輪翼復合機器人運動模式研究

2022-05-26 13:00:28田佳樂

制造業自動化 2022年5期

王雄，田佳樂

（榆林學院，榆林 719000）

0 引言

作為智能制造的典型產品，機器人被廣泛的應用于生產生活中。如果機器人沒有較好的地面適用能力，那么機器人將很難完成任務，這就對其運動靈活性和環境適應性提出了更高的要求[1～3]。

復合機器人能夠根據所處環境的變化而靈活應用自身的結構，得到了國內外研究者的廣泛重視[4]。復合機器人包括輪-腿式復合機器人、輪-履式復合機器人、腿-履式復合機器人、腿-輪-履復合機器人、球-輪復合機器人、輪-翼復合機器人等。其中輪翼復合機器人融合了輪式高速高效的特點和旋翼飛行器的空域適應能力而備受關注。較為典型的代表是2009年美國Terrafugia公司研制了陸空兩用變形車Terrafugia Transition[5]，可在高速公路上行駛，又能在天空中飛行。2017年2月俄羅斯Hoversurf公司設計制造了Scorpion-3[6]，Scorpion-3是一款消費級四旋翼飛行摩托，它的承載重量300kg，最高速度70km/h。2017年3月Airbus公司發布了智能概念車Pop.Up[7]，由膠囊狀座艙、帶輪底盤、無人機三部分組成。地面行駛轉為飛行時，四螺旋槳無人機飛來與客艙接合，帶著客艙脫離底座起飛。

在現有輪翼復合機器人中，車輪和旋翼組合方式基本上采用了簡單機械組合，且部分機器人運動需要空間較大，并不靈活。因此，榆林學院科技活動中心以新型的旋翼復合輪為基礎，設計了一種適應不同環境的輪式和飛行可互換的復合型機器人YLROBOT-V。YLROBOT-V具有較強環境適應能力，可轉換為車型結構，輪式行走，提高運動速度及平穩性；也可轉換為飛行結構，原地起飛進入空域。本文對YLROBOT-V機器人的結構和運動特性進行闡述，研究運動模式，最后通過樣機的實驗驗證，證實了YLRT-V運動的可行性。

1 YLROBOT-Ⅴ

如圖1所示。YLROBOT-Ⅴ的機械結構由4個旋翼復合輪、2個模式轉換裝置和1個底板構成。輪翼復合輪用車輪和旋翼組合設計，旋翼置于車輪內，車輪轉動由直流減速電機通過同步帶傳動，旋翼由同軸的無刷直流電機驅動。旋翼復合輪安裝于模式轉換裝置上，模式轉換裝置由舵機驅動，舵機安裝于底板上。模式轉換裝置用于輪式運動模式和飛行行駛模式的轉換。

圖1 YLROBOT-Ⅴ

圖2 控制系統

機器人采用集中式控制系統，由控制器Arduino Mega 2560對電機進行控制。輪式運動采用直流減速電機進行驅動，飛行行駛通過無刷直流電機進行驅動，而模式切換裝置采用大扭矩舵機進行驅動。輪式運動的車輪通過1號、2號、3號和4號直流減速電機驅動，分別對應左前輪、右前輪、左后輪和右后輪。飛行行駛的旋翼通過1號、2號、3號和4號無刷直流電機驅動，分別對應右前旋翼、左前旋翼、左后旋翼和右后旋翼。模式轉換裝置由大扭矩舵機進行驅動，1號舵機對應左側模式轉換裝置，2號舵機對應右側模式轉換裝置。

2 輪翼復合機器人運動控制

機器人的運動通過脈沖寬度調制（PWM）進行控制。改變PWM占空比，即電機電樞電壓接通時間與通電周期的比值，從而控制輪式運動模塊和飛行行駛的電機速度，以及模式轉換的姿態。

2.1 輪式運動模式

在輪式運動時，通過控制4個直流減速電機的正反轉來控制運動方向。假設正轉為前進，反轉為后退，機器人主要有五種運動狀態，前進、后退、停止、左轉、右轉。其中前進、后退和停止控制方式類同，本文以前進為例進行說明。坐轉、右轉控制方法類同，本文以左轉為例進行說明。

設電機持續接通電源的最大轉速為vm，占空比為D，則電機平均速度v：

2.1.1 前進

4個直流電機以相同的速度v正轉，則機器人前進。運行距離s為：

2.1.2 左轉

1）原地左轉

左測車輪后退，右側車輪前進，機器人原地逆時針旋轉，運動示意俯視圖如圖3所示。

圖3 原地左轉

機器人在t=0時刻位于A1點，經過時間t后機器人轉動到A2點，從A1到A2的位移s為

機器人俯視為正方形結構，邊長為d，則：

可得：

即原地旋轉的角度θ為：

2）差動左轉

左側車輪速度為v1，右側車輪速度為v2，v2>v1。將輪子等效為點，參考圖3可得運動示意圖如圖4所示。

圖4 差動左轉

機器人在t=0時刻位于A1點，經過時間t后機器人轉動到A2點，左側車輪位移s1為：

可得：

右側車輪位移s2為：

可得：

顯然，機器人航向角變化即為θ，則：

移動的距離s近似為：

2.2 飛行行駛模式

機器人處于飛行行駛模式時，工作原理與一般的X型四旋翼飛行器類似。四旋翼飛行器旋翼產生的升力大小靠自身轉速控制。為了使飛行器平穩的起飛，就要抵消旋翼在旋轉時所產生的扭力矩，即對角線上交叉對應的兩個旋翼的旋轉方向相同，相鄰旋翼旋轉方向相反，X型四旋翼飛行狀態如圖5所示。

圖5 X型四旋翼

飛行模式主要有五種運動狀態，懸停、垂直運動、偏航運動、俯仰運動、翻滾運動。通過控制無刷直流電機的轉速來控制運動，而電機的轉速控制方法與輪式運動時相同。需要說明的是，本文均指理想狀態。在實際場景中，外部環境干擾引起的誤差不在本文討論范圍之內。

旋翼拉力與旋翼直徑、螺距、漿寬度、轉速和大氣壓力等有關系，將其余量的乘積用系數k表示，則粗略估算單個旋翼的拉力F。

2.2.1 懸停

每個電機帶著螺旋槳轉動的時候會產生一個向上的提升力以及轉動方向相反的反扭矩力，當兩個對角軸產生的反扭矩力相同時能夠相互抵消，進而保證航向的穩定。與此同時，4個電機產生的向上提升力總和等于機器人本身重力時，機器人即可懸停于空中。即M1、M2、M3和M4產生升力等于重力。機器人質量為m，即：

則每個電機轉速v：

2.2.2 垂直運動

在懸停的基礎上繼續保證反轉扭矩相互抵消，增加總提升力使其大于重力，就能垂直上升，而減少總提升力使其小于重力，就能垂直下降。即M1、M2、M3和M4在保證速度已知的情況下，同時增速或減速，機器人會上升或下降。以垂直向上運動為例：

則垂直向上的加速度a：

2.2.3 偏航、俯仰、翻滾運動

偏航、俯仰、翻滾運動和垂直運動類似。偏航時保持總提升力與重力相等，當順時針反轉扭矩大于逆時針反轉扭矩時，即M1和M3減速，M2和M4增速，機器人順時針偏航。反之，機器人逆時針偏航。

俯仰運動即前后運動。當M1和M2減速，M3和M4增速，產生水平向前的分力，機器人會在水平力作用下向前移動，即前俯。反之，則機器人后仰。

滾轉運動即側向運動，當M2和M3增速，M1和M4減速，機器人會往右滾轉，進而向右側移動。反之，機器人會往左翻滾。

以順時針偏航為例，速度變化量為Δv，M1和M3速度為：

M2和M4速度v″為：

2.3 運動模式轉換

模式轉換就是發送PWM控制信號給舵機，使其達到預期轉角，從而控制姿態。顯然，兩種運動模式轉換需要舵機90°的變化。

Arduino Mega2560是8位控制器，其數據分辨率為256，將其劃分為256份。舵機控制的高電平時間為0.5～2.5ms，脈沖寬度為2ms，則可確定 PWM的控制精度為7.8125μs，故舵機轉動與定位以7.8125μs為單位遞增控制。由舵機的極限轉角185°可知，每一脈沖將產生0.72265625°的轉角，則以0.72265625°作為舵機的控制精度。舵機轉動的角度為：