基于開源控制軟件的youBot 小型移動機(jī)器人

KUKA youBot 是一種小型移動機(jī)器人，它具有開源的控制程序，適用于科學(xué)研究和教學(xué)應(yīng)用。機(jī)器人由一個移動平臺和一個機(jī)械臂組成，這兩部分都由Maxon 電機(jī)驅(qū)動。

對于一位學(xué)習(xí)機(jī)器人技術(shù)的學(xué)生來說，一步步地教會機(jī)器人一些動作，執(zhí)行自己編寫的程序是一個非常棒的學(xué)習(xí)機(jī)會和激動人心的挑戰(zhàn)。位于德國奧格斯堡的KUKA 公司基于這種想法研發(fā)了youBot 機(jī)器人，用來支持科研教學(xué)應(yīng)用。它的移動操縱器由開源軟件控制，在5 個自由度上面有著全方位機(jī)器人技術(shù)。在這種機(jī)器人推出市場后僅僅兩年，就成為在移動操縱領(lǐng)域的教育和科研應(yīng)用平臺。

youBot 機(jī)器人由一個可全方位移動的底座和一至兩個安裝在底座的機(jī)器臂組成。底座里面還有一個工控機(jī)和一個電池。通過EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)，工控機(jī)可以實(shí)時地(周期為1 ms)向它的9 個驅(qū)動裝置傳達(dá)信息，這9 個驅(qū)動裝置由電流控制、速度控制和位置控制控制。機(jī)器人平臺和機(jī)器臂可以互相獨(dú)立使用。youBot 機(jī)器人長53 cm，寬36 cm，高約11 cm，有4 個萬向輪。這些特殊的輪子在其平面的45°方位上安裝有滾動裝置，如圖1 所示，使得youBot 機(jī)器人在任何時候都可以同時進(jìn)行平移和轉(zhuǎn)體動作。這樣就使youBot 機(jī)器人進(jìn)行側(cè)移和斜移等全方向移動成為可能。

圖1 youBot 小型移動機(jī)器人及其滾輪

安裝在平臺上的機(jī)器臂長約66 cm。機(jī)器臂末端的兩指夾鉗可夾運(yùn)最寬7 cm、重500 g 的物品。機(jī)器臂由5 個關(guān)節(jié)組成，每個關(guān)節(jié)均由電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動。在其中，研究人員使用了電機(jī)-齒輪頭-編碼器組合。

youBot 機(jī)器人中的空間非常有限，機(jī)器臂和底座中還要裝入幾個電機(jī)和行星齒輪頭，特殊研發(fā)的行星齒輪頭有利于最大限度的自由移動。研究人員在機(jī)器臂的關(guān)節(jié)處直接裝上這些部件來解決這個難題。Maxon 和KUKA 公司聯(lián)手研發(fā)了一種非常輕便、精細(xì)又牢固的特殊驅(qū)動，使得機(jī)器臂關(guān)節(jié)可以在行星齒輪頭周圍旋轉(zhuǎn)。

機(jī)器臂的關(guān)節(jié)部位共有5 個Maxon 無刷扁平型電動機(jī)(EC45 flat，EC32 flat)，如圖2 所示，用于連接特殊的齒輪頭和編碼器。平臺上使用了4 個EC45 無刷扁平型電機(jī)。EC45 無刷扁平型電機(jī)設(shè)計(jì)簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，具有高阻力矩，盡管重量只有46 ～110 g，但其輸出功率有15 ～50 W。位置編碼器連接在關(guān)節(jié)處，用于測量機(jī)器臂的關(guān)節(jié)角度。

圖2 無刷扁平電動機(jī)

KUKA 公司的youBot 機(jī)器人的制作研發(fā)，雖然還處于初始階段，但是它已經(jīng)在機(jī)器人研發(fā)的過程中被視為一個里程碑。這個創(chuàng)新使KUKA 公司開始進(jìn)軍研究市場和支持機(jī)器人團(tuán)體的技術(shù)交流。機(jī)器人基于Linux 系統(tǒng)的開源控制程序?yàn)檠芯咳藛T和科學(xué)家提供了實(shí)驗(yàn)操作的高自由度。