四足機器人全向輪行走及拋投控制系統(tǒng)設(shè)計

趙曉艷 張超 馬艷娥 張強

摘要：機器人的發(fā)展是未來發(fā)展必然趨勢的其中之一，全方位移動式機器人更是智能機器人這一領(lǐng)域的一個重要組成。本課題設(shè)計是應全國大學生機器人大賽（ROBOCON賽事）規(guī)則的要求，設(shè)計制造一款四個全向輪的機器人，采用STM32F407VET6作為主控制器，對其行走機構(gòu)和拋投機構(gòu)做了研究。其中四輪全向輪機器人的行走移動機構(gòu)，采用了多傳感器融合定位，以保證可靠準確的抵達最初設(shè)定的位置。通過拋投機構(gòu)抓取拐骨、翻轉(zhuǎn)并將拐骨投擲到投擲區(qū)且平穩(wěn)的著落，并對機構(gòu)進行實驗驗證。

關(guān)鍵詞：全向輪;拋投;機器人;機構(gòu)控制

1? 緒論

第十八屆全國大學生機器人大賽（ROBOCON賽事）是以“快馬加鞭”為中心主題，舉辦大學生機器人賽事。如今，第四次工業(yè)革命以大數(shù)據(jù)為核心，信息在不知不覺中高速傳遞，促使互聯(lián)網(wǎng)在思維邏輯上形成了單一且巨大的信息在網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)全球化，能使我們不受空間限制，并且可以通過多種多樣的形式來進行信息的交換。

2? 系統(tǒng)總框架設(shè)計

底盤行走機構(gòu)和拋投機構(gòu)的方案

本次的行走機構(gòu)采用的是四輪底盤。四輪車體不僅僅滿足了移動機器人在平面上對三個自由度（橫向、縱向和旋轉(zhuǎn)）一定的需求，同樣較三輪底盤，增加一個驅(qū)動輪就意味著增加了機器人的系統(tǒng)穩(wěn)定性，增加了機器人的整體承重能力，同時減少了每個全向輪垂直方向上的負荷，也提高了機器人移動的速度與穩(wěn)定性[1]。

根據(jù)比賽規(guī)則，“機器信使1”必須按照場地原有的白線引導線標明的路線行駛，要求“機器信使1”以最短的時間和最優(yōu)的路徑繞過森林，穿過橋梁，抵達交接位置，用最短的時間完成交接，縮短實現(xiàn)任務時間。

“機器信使1”從龍門驛出發(fā)，通過繞半圓圓弧的方式穿過森林，車身正直穿過橋梁，然后轉(zhuǎn)向走過界線1交接令牌，并抓取獸骨走到投擲區(qū)內(nèi)準備投擲。

“機器信使1”雖然可以手動操作，但是為了以最快的速度和最高的效率完成任務，“機器信使1”要求基本實現(xiàn)全自動，只做少部分的人為干預，所以“機器信使1”必須知道自己當前所處的位置，以及自己下一步的運動方向。“機器信使1”的主MCU通過定位系統(tǒng)返回的數(shù)據(jù)進行分析、計算，然后控制動力系統(tǒng)按照既定的行進方向繼續(xù)行進。

“機器信使1”在將令牌交接給“機器信使2”后，“機器信使2”抵達高山驛后，“機器信使1”才可以進入投擲區(qū)進行投擲拐骨。由于獸骨的形狀是不規(guī)則的形狀。首先需要平穩(wěn)的抓起獸骨，并以最快的方式轉(zhuǎn)交到拋投機構(gòu)上，所以設(shè)計的方案便是抓取機構(gòu)即為拋投機構(gòu)，“機器信使1”上有一個氣缸推動的導軌平臺，將拋投機構(gòu)安裝到平臺上，從車尾抓到獸骨，將獸骨翻轉(zhuǎn)到車身前，到達發(fā)射區(qū)的最前端，將平臺推到極限位置，然后通過氣缸將獸骨推進著陸區(qū)，盡最大可能一次性得到最高分。

3? 各機構(gòu)硬件設(shè)計方案

3.1 全向輪底盤硬件設(shè)計

全向輪底盤采用的四輪設(shè)計，四輪底盤可以在繞圓弧的時候提供更大的向心力，以抵消機器人本身的慣性，保證可以平穩(wěn)快速的穿過森林區(qū)域。底盤上的動力來自MAXON的RE40伺服電機，其功率達到了150W，并配以14∶1的行星減速箱，在提供強勁動力的同時還可以提供做夠大的扭矩，來保證重20公斤的機器人可以快速啟動、快速行進。

伺服電機后配有500線高精度編碼器，可以將電機轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速發(fā)送給伺服電機驅(qū)動盒，驅(qū)動盒將電機返回的數(shù)據(jù)與主控MCU設(shè)定的數(shù)據(jù)進行比對，并進行補償，從而達到速度的精準控制。

全向輪采用的是直徑127mm大尺寸的輪。此全向輪由雙排44個橡膠材質(zhì)的小輥輪，套在輥子軸和軸承上，輪轂采用輕質(zhì)高強度鋁合金，在提高負載能力的同時減輕輪子自身的重量。大尺寸的全向輪在電機提供強勁動力的時候，輪子可以提供更快的速度[2]。

電機編碼器采用安華高光500線編碼器，編碼器是AB項光電式的，它是512線編碼器，即電機每轉(zhuǎn)一圈，AB項都會發(fā)出512個脈沖。所以，單個編碼器的測量精度為0.72°。

電機的控制采用Robomodule直流伺服電機驅(qū)動器。有多種開環(huán)和閉環(huán)的運動模式，其中速度位置雙閉環(huán)模式更適合四輪全向輪機器人的移動，再配合高分辨率的編碼器，可以使機器人的運動更為精準[3]。

全向輪底盤的運動就是將整個機器人的運動方向分解成四個全向輪的移動方向，所以需要知道機器人的位置和當前速度與四個輪子速度和轉(zhuǎn)向之間的關(guān)系。

3.2 傳感器的設(shè)計

選用HPS-167-L TOF測距傳感器來判斷機器人與圍欄之間的距離，TOF測距傳感器有個很明顯的缺點是存在發(fā)射角度太大，容易丟失數(shù)據(jù)，需要另外的傳感器來補償這一盲區(qū)。選用光電開關(guān)彌補誤差，反應靈敏，可以捕捉快速通過的物體，靈敏度可調(diào)，內(nèi)置抗干擾芯片。四輪全向輪機器人整體系統(tǒng)采用24V供電，降壓到5V，再經(jīng)AMS1117-3.3V穩(wěn)壓芯片輸出3.3V給傳感器和MCU供電。

在傳感器的電路設(shè)計中，雙輪全場定位系統(tǒng)采用IIC與主控MCU通信;TOF測距傳感器也采用TTL與主控MCU通信;采用光電開關(guān)選用PNP型，12V供電，只需一個I/O采集高低電平即可。

四輪全向輪機器人的定位系統(tǒng)使用的雙輪全場定位系統(tǒng)安裝在底盤的任意位置，通過算法補償雙輪全場定位系統(tǒng)與機器人中心的差距;使用的TOF測距傳感器角度達到了1.6°，當機器人距圍欄較遠的時候，會散射到圍欄外，從而丟失數(shù)據(jù)，因此采用光電開關(guān)彌補超聲波測距角度的不足。定位系統(tǒng)中，需要在四輪全向輪機器人上安裝1個雙輪全場定位系統(tǒng)、2個TOF測距傳感器、2個光電開關(guān)。

3.3 拋投機構(gòu)的設(shè)計

拋投機構(gòu)包含了拐骨的抓取、翻轉(zhuǎn)和拋投。為了保證抓取和拋投的快速和準確，采用氣動方式進行抓取和拋投。拐骨的翻轉(zhuǎn)力矩較大，使用電機翻轉(zhuǎn)需要電機的扭矩很大，利用巧妙的鏈條結(jié)構(gòu)增大扭矩，從而使拐骨可以用很小的力就可以翻轉(zhuǎn)過來。

氣動采用了三個五位三通的電磁閥控制氣缸的運行，左側(cè)電磁閥控制拐骨的抓取，中間電磁閥控制整個拋投機構(gòu)的推出，右側(cè)電磁閥控制拐骨的拋投。

因為選擇的24V的電磁閥單電控五位三通電磁閥，主控MCU的信號是3.3V，所以不能直接控制電磁閥的運動[4]，需要設(shè)計一個電磁閥驅(qū)動來控制電磁閥。雖然三極管不能阻斷電路，電磁閥會有少量的電流回流到主控MCU中，影響主控MCU的運行，所以將三極管換成了具有阻斷電路的光耦，在不影響放大電流的情況下，可以很好的起到阻斷電路的作用。

為了減少電磁閥驅(qū)動占用過多的主控MCU的引腳，電路中利用上下拉電阻設(shè)計了反向，所以一個引腳就可以控制一個電磁閥的通斷。

4? 機構(gòu)控制設(shè)計方案

本次設(shè)計使用到了一條CAN總線，用于與四個伺服電機的通訊。使用了三條USART，第一條USART與定位系統(tǒng)進行通訊，第二條USART與拋投機構(gòu)進行通訊，第三條接受其他傳感器返回的數(shù)據(jù)。

主控MCU的供電采用鋰電池供電，使用非隔離降壓模塊（BUCK）同步整流，將12.4V降到5V給主控MCU供電。CAN總線使用TJA1050 CAN高速收發(fā)器，主控MCU通過串行輸入口與串行輸出口與TJA1050收發(fā)器相連，通過TJA1050內(nèi)部電平轉(zhuǎn)換，再通過CAN_H和CAN_L通過廣播報文的形式發(fā)送出去，對應ID的伺服電機驅(qū)動盒接受對應的的報文消息。在整個CAN總線的末端都會加一個120Ω的終端電阻，CAN_H和CAN_L兩根線以雙絞線的形式并聯(lián)在四個驅(qū)動盒上，終端電阻與雙絞線形式保證了數(shù)據(jù)信號在總線的兩端不會反射，保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

為了使各個MCU更為有效的進行工作，采用多機通信的方式來傳遞信息，IIC用于采集全場定位數(shù)據(jù)，主控MCU同位置感知從機MCU之間的通訊采用232通訊，防止了數(shù)據(jù)的丟幀。

四輪全向輪底盤定位采用雙閉環(huán)控制。外環(huán)控制為雙輪全場定位系統(tǒng)與電機驅(qū)動之間的閉環(huán)，內(nèi)環(huán)為電機驅(qū)動與電機位置和速度之間的閉環(huán)。電機上的光電式編碼器將電機的位置和轉(zhuǎn)速反饋到電機驅(qū)動器內(nèi)，電機驅(qū)動器在驅(qū)動器內(nèi)部將反饋值與目標值進行比對，得到偏差值，并對電機進行偏差的補償，此內(nèi)環(huán)控制可以對電機進行一個精準的控制。雙輪全場定位系統(tǒng)返回當前機器人在坐標系中的位置，然后與目標位置進行比較，得出位置的偏差，并對偏差進行補償，此外環(huán)控制可以對機器人的位置進行一個精準的控制。

機器人自身的旋轉(zhuǎn)會對雙輪全場定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生一個漂移，所以需要激光進行檢測圍欄的距離進行校準以此來消除誤差。在雙輪全場定位系統(tǒng)與激光的雙閉環(huán)下，四輪全向輪機器人可以實現(xiàn)自主行走，并自主進行校準，消除誤差。

雙輪全場定位系統(tǒng)通過卡爾曼濾波、互補濾波算法和A-Fusion算法將采集回來的數(shù)據(jù)進行濾波處理，得到一個可靠穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。設(shè)計出偏移量，然后輸入為速度PID的速度偏差值。位置PID通過編碼器光柵格返回的脈沖數(shù)量，計算出電機當前所轉(zhuǎn)動的角度，通過與給定的電機角度進行計算，計算出偏移量，然后輸入位置PID的位置偏差值。

5? 結(jié)論

本設(shè)計通過多傳感器融合，使得四輪全向輪機器人可以更準確的知道自己所處的位置，并且可以知道需要執(zhí)行哪一步任務，實現(xiàn)全自動化，減少人為干預，可以更加快速的完成任務。在調(diào)試過程中，出現(xiàn)了很多問題，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制設(shè)計密不可分，需要特別緊密的配合，雖然四輪全向輪機器人完成了相應的功能。希望在未來可以設(shè)計出更加穩(wěn)定，更加全能，更加高效的四輪全向輪機器人，并且可以運用在搶災、救險、運輸?shù)刃袠I(yè)中，推動未來科技的發(fā)展。

參考文獻：

[1]王江華，張莉，曾建學.球形全向移動自平衡機器人的建模與控制[J].實驗室研究與探索，2019（09）.

[2]劉勇，呂艷輝，白云裳.三輪全向輪機器人底盤控制與分析[J].中國新通信，2019（16）.

[3]王建彬，陳建平.一種輸入有界的四輪全向機器人軌跡跟蹤控制方法[J].現(xiàn)代計算機，2019（17）.

[4]丁權(quán)，馮金龍.輪式移動機器人軌跡跟蹤控制研究[J].科技創(chuàng)新與應用，2016（04）.