輪式移動機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)設(shè)計

　　1引言

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類的研究活動領(lǐng)域已由陸地擴(kuò)展到海底和空間。利用移動機(jī)器人進(jìn)行空間探測和開發(fā)，己成為21世紀(jì)世界各主要科技發(fā)達(dá)國家開發(fā)空間資源的主要手段之一。研究和發(fā)展月球探測移動機(jī)器人技術(shù)，對包括移動機(jī)器人在內(nèi)的相關(guān)前沿技術(shù)的研究將產(chǎn)生巨大的推動作用。

　　移動機(jī)器人是一種能夠通過傳感器感知外界環(huán)境和自身狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中面向目標(biāo)的自主運(yùn)動，從而完成一定作業(yè)功能的機(jī)器人系統(tǒng)。近年來，由于移動機(jī)器人在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、航天和人類生活的各個方面顯示了越來越廣泛的應(yīng)用前景，使得它成為了國際機(jī)器人學(xué)的研究熱點(diǎn)。20世紀(jì)90年代以來，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)，高適應(yīng)性的移動機(jī)器人控制技術(shù)，真實(shí)環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志，開展了移動機(jī)器人更高層次的研究。目前，移動機(jī)器人特別是自主機(jī)器人已成為機(jī)器人技術(shù)中一個于分活躍的研究領(lǐng)域。

　　輪式移動機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動速度快、能量利用率高、結(jié)構(gòu)簡單、控制方便和能借鑒至今已很成熟的汽車技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)，只是越野性能不太強(qiáng)。但隨著各種各樣的車輪底盤的出現(xiàn)，如日本NASDA的六輪柔性底盤月球漫游車LRTV，俄羅斯TRANSMASH的六輪三體柔性框架移動機(jī)器人Marsokohod，美國CMU的六輪三體柔性機(jī)器人Robby系列以及美國JPL的六輪搖臂懸吊式行星漫游車Rocky系列，已使輪式機(jī)器人越野能力大大增加，可以和腿式機(jī)器人相媲美。于是人們對機(jī)器人機(jī)構(gòu)研究的重心也隨之轉(zhuǎn)移到輪式機(jī)構(gòu)上來，特別是最近日本開發(fā)出一種結(jié)構(gòu)獨(dú)特的五點(diǎn)支撐懸吊結(jié)構(gòu)Micros，其卓越的越野能力較腿式機(jī)器人有過之而不及［6-8］。

　　輪式結(jié)構(gòu)按輪的數(shù)量分可分為二輪機(jī)構(gòu)、三輪機(jī)構(gòu)、四輪機(jī)構(gòu)、六輪以及多輪機(jī)構(gòu)。二輪移動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)非常簡單，但是在靜止和低速時非常不穩(wěn)定。三輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是機(jī)構(gòu)組成容易，旋轉(zhuǎn)中心是在連接兩驅(qū)動輪的直線上，可以實(shí)現(xiàn)零回轉(zhuǎn)半徑。四輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性基本上與三輪機(jī)構(gòu)相同，由于增加了一個支撐輪，運(yùn)動更加平穩(wěn)。以上幾種輪式移動機(jī)構(gòu)的共同特點(diǎn)是它們所有的輪子在行駛過程中，只能固定在一個平面上，不能作上下調(diào)整，因此，地面適用能力差。一般的六輪機(jī)構(gòu)主要就是為了提高移動機(jī)器人的地面適應(yīng)能力而在其結(jié)構(gòu)上作了改進(jìn)，增加了搖臂結(jié)構(gòu)，使得機(jī)器人在行駛過程中，其輪子可以根據(jù)地形高低作上下調(diào)整，從而提高了移動機(jī)器人的越野能力。

　　2機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　主體結(jié)構(gòu)為機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)，里面包括了控制系統(tǒng)，四個驅(qū)動電機(jī)以及一些傳感器，傳感器包括有紅外傳感器，壓敏傳感器，聲音傳感器等用來充當(dāng)機(jī)器人的眼睛、觸覺和聽覺功能。結(jié)構(gòu)主要為一箱體結(jié)構(gòu)，里面按需要放置電機(jī)及系統(tǒng)硬件。主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1機(jī)器人主體機(jī)構(gòu)圖

　　圖1中整個主體是沒有加上任何傳感器和裝置的外殼，四個小箱體是安放控制上肢的電機(jī)，旁邊的孔是用來通過電線的，大箱體中間是安放控制系統(tǒng)的電板。在整個零配件都安放好以后可在上方添加一塊板用來保護(hù)內(nèi)部元件。按照我的設(shè)想，在這個機(jī)器人的基礎(chǔ)上可以在主體上方添加其他功能。主體長1.5米寬0.5米高0.3米。

　　對于下肢部分，由于麥克納姆輪可以進(jìn)行全方位的移動，故不需要加入關(guān)節(jié)，但需要加入剎車系統(tǒng)，以保證及時停車和在使用腿部功能時不發(fā)生滾動，同時在下肢與輪胎連接處設(shè)計平臺安放電機(jī)，使其驅(qū)動輪胎轉(zhuǎn)動。一個輪胎對應(yīng)一個電機(jī)，這樣才能通過改變每個輪胎的轉(zhuǎn)速來控制方向等復(fù)雜的移動。

　　下肢除了像上肢一樣的結(jié)構(gòu)外，多加了兩個在旁邊的箱體結(jié)構(gòu)，并且下部分較寬大是用來與輪胎相連。上面的箱體是用于裝一個小型電機(jī)，通過下肢上端兩個同軸的孔與一根軸相連，來控制下肢繞上肢的轉(zhuǎn)動，而箱體的旁邊上端的孔是用來通過電線。下面的箱體是存放控制輪胎的電機(jī)，右邊有用來安放齒輪的空間和通孔來固定齒輪。下肢兩個豎直的同軸孔也是用來通過電線的。下肢總長約1米，下肢主體寬度約20厘米。

　　3輪式移動原理

　　輪式移動原理主要的為麥克納姆輪的移動原理。

　　麥克納姆輪是瑞典麥克納姆公司的專利。這種全方位移動方式是基于一個有許多位于機(jī)輪周邊的輪軸的中心輪的原理上，這些成角度的周邊輪軸把一部分的機(jī)輪轉(zhuǎn)向力轉(zhuǎn)化到一個機(jī)輪法相力上面。依靠各自機(jī)輪的方向和速度，這些力的最終合成在任何要求的方向上產(chǎn)生一個合力矢量從而保證了這個平臺在最終的合力矢量的方向上能自由地移動，而不改變機(jī)輪自身的方向。在它的輪緣上斜向分布著許多小棍子，故輪子可以橫向滑移。小滾子的母線很特殊，當(dāng)輪子繞著固定的輪心軸轉(zhuǎn)動時，各個小滾子的包絡(luò)線為圓柱面，所以該輪能夠連續(xù)地向前滾動。麥克納姆輪結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動靈活，是很成功的一種全方位輪。有4個這種新型輪子進(jìn)行組合，可以更靈活方便的實(shí)現(xiàn)全方位移動功能。

　　麥克納姆外形像一個斜齒輪，輪齒是能夠轉(zhuǎn)動的鼓形輥?zhàn)樱佔(zhàn)拥妮S線與輪的軸線成α角度。這樣的特殊結(jié)構(gòu)使得輪體具備了三個自由度：繞輪軸的轉(zhuǎn)動和沿輥?zhàn)虞S線垂線方向的平動和繞輥?zhàn)优c地面接觸點(diǎn)的轉(zhuǎn)動。這樣，驅(qū)動輪在一個方向上具有主動驅(qū)動能力的同時，另外一個方向也具有自由移動（被動移動）的運(yùn)動特性。輪子的圓周不是由普通的輪胎組成，而是分布了許多小滾筒，這些滾筒的軸線與輪子的圓周相切，并且滾筒能自由旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動車輪旋轉(zhuǎn)時，車輪以普通方式沿著垂直于驅(qū)動軸的方向前進(jìn)，同時車輪周邊的輥?zhàn)友刂涓髯缘妮S線自由旋轉(zhuǎn)。圖2為麥克納姆輪的各結(jié)構(gòu)和運(yùn)動參量。

　　圖2麥克納姆輪運(yùn)動參量的定義

　　4伺服控制系統(tǒng)設(shè)計

　　移動機(jī)器人的運(yùn)動控制系統(tǒng)是機(jī)器人系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對系統(tǒng)精確地完成各項(xiàng)任務(wù)起著重要作用，有時也可作為一個簡單的控制器。構(gòu)成機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的要素有：計算機(jī)硬件系統(tǒng)及控制軟件、輸入/輸出設(shè)備、驅(qū)動器、傳感器系統(tǒng)，它們之間的關(guān)系如圖3所示。

　　圖3機(jī)器人控制系統(tǒng)構(gòu)成要素

　　4.1移動機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究

　?。?}移動機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)。利用分布式智能結(jié)構(gòu)可以提高移動機(jī)器人的實(shí)時性和魯棒性，并減小移動機(jī)器人的體積和自重，使機(jī)器人更加輕便、靈活。

　?。?）控制系統(tǒng)中的傳感器技術(shù)。移動機(jī)器人傳感器技術(shù)主要是對機(jī)器人自身內(nèi)部的位置和方向信息以及外部環(huán)境信息的檢測和處理。獲取真實(shí)有效的環(huán)境信息，是控制系統(tǒng)進(jìn)行決策的保證。通常采用的傳感器分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。內(nèi)部傳感器主要包括：編碼器、線加速度計、陀螺儀、磁羅招等。外部傳感器主要包括：視覺傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、接觸和接近傳感器等。

　?。?）控制系統(tǒng)的多傳感器信息融合技術(shù)。多傳感器信息融合是把分布在不同位置的傳感器所提供的局部環(huán)境的不完整信息加以綜合，消除多傳感器之間可能存在的冗余和矛盾，以降低其不確定性，形成對系統(tǒng)環(huán)境的相對完整一致的感知描述，從而提高智能系統(tǒng)決策、規(guī)劃的快速性和正確性，同時降低決策風(fēng)險。

　　（4）控制系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)。重點(diǎn)研究開放式、模塊化控制系統(tǒng)。移動機(jī)器人控制器結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化，以及網(wǎng)絡(luò)式控制器成為研究熱點(diǎn)。編程技術(shù)進(jìn)一步提高在線編程的可操作性，離線編程的人機(jī)界面更加友好、自然語言化編程和圖形化編程的進(jìn)一步推廣也是今后研究的重點(diǎn)。

　?。?）運(yùn)動控制技術(shù)。機(jī)器人運(yùn)動必須足夠快，受控并安全，避開靜態(tài)和動態(tài)的障礙。軌跡跟蹤、路徑跟蹤、點(diǎn)鎮(zhèn)定是移動機(jī)器人運(yùn)動控制的三個基本問題;

　?。?）控制系統(tǒng)的智能化技術(shù)?？刂葡到y(tǒng)的智能特征包括知識理解、歸納、推斷、反應(yīng)和問題求解等內(nèi)容。涉及領(lǐng)域包括圖像理解、語音和文字符號的處理與理解、知識的表達(dá)和獲取等方面。智能控制方法常使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制方法，但前者往往伴隨著對存儲容量、運(yùn)算速度的較高要求，這與移動機(jī)器人高速高精度運(yùn)動控制的要求存在一定差距，故模糊控制方法在機(jī)器人控制方面有著較大的優(yōu)勢。

　　根據(jù)移動機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，結(jié)合本機(jī)器人的系統(tǒng)功能和特點(diǎn)，按照模塊化的設(shè)計思想，提出了機(jī)器人控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案。如下圖所示：

　　圖4控制系統(tǒng)總體方案

　　控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案

　　該方案是以ATmega128芯片為核心，分模塊化設(shè)計，各子模塊功能為：

　?。?）微處理器模塊：是控制系統(tǒng)的核心，包括微控制器及其相關(guān)外圍電路主要進(jìn)行各種信息、數(shù)據(jù)的處理，協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各功能模塊完成預(yù)定的任務(wù)；

　?。?）驅(qū)動模塊：控制機(jī)器人系統(tǒng)中的舵機(jī)和傳感器模塊預(yù)定的任務(wù);實(shí)現(xiàn)舵機(jī)速度和位置的控制，完成前進(jìn)、后退、直行、轉(zhuǎn)彎、避障、抓取等動作；

　?。?）傳感器模塊：有速度、位置、距離、聲音等傳感器，主要負(fù)責(zé)移動機(jī)器人移動過程中的障礙物、聲音等檢測;

　　（4）電源模塊：負(fù)責(zé)整個移動機(jī)器人的電源供給，使系統(tǒng)能離線運(yùn)動，主要由12V蓄電池及相關(guān)調(diào)壓穩(wěn)壓電路組成；

　?。?）串口通信模塊：根據(jù)RS232通信標(biāo)準(zhǔn)與上位機(jī)進(jìn)行串口通信;

　?。?）JTAG調(diào)試：可以實(shí)現(xiàn)在線編程、調(diào)試仿真。

　　3.2機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)

　　目前，愛機(jī)器人的運(yùn)動控制中較為常見的有直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)。對于我的課題來說，一個能控制速度的電機(jī)作為麥克納姆輪使用，也需要一個能精確可控制角度且可以保持的電機(jī)作為腿部關(guān)節(jié)使用。經(jīng)過我初步估計電機(jī)轉(zhuǎn)速不是很大，如果使用直流電機(jī)，由于轉(zhuǎn)速和力矩的影響，需配置減速器，且不能控制角度。而如果使用步進(jìn)電機(jī)，需配置驅(qū)動器。為滿足系統(tǒng)的控制要求，考慮到經(jīng)濟(jì)性等，我準(zhǔn)備采用Dynamixel系列AX-12舵機(jī)它是機(jī)器人專用的伺服電機(jī)。它不但能精確控制角度，作為關(guān)節(jié)角度控制；也可以通過軟件設(shè)置為無限旋轉(zhuǎn)模式，作為車輪使用。

　　3.3AX-12數(shù)字舵機(jī)概述及特性

　　舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。其工作原理是：控制信號由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20mS，寬度為1.5ms 的基準(zhǔn)信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。AX-12舵機(jī)是一款智能化、模塊化的動力裝置，主要由一個微處理器、一個精確的直流電機(jī)、齒輪減速器、位置傳感器、溫度傳感器以及具備通訊功能的控制芯片等組成，其內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)和電路控制如圖4所示：

　　圖4.1舵機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和控制圖

　　AX-12數(shù)字舵機(jī)作為舵機(jī)用時，最大轉(zhuǎn)角為300度，作為電機(jī)用時可以自由旋轉(zhuǎn)，應(yīng)用范圍廣；采用數(shù)字信號控制，控制起來更方便;每個舵機(jī)都擁有唯一的ID號，采用網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動模式、Daisy總線連接方式，可以多個網(wǎng)狀串連控制，連接方便。它的具體參數(shù)如表1.1所示。

　　表1.1舵機(jī)具體參數(shù)

　　項(xiàng)目參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)

　　重量55g位移角度0-300°無限旋轉(zhuǎn)

　　減速比1/254最小角度0.35°

　　工作電壓7VDC-12VDC通訊半雙工異步串行通信

　　工作溫度-5-85攝氏度波特率7343bps-1Mbps

　　最大電流900mA指令包數(shù)字信號

　　輸入電壓7V10V物理連接TTL多通道（daisy總線）

　　最大扭矩12（Kgf？cm）16.5（Kgf？cm）材料工程塑料

　　轉(zhuǎn)速0.269（秒/60°）0.196（秒/60°）反饋位置、溫度、負(fù)載、電壓等

　　由于AX-12內(nèi)部配有一個ATmega8微處理器，用來接收控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)包，通過相應(yīng)的處理后給伺服電機(jī)發(fā)送PWM信號來控制電機(jī)的起停。因此，控制舵機(jī)實(shí)際上是去控制ATmega8舵機(jī)的狀態(tài)和參數(shù)都存儲在ATmega8的RAM和EEPROM相應(yīng)的地址里，對舵機(jī)進(jìn)行控制也就是對舵機(jī)的相應(yīng)地址讀和寫數(shù)據(jù)的過程。

　　5AX-12舵機(jī)通信協(xié)議

　　AX-12數(shù)字舵機(jī)不像一般的R/C伺服電機(jī)（舵機(jī)）使用PWM控制，它的控制信號為數(shù)字信號，主控制器和舵機(jī)采用TTL-Daisy總線的連接方式、半雙工異步串行通訊協(xié)議（（8位數(shù)據(jù)位、1位終止位，無奇偶校驗(yàn)位）。主控制器通過發(fā)送和接受數(shù)據(jù)包的形式來控制舵機(jī)，有兩種數(shù)據(jù)包：一個是指令包，這是從主控制器發(fā)給舵機(jī)的指令;另一個是狀態(tài)包，這是舵機(jī)返回給主控器的。如果主控器向ID為N的舵機(jī)發(fā)送指令包，則只有該ID的舵機(jī)會反饋相應(yīng)的狀態(tài)并且執(zhí)行需要的動作?？刂圃韴D如圖5所示：

　　圖5舵機(jī)控制原理圖

　　6結(jié)束語

　　本文設(shè)計了一種輪式移動機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)：即基于伺服控制的移動機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用數(shù)控插補(bǔ)技術(shù)來跟蹤軌跡，具有跟蹤精度高等特點(diǎn)。選擇了專門用于電機(jī)控制的DSP芯片，簡化了設(shè)計，提高了模塊的可靠性，并為今后控制算法的升級留有足夠的空間。本文采用的移動機(jī)器人規(guī)劃路徑的航跡推算數(shù)學(xué)模型，它不同于傳統(tǒng)的只對直線和圓弧離散，而對一次、二次曲線跟蹤路徑都可以作離散化處理。運(yùn)動控制系統(tǒng)采用主從式控制結(jié)構(gòu)，即由主機(jī)完成復(fù)雜計算，將處理后的數(shù)據(jù)傳遞給從機(jī)，由從機(jī)完成對小車本體的控制，方便地實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)控制。由從機(jī)執(zhí)行的運(yùn)動控制器，成本低，功能強(qiáng)，使用方便，而具有十分廣闊的應(yīng)用前景。