世界技能大賽移動(dòng)機(jī)器人底盤(pán)選擇與控制研究

摘要：文章介紹了第45屆世界技能大賽中使用最為廣泛的三輪移動(dòng)機(jī)器人，具體分析了輪系選擇到控制實(shí)現(xiàn)的整個(gè)過(guò)程，實(shí)踐表明，該套控制系統(tǒng)具有良好的運(yùn)動(dòng)控制精度，并在比賽應(yīng)用中滿足了高速、精確的底盤(pán)運(yùn)動(dòng)控制要求，為全國(guó)參賽院校提供了較好的參考。

作者簡(jiǎn)介：章安福（1986—），男，漢族，籍貫江蘇宿遷，本科，職務(wù)：專業(yè)帶頭人，職稱：高級(jí)講師，研究方向：電氣自動(dòng)化、機(jī)器人、智能控制。

1   項(xiàng)目背景與任務(wù)分析

第45 屆世界技能大賽移動(dòng)機(jī)器人項(xiàng)目的任務(wù)是基于現(xiàn)實(shí)工廠的自動(dòng)化裝配場(chǎng)景設(shè)計(jì)的，要求機(jī)器人能夠在虛擬工廠場(chǎng)景中完成將1 個(gè)零件從零件庫(kù)到裝配工作站的自主拾取、自主移動(dòng)、自主裝配的自動(dòng)化過(guò)程。移動(dòng)機(jī)器人需要通過(guò)讀取命令板上的信息，將所要求的零件裝載至指定零件架，運(yùn)送到指定的工作站。通過(guò)對(duì)虛擬工廠的簡(jiǎn)單分析，初步確定機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)的基本要求，如圖1 所示。

虛擬工廠的零件架與工作站位置固定，使用全向運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)系統(tǒng)能夠靈活且精準(zhǔn)到達(dá)，移動(dòng)機(jī)器人可以通過(guò)巡線確定左右位置，通過(guò)測(cè)距傳感器確定前后位置，因此可以初步確定全向運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)系統(tǒng)作為移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)結(jié)構(gòu)。

2   底盤(pán)選擇與搭建

2.1 移動(dòng)機(jī)器人底盤(pán)選擇

縱觀歷屆世賽，移動(dòng)機(jī)器人項(xiàng)目的典型移動(dòng)系統(tǒng)有兩電機(jī)實(shí)現(xiàn)的差動(dòng)控制系統(tǒng)、三電機(jī)實(shí)現(xiàn)的全向控制底盤(pán)和四電機(jī)驅(qū)動(dòng)全向控制底盤(pán)（表1）^[2]。在第45 屆世界技能大賽移動(dòng)機(jī)器人項(xiàng)目的任務(wù)中，由于整個(gè)任務(wù)要求機(jī)器人具有靈活移動(dòng)的同時(shí)使用盡可能少的電機(jī)，三電機(jī)實(shí)現(xiàn)的全向移動(dòng)系統(tǒng)能夠在2 m×4 m 的虛擬工廠中自由全方位移動(dòng)，快速、精準(zhǔn)地到達(dá)命令欄、零件庫(kù)、零件架區(qū)域、工作站區(qū)域前方，同時(shí)能夠滿足虛擬工廠內(nèi)10° 斜坡的移動(dòng)要求，完成任務(wù)比兩電機(jī)驅(qū)動(dòng)底盤(pán)更加靈活，比四電機(jī)驅(qū)動(dòng)的底盤(pán)具有相同靈活性，同時(shí)減少了1 個(gè)電機(jī)的使用。經(jīng)對(duì)比分析，最終選擇了三電機(jī)驅(qū)動(dòng)的底盤(pán)作為搭建原型。

2.2 移動(dòng)機(jī)器人底盤(pán)搭建

2.2.1 輪子選擇

全向移動(dòng)的移動(dòng)機(jī)器人底盤(pán)設(shè)計(jì)一般采用全向輪和麥克納姆輪2 種。麥克納姆輪承重能力大，摩擦力大，常用于4 輪底盤(pán)設(shè)計(jì)。全向輪的特點(diǎn)是靈活快速，原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)更精準(zhǔn)，常用于3 輪底盤(pán)設(shè)計(jì)?？紤]到套件資源因素，同時(shí)也希望機(jī)器人擁有快速移動(dòng)能力，最后選擇使用3 輪全向輪底盤(pán)（圖2)。

圖2 全向輪

2.2.2 底盤(pán)的制作與裝配

在移動(dòng)機(jī)器人項(xiàng)目提供的套件中，U 型通道的尺寸無(wú)法滿足于我們的底盤(pán)支架大小，因此將原有的U 型通道加工為長(zhǎng)度160 mm 的U 型通道。底盤(pán)使用3 條U型通道以60° 內(nèi)角分別連接底部的電機(jī)座（如圖3）。

圖3 底盤(pán)裝配

頂部后面裝有2 路超聲波傳感器，右則裝有1 路紅外傳感器，右前方裝有1 路紅外傳感器，前方底部裝有4 路QTI 傳感器，中間放置1 個(gè)陀螺儀。底盤(pán)使用2 塊電池，分別放置在后方兩側(cè)，最終完成的機(jī)器人如圖4所示。

圖4 底盤(pán)機(jī)構(gòu)

3   底盤(pán)控制研究與實(shí)現(xiàn)

三輪全向移動(dòng)底盤(pán)具有良好的運(yùn)動(dòng)性。3 個(gè)輪子互相間隔120° ，每個(gè)全向輪由若干個(gè)小滾輪組成，各滾輪的母線組成1 個(gè)完整的圓。機(jī)器人既可以沿輪面的切線方向移動(dòng)，也可以沿輪子的軸線方向移動(dòng)，這兩種運(yùn)動(dòng)的組合即可以實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)任意方向的運(yùn)動(dòng)。

建立世界坐標(biāo)系x′o′y′，機(jī)器人坐標(biāo)系xoy。移動(dòng)底盤(pán)自身的角速度為ω，中心到輪子的距離為常數(shù)L，順時(shí)針為角速度正方向，各輪子速度為Va、Vb、Vc，移動(dòng)底盤(pán)在自身坐標(biāo)系下的分速度為Vx、Vy，夾角θ1=π/3，θ2=π/6，α 是兩個(gè)坐標(biāo)系的夾角。運(yùn)動(dòng)模型如圖5 所示。

圖5 運(yùn)動(dòng)模型

經(jīng)分析可得如下關(guān)系式：

以矩陣方式表示如下：

以上是機(jī)器人在自身坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，實(shí)際應(yīng)用中還需要轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)系，圖5 中機(jī)器人自身坐標(biāo)與世界坐標(biāo)的夾角為α。假設(shè)機(jī)器人在世界坐標(biāo)系的速度和角速度為： Vx′ 、Vy′ 、W。

可以推出：

因此，可以推出機(jī)器人相對(duì)于自身坐標(biāo)系下的速度與機(jī)器人相對(duì)于全局坐標(biāo)系下的速度之間的變換關(guān)系為一個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣：

因此兩個(gè)坐標(biāo)系的變換可寫(xiě)成：

再代入最開(kāi)始的矩陣得到：

通過(guò)此方程即可以將場(chǎng)地的速度與輪子的速度連接起來(lái)，根據(jù)這個(gè)算法將輪子的速度計(jì)算出來(lái)，由此可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制輪子的運(yùn)動(dòng)^[3]。

坐標(biāo)移動(dòng)方式可分為相對(duì)坐標(biāo)移動(dòng)與絕對(duì)坐標(biāo)移動(dòng)，相對(duì)坐標(biāo)移動(dòng)是以機(jī)器人自身作為坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的中心向任意方向運(yùn)動(dòng)；絕對(duì)坐標(biāo)移動(dòng)是以運(yùn)動(dòng)空間中的某一個(gè)點(diǎn)作為坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的中心向任意方向運(yùn)動(dòng)。

程序上的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)LabVIEW Robotics Steering 模塊提供的移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)解算算法。通過(guò)配置輪式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速搭建框架。不需要學(xué)習(xí)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)中枯燥乏味的算法就能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同輪式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)。

3輪全向輪運(yùn)動(dòng)框架的配置需要切換到程序框圖，右擊彈出函數(shù)面板（如圖6）。myRIO ? Robotics Algorithms ? Steering ? Configure，調(diào)用編寫(xiě)搭建運(yùn)動(dòng)模型所需的函數(shù)。用myRIO 自帶的快速VI 編寫(xiě)，這樣會(huì)更加方便快捷。

進(jìn)入配置頁(yè)面，配置移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)框架模塊可以創(chuàng)建不同的運(yùn)動(dòng)框架（圖7），例如：兩輪差動(dòng)模型[4]、三輪全向輪、四輪全向輪等。

圖6 調(diào)用配置框架快速VI

圖7 配置框架

不同轉(zhuǎn)向類(lèi)型配置欄里的選項(xiàng)也會(huì)不一樣， 這里以User Defined（ 用戶定義）類(lèi)型進(jìn)行說(shuō)明，分別有Wheel Type（輪子類(lèi)型）、Wheel Name（輪子名稱）、X position（輪子X(jué) 坐標(biāo)）、Y position（輪子Y 坐標(biāo)）、WheelRadius（輪子半徑）、Gear Ratio（ 齒輪比） 和Frame Angle（輪子夾角）。這里顯示配置輪子的數(shù)量，不同的轉(zhuǎn)向類(lèi)型輪子數(shù)量也不一樣，右下方的3 個(gè)按鈕可以對(duì)輪子進(jìn)行添加、刪除、復(fù)制等。點(diǎn)擊不同輪子可以進(jìn)行輪子的配置，在調(diào)用的畫(huà)面中會(huì)顯示輪子的布局以及每個(gè)輪子的大小與角度等。對(duì)于3 輪全向移動(dòng)系統(tǒng)的配置，轉(zhuǎn)向類(lèi)型選擇User Defined（用戶定義），旋轉(zhuǎn)單位選擇Degrees（度），再在輪子列表中添加兩個(gè)輪子，變成3 輪全向移動(dòng)系統(tǒng)。

配置完底盤(pán)控制框架后，我們將配置框架、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解算、正運(yùn)動(dòng)學(xué)解算以及電機(jī)速度環(huán)連接起來(lái)。正運(yùn)動(dòng)學(xué)通過(guò)電機(jī)編碼器解算出當(dāng)前機(jī)器人在機(jī)體坐標(biāo)系下的矢量速度；逆運(yùn)動(dòng)學(xué)負(fù)責(zé)解算設(shè)定機(jī)體坐標(biāo)系下的速度，得到每個(gè)輪子電機(jī)的矢量速度，從而實(shí)現(xiàn)3 輪機(jī)器人底盤(pán)的運(yùn)動(dòng)控制（圖8）。

圖8 程序

參考文獻(xiàn)：

[1] 丁力,吳洪濤,李興成,周宇.移動(dòng)機(jī)器人的最優(yōu)軌跡跟蹤控制研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2020(02):271-274.

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[3] 牟學(xué)剛,朱勁,蔣平.三輪全向足球機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)模型研究[J].機(jī)械與電子,2006(5):38-41.

[4] 黃永志,陳衛(wèi)東.兩輪移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)器人,2004,26(1):40-44.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年5月期）