見的操作系統,其底層驅動十分齊全且豐富,PC機上能用的外設,工控機上也能用,這一特點大大拓展了其外設的擴展能力,所以本設計中選擇工控機作為主控設備。工控機可以提供幾乎任何USB設備、串口設備的驅動,使得開發變得非常簡潔。例如控制器需要驅動CAN總線上的智能設備,只需要采購一個USB轉CAN的小設備即可輕松完成總線連接,同時根據其驅動程序即可快速接入主程序,實現智能控制器的驅動。機器人控制箱的整體框圖見圖7。

4.2 輪履復合機器人實驗平臺的遙控系統設計

本設計中的機器人雖然具有自主移動的功能,但在某些復雜環境中還可以根據具體情況使用手動遙控功能。手動遙控操作的主要操作對象是機器人的運動機構,主要包括輪式運動、履帶運動和搖臂升降的遙控。為了能夠在超視距范圍內更好地操作機器人,本設計采用OSD(on screen display)技術設計圖像回傳系統。 OSD技術常用于顯示器的簡易選單操作[8-9],這種技術優勢在于可以充分利用視頻通信信道,使得視頻信號在幾乎不受影響的情況下,疊加上機器人是否在上坡、是否發生了側傾、速度如何等狀態信息,從而節約寶貴的通信資源,因此OSD疊加功能的使用將使得機器人的超視距遙控大大簡化。此外,GPS定位系統的應用使用戶可以獲得更加精準的機器人位置信息,用戶通過第一人稱視角獲得機器人的狀態和位置信息,遙控完成相應操作,圖8為遙控和圖傳系統。

圖7 控制箱框圖

圖8 OSD疊加視頻、遙控器和圖傳系統圖

4.3 輪履復合機器人實驗平臺的自主移動

輪履復合機器人實驗平臺行進引導方法有很多種,如光學導引、磁帶導引、慣性導航引導、機器視覺導引等,本文采用磁帶導引對機器人平臺的實用性進行實驗驗證。要達到對機器人的精確控制,除了要知道機器人發生位置偏移外,還要檢測到機器人機身相對于引導線發生的角度偏移量,所以在機器人前部和后部都安裝了磁傳感器。

下面以執行危險地域巡航任務為例簡述輪履復合機器人實驗平臺巡檢的控制過程,巡檢流程圖見圖9。在此任務中輪履復合機器人的首要目標就是能夠按照既定路線行走,主要包含路徑識別、路徑跟蹤、偏差矯正、角度矯正、啟停控制等[10-12]。由于機器人的導引控制系統參數眾多、結構繁雜、其動態難以測量、參數復雜多變,同時其擾動變量也是復雜多變的,如地面平整度、摩擦系數、電機控制的精度等,無法建立精準的控制模型,傳統的控制方法已無法使用,因此選擇模糊控制。模糊控制器的基本結構如圖10所示。

設計模糊控制器主要包括將輸入量模糊化、建立專家知識規則庫、利用模糊推理單元進行決策邏輯、將輸出量去模糊化后輸出[13]。通過對機器人實際運行情況的分析,以及在對其進行多次遙控操作并對操作手感進行總結的基礎上,建立專家規則庫,結合位置偏差和角度偏差,設計的模糊規則庫見表1。

圖9 機器人巡檢流程圖

圖10 模糊控制器基本結構表1 模糊規則庫

編號位置偏差位置偏差變化率左運動系統動作右運動系統動作1嚴重右偏忽略高速2中等右偏減小中速3中等右偏無變化中速4中等右偏增大高速5微右偏減小中速6微右偏不變慢速7微右偏增大中速8正常忽略等速等速9微左偏減小中速10微左偏無變化慢速11微左偏增大中速12中等左偏減小中速13中等左偏無變化中速14中等左偏增大高速15嚴重左偏忽略高速

模糊控制器中的輸出量仍然是模糊量,所以要先去模糊化才能作用于執行機構。去模糊化的方法很多,本設計采用加權平均法進行解模糊。

5 總結

本文設計了一款靈活度高、越障能力強、擴展性好的通用型輪履復合式機器人實驗平臺,其具備第一人稱視角的遙控功能與強大的環境自適應能力使機器人能夠在更復雜的環境中完成艱難的工作,例如可以在緊急情況下深入曲折巷道執行巡檢、救災、監測等任務。同時,由于輪履復合式機器人平臺的設計涉及眾多學科知識的學習和綜合應用,作為實驗平臺可以培養學生的獨立思考和顯著提高學生的動手實踐的能力。