基于學科交叉的全方位移動機器人教學平臺開發

王 班 毋少峰

（杭州電子科技大學機械工程學院 浙江·杭州 310018）

0 引言

隨著時代的發展與社會的進步，機器人在人類生產和生活中得到了越來越廣泛地應用，機器人已經滲透到人類社會的各個角落。機器人技術涉及機械、電氣、控制、材料、力學、計算機等多個學科，是當今機電工程學科極為活躍的研究領域之一，代表了機電一體化的最高成就[1]。移動機器人是機器人技術中一個重要發展方向，已廣泛用于資源勘察、教學醫療、家庭服務、商業清洗、自動化工廠的物流系統、危險品處理和清洗等多種場合。相對于目前已有應用的其他移動系統形式而言，輪式移動系統具有運動效率高、承載能力強、結構形式豐富、驅動控制簡單、運動方式靈活、行進速度快等優點，是目前應用較廣泛的移動機構。

機器人技術是構建機器人裝置所涉及的機械、電氣、控制及編程技術，具體包括機器人機械結構設計、機器人機構學、機器人運動學、機器人動力學、機器人運動規劃、機器人力控制、機器人運動控制、機器人視覺及機器人編程等方面。通過機器人相關課程的學習，使學生初步了解機器人技術所涉及的基本理論、基礎知識，為學生畢業后從事機器人及自動化機械的應用、機器人系統及自動化機械裝置的開發和創新設計工作，提供機器人技術的機構學、運動學及控制等方面技術初步認識基礎。然而，正是由于機器人涉及學科眾多，給高等院校的相關機器人技術教學帶來了一定的挑戰。以往機器人相關課程主要采取傳統講授的教學形式，學生一方面很難在短時間內掌握大量機器人基本理論知識，另一方面也使得學生感覺課程乏味，繼而連基本的機器人的基本知識及發展趨勢都難以掌握[2]。

針對此種情況，筆者以讓學生掌握機器人相關理論與技術，同時培養學生的自主學習能力與動手能力為目標，秉承“兼顧理論與實踐”的理念，提出了一種融合多學科的全方位移動智能機器人教學平臺。

1 平臺設計與開發

所提出的全向移動機器人教學平臺采用全向輪移動結構，可在平面上實現前后、左右和自轉三個自由度的運動，非常適合空間狹小、對機動性要求高的場合，例如叉車、工程車、星球探測車、清洗機器人、游戲機器人和服務機器人等[3]。本文采用課題組提出的交替式正交全向輪（如圖1所示）[4]，采用大小鼓形輥子交替裝配的形式，單排輥子即可實現全向輪圓周的完整性，在一定程度上解決了全向輪普遍存在的敲地現象[5]。

圖1：交替式正交全向輪

1.1 結構布局

根據全向輪的運動原理，目前比較常用的全向移動機器人可采用三支點與四支點結構布局，分別如圖2(a)、2(b)所示。三支點結構布局結構簡單，使用三套驅動電機即可實現機器人的全方位移動，但機器人整體穩定性較差，適合于輕載場合。四支點結構布局具有較好的對稱性與穩定性，使用四套獨立驅動電機實現機器人全方位移動，適合于重載場合。為了實現本教學平臺控制的多樣性，本機器人平臺采用如圖2(b)所示的四支點結構布局形式。

圖2：全方位移動機器人結構布局

1.2 電控系統

本機器人教學平臺采用工控主板作為主控制器運行ROS系統，擴展CAN通訊卡與電機伺服驅動器組成CAN-open網絡。工控主板通過CANopen網絡直接發指令給電機伺服驅動器并讀取電機的運動狀態等信息，通訊速度可達到1M/s。機器視覺攝像頭采用數字式相機，相機的數據通過以太網總線傳輸到嵌入式處理器。嵌入式處理器同時處理相機的數據，完成坐標標定、數據融合等工作，最終數據融合到工控主板完成地圖信息的建模工作。電池充放電檢測系統及觸摸顯示屏等作為外部信號輸入與工控主板直接通訊。機器人整體控制框圖如圖3所示。

1.3 環境識別

機器人環境識別是機器人實現高精度定位與導航的前提條件。選擇圖像的匹配特征，找出特征與特征之間的本質屬性，建立穩定的匹配算法。將特征匹配與區域匹配相結合，形成一種基于極限約束的立體匹配方法，具體過程如圖3所示。理想條件下，移動機器人的目標是在沒有人的干預且無需對環境作任何規定和改變的條件下，能夠按照預先給定的任務指令，根據已知的地圖信息做出全局的路徑規劃，并在行進過程中，不斷感知周圍環境信息，引導移動機器人自身繞開障礙物,安全行駛到達指定目標，并執行要求的動作和操作。同時，移動機器人也要將自身的狀態信息反饋給控制臺，方便控制臺對車體進行監控。

圖3：移動機器人驅動控制框圖

圖4：立體匹配方法示意圖

1.4 樣機研制

根據前述全方位移動機器人四支點結構布局，結合電控系統及機器人視覺導航系統，搭配彈簧阻尼減振系統，研制了如圖5所示的全方位移動機器人教學平臺樣機。測試表明，此平臺最大載重可達100kg，通過四個驅動電機的配合可實現沿任意方向的移動，自主導航精度可滿足日常教學演示。

2 總結

本文提出并研制了一種全方位移動教學機器人平臺。從機械專業角度分析，本平臺具有如下創新點：

圖5：移動機器人平臺

（1）首次將全向移動機構應用于教學機器人。相較于傳統的輪式移動機器人，基于全向輪的移動機器人動力學方程更加復雜，控制量更多。學生基于教學平臺進行機器人動力學建模與控制系統設計可快速、高效地提高學生工程實踐能力。

（2）全方位移動智能機器人教學平臺融合多個學科。在教學過程中，應用此教學平臺可開展機器人運動學、動力學、智能控制、結構設計、電氣開發及傳感器技術等方面的實踐教學活動，可全面提高學生綜合知識能力。