全地形移動機器人機械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設計分析

陳俊超，李國臣

全地形移動機器人機械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設計分析

陳俊超，李國臣

（東莞職業(yè)技術學院，廣東 東莞 523808）

分析了地形適應、站點識別、路徑導航、自動避障四個方面，簡要闡述了全地形移動機器人設計的功能需求。從底盤結(jié)構(gòu)設計與機械結(jié)構(gòu)設計兩個角度入手，分析了全地形移動機器人機械結(jié)構(gòu)的設計要求，圍繞系統(tǒng)整體設計與分支模塊設計，研究了全地形移動機器人控制系統(tǒng)的設計思路。

全地形移動機器人；機械臂；底盤結(jié)構(gòu)設計；工業(yè)領域

隨著現(xiàn)代社會的不斷發(fā)展，自動化、智能化成為了工業(yè)領域變革發(fā)展的重要方向，機器人在工業(yè)生產(chǎn)中的作用也越來越突出。在此背景下，有必要對全地形移動機器人的機械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設計展開探究討論。

1 全地形移動機器人設計的功能需求

全地形移動機器人的應用優(yōu)勢，在于“全地形”與“移動”兩個部分。一方面，在全地形的應用背景下，機器人具備良好的路面適應能力，可在復雜地形環(huán)境下執(zhí)行標準的任務動作；另一方面，機器人在移動過程中，應保持路線精準，并可實現(xiàn)較高的工作效率與工作質(zhì)量?；诖耍瑢τ谌匦我苿訖C器人的結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)設計，可總結(jié)出以下4點功能需求：①地形適應的需求。即賦予機器人以爬坡、越障、原地轉(zhuǎn)向等運動功能。②站點識別的需求。即保證機器人可在傳感系統(tǒng)的支持下，對現(xiàn)場環(huán)境的站點信息進行精準采集與識別，從而獲取并執(zhí)行相應站點的任務動作。③路徑導航的需求，即保證機器人可根據(jù)預設的導航路徑，實現(xiàn)由當前點到目標點的順利移動。④自動避障的需求。即當現(xiàn)場環(huán)境中存在無法爬、越的障礙物時，機器人可對其進行快速檢測與識別，并靈活避讓。滿足這一功能需求，既有助于保證全地形移動機器人的運行效率，也有助于為機器人以及現(xiàn)場人員、設施、設備的安全提供保障[1]。

2 全地形移動機器人的機械結(jié)構(gòu)設計

2.1 底盤結(jié)構(gòu)設計

底盤結(jié)構(gòu)是全地形移動機器人機械結(jié)構(gòu)的設計核心，其既承擔著機器人的移動支持任務，也是機器人自重以及搬運物質(zhì)量的負載基礎。一般情況下，全地形移動機器人的底盤結(jié)構(gòu)主要由行走機構(gòu)、傳動機構(gòu)、懸架機構(gòu)以及其他底盤零部件組成。

2.1.1 底盤行走機構(gòu)的設計

基于全地形的移動特點與應用需求，底盤行走機構(gòu)在設計上應兼具穩(wěn)定的輪式運行能力、靈活的轉(zhuǎn)向能力以及崎嶇路面的適應能力。同時，在提出原地轉(zhuǎn)向的要求后，應保證底盤行走機構(gòu)的最小轉(zhuǎn)彎半徑為0，這一設計思路主要與不通車輪的摩擦力作用有關。在同一坐標系中，當?shù)妆P前輪產(chǎn)生沿軸的向左摩擦力時，其后輪會同步產(chǎn)生沿軸的向右摩擦力。此時，如果前后輪的摩擦力達到對等，機器人即可實現(xiàn)原地的逆時針轉(zhuǎn)向，順時針同理。但需要注意的是，如果車輪選用傳統(tǒng)的單向橡膠車輪，機器人轉(zhuǎn)向時底盤前后輪會產(chǎn)生較大的滑動摩擦力，進而會對機器人原地轉(zhuǎn)向的靈活性造成很大影響，且極易磨損車輪，不利于底盤結(jié)構(gòu)的應用長壽性。

基于此，使用球形全向輪代替單向橡膠車輪，使滑動摩擦力變?yōu)闈L動摩擦力，可有效解決機器人原地轉(zhuǎn)向的阻力問題。全地形移動機器人底盤行走機構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)由4個驅(qū)動輪、2個全向輪前輪和10個從動輪組成，每個全向輪輪轂的邊緣均勻分布5個從動輪，上方驅(qū)動結(jié)構(gòu)主要與驅(qū)動輪及全向輪輪轂中心連接，各從動輪不具備主動性、獨立性的動力支持。當機器人移動時，驅(qū)動輪縱向發(fā)力，從動輪不轉(zhuǎn)動；當機器人原地轉(zhuǎn)向時，全向輪輪轂發(fā)力，使從動輪圍繞輪轂軸線進行旋轉(zhuǎn)運動，驅(qū)動輪不發(fā)力[2]。

2.1.2 底盤傳動機構(gòu)的設計

全地形移動機器人的底盤傳統(tǒng)機構(gòu)主要包括動力系統(tǒng)與傳動系統(tǒng)兩個部分。其中，動力系統(tǒng)的主體部分為兩個直流電機，主要負責機器人移動過程中驅(qū)動力發(fā)出；傳動系統(tǒng)的主體部分為相互咬合、一體聯(lián)動的齒輪和聯(lián)軸器，主要負責動力系統(tǒng)所產(chǎn)生作用力的傳輸與放大。

在動力系統(tǒng)的設計中，主要應根據(jù)機器人的質(zhì)量，以及底盤中各車輪的位置間隔進行電機功率的合理選擇，以確保電機發(fā)出的作用力可驅(qū)動機器人穩(wěn)定、高效運行；在傳統(tǒng)系統(tǒng)的設計中，主要應做好不同等級輸出錐齒輪、差速器輸出錐齒輪以及聯(lián)軸器的合理配置，并與左右兩側(cè)電機建立連接，以此實現(xiàn)力的有效傳遞。具體來講，首先要通過聯(lián)軸器將直流電機的輸出軸與一級輸出錐齒輪連接起來，再通過次級錐齒輪、差速錐齒輪的嚙合連接，將扭矩傳輸至懸架機構(gòu)處。這樣一來，便可構(gòu)成電機、齒輪組、聯(lián)軸器、懸架、車輪相互配合的作用力傳輸結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)全地形移動機器人的驅(qū)動與控制。

在底盤左右兩側(cè)電機同向、同速驅(qū)動運轉(zhuǎn)時，移動機器人可進行豎向的進退動作；在底盤左右兩側(cè)電機反向驅(qū)動運轉(zhuǎn)時，移動機器人便可進行轉(zhuǎn)彎動作。在此基礎上，如果電機轉(zhuǎn)速相同，機器人就能實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。

2.1.3 底盤懸架機構(gòu)的設計

懸架機構(gòu)與車體、車輪相連，主要包含連桿、搖臂、滑塊等構(gòu)件，是滿足全地形移動機器人順利應對崎嶇路面的運動保障機構(gòu)。當車輪移動時，不同部位的懸架連桿可進行同步的轉(zhuǎn)動調(diào)整，以確保所有車輪均可與地面相接觸，并形成一定的減震效果。在底盤懸架機構(gòu)的設計實現(xiàn)中主要應注意以下幾個問題：①懸架機構(gòu)并不是標準、固定的，其連桿數(shù)量、搖臂數(shù)量、系統(tǒng)構(gòu)型與底盤車輪的數(shù)量、車輪結(jié)構(gòu)的自由度、減震構(gòu)件的運用等多種因素相關，任何因素發(fā)生改變，都會對懸架結(jié)構(gòu)的設計結(jié)果產(chǎn)生影響；②在全地形移動機器人的運行過程中，機器人及搬運物的質(zhì)量會經(jīng)由懸架機構(gòu)均勻地分散在各個車輪上。因此，在懸架機構(gòu)的材料選擇上，必須要保證充足的承載力、強度與剛度；③應在保證懸架機構(gòu)運行平穩(wěn)的基礎上，盡量增加彈性減震構(gòu)件，以此降低機器人整體在越障、爬坡等過程中的顛簸程度，避免發(fā)生車體傾斜、傾倒等負面問題。

2.1.4 底盤其他零部件的設計

2.1.4.1 車體結(jié)構(gòu)的設計

車體即底盤，即上方主體的框架結(jié)構(gòu)，其承擔著保護、裝載機械臂、行走機構(gòu)、傳動機構(gòu)、懸架機構(gòu)、車輪等結(jié)構(gòu)的重要職能。因此，在設計中要注重車體材質(zhì)、結(jié)構(gòu)的合理選配。結(jié)合當前的材料市場來看，將45號鋼作為車體底板、側(cè)板、機械臂安裝板等關鍵部位的主要材質(zhì)，將鋁合金作為檢修孔面板、裝飾板等輔助部位的主要材質(zhì)，既能達成良好的設計性價比，也有助于減少鋼材的用量，從而降低全地形移動機器人的總質(zhì)量[3]。

2.1.4.2 車頭的設計

車頭是全地形移動機器人的“頭腦”，即軟件控制系統(tǒng)的主要安裝部位。這一部位對設計中強度、承載力等力學性能的要求較低，只需從空間規(guī)模、結(jié)構(gòu)布局上滿足各類系統(tǒng)器件的安裝需求就可以。

2.2 機械臂結(jié)構(gòu)設計

全地形移動機器人的機械臂結(jié)構(gòu)采用單臂機器人進行安裝設計，此類機器人具有基座、肩部、肘部以及3個腕部，共有6個自由度，且可在第3節(jié)腕部處安裝負載為5 kg左右的夾持結(jié)構(gòu)。將單臂機器人應用到全地形移動機器人的設計當中，既能滿足機器人攜帶一定質(zhì)量搬運物的工作需求，又可直接應用API函數(shù)結(jié)構(gòu)進行程序編制、軟件開發(fā)與總控系統(tǒng)連接，從而縮減一定的設計工作量，降低軟件的設計難度。

3 全地形移動機器人的控制系統(tǒng)設計

3.1 控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設計

在全地形移動機器人的工作實踐中，其需要在磁條介質(zhì)的支持下，完成運動路線的導航規(guī)劃、物料拿取與釋放的動作控制以及路線中各節(jié)點站點的有效識別。同時，為了最大化地發(fā)揮全地形移動機器人的應用價值，還應構(gòu)建針對機器人整體狀態(tài)的監(jiān)控機制，實現(xiàn)故障情況下機器人異常信息的及時傳輸與警報顯示，以便相關人員及時進行現(xiàn)場檢查與維修處理，使機器人快速恢復性能并重新投入生產(chǎn)工作當中。

基于此，將全地形移動機器人的軟件控制系統(tǒng)設為五層結(jié)構(gòu)：最頂層為系統(tǒng)的電腦控制中心，其負責任務程序的輸入、動作指令的發(fā)出與下層信息的反饋；第二層為多軸運動控制卡，其與第三層相連，實現(xiàn)將系統(tǒng)指令轉(zhuǎn)化為明確的控制信號；第三層為I/O轉(zhuǎn)接板、SS11接口板與PFID讀卡器；第四層為指示燈、傳感器等元件、機械臂控制器、直流電機驅(qū)動器以及ID卡，其中，I/O轉(zhuǎn)接板主要與指示燈、傳感器等元件以及機械臂控制器相連，SS11接口板與直流電機驅(qū)動器相連，實現(xiàn)第二層控制信號的執(zhí)行驅(qū)動，RFID讀卡器與ID卡達成射頻連接，直接基于頂層電腦控制中心的預設程序，進行站點及相關任務動作的識別與響應；第五層為機械臂與直流電機，其分別與機械臂控制器、直流電機驅(qū)動器相連，支持并控制機器人執(zhí)行任務動作。

3.2 控制系統(tǒng)的分支模塊設計

3.2.1 導航模塊設計

這一模塊是全地形移動機器人按照設定路線進行移動的基礎系統(tǒng)，其主要通過磁導航傳感器實現(xiàn)路線信息的采集與響應，具體的信息處理流程為“開始→采集傳感器信息→分析傳感器信息→移動機器人有無偏離路徑→是/否→調(diào)整機器人姿態(tài)，回到信息采集環(huán)節(jié)/繼續(xù)向前運動→接收停止信號→結(jié)束”。

3.2.2 機械臂控制模塊設計

這一模塊以PFID射頻讀卡器與站點處ID卡的識別互動為基礎，實現(xiàn)機器人機械臂對相應物品的拿取與釋放控制，具體的信息處理流程為“開始→識別動作信號輸入→識別動作信號類型→獲得拿取/釋放信號→執(zhí)行拿取/釋放動作→判斷拿取/釋放是否完畢→發(fā)送拿取完畢/釋放完畢信號→結(jié)束”。

3.2.3 識別模塊設計

這一模塊同樣以PFID射頻讀卡器與站點處ID卡的識別互動為基礎，是機械臂動作控制的先決條件，其信息錄入流程為“開始→RFID讀卡器讀取ID卡信息→信息格式檢查→格式正確/格式錯誤→錄入卡號并提示/提示卡號錯誤→選擇ID卡功能→存入數(shù)據(jù)庫”，信息處理流程為“開始→RFID讀卡器讀取ID卡信息→檢索、對比數(shù)據(jù)庫信息→確認動作信號→輸入動作信號→結(jié)束”。

4 結(jié)論

綜上所述，保障和強化機器人的環(huán)境適應能力與路徑運動質(zhì)量，是全地形移動機器人設計的重點?；跈C器人技術的不斷發(fā)展，全地形移動機器人的機械結(jié)構(gòu)設計與控制系統(tǒng)設計在導航、定位、動作執(zhí)行、環(huán)境響應等方面尚存較大的研究與發(fā)展空間，可為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量發(fā)展、模式創(chuàng)新提供持續(xù)助推。

［1］馬芳武，倪利偉，聶家弘.主動懸架輪腿式全地形移動機器人俯仰姿態(tài)閉環(huán)控制［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34（20）：20-27.

［2］王奉晨.全地形輪式移動機器人設計與性能分析［D］.成都：西南交通大學，2018.

［3］強璐亞，陸袁博，王皖君.全地形機器人小車設計［J］.電子世界，2018（1）：129-130.

TP242

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.12.026

2095－6835（2020）12－0065－02

〔編輯：張思楠〕