全地形移動機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計分析

陳俊超，李國臣

全地形移動機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計分析

陳俊超，李國臣

（東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 東莞 523808）

分析了地形適應(yīng)、站點識別、路徑導(dǎo)航、自動避障四個方面，簡要闡述了全地形移動機(jī)器人設(shè)計的功能需求。從底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計與機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計兩個角度入手，分析了全地形移動機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求，圍繞系統(tǒng)整體設(shè)計與分支模塊設(shè)計，研究了全地形移動機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計思路。

全地形移動機(jī)器人；機(jī)械臂；底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計；工業(yè)領(lǐng)域

隨著現(xiàn)代社會的不斷發(fā)展，自動化、智能化成為了工業(yè)領(lǐng)域變革發(fā)展的重要方向，機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中的作用也越來越突出。在此背景下，有必要對全地形移動機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計展開探究討論。

1 全地形移動機(jī)器人設(shè)計的功能需求

全地形移動機(jī)器人的應(yīng)用優(yōu)勢，在于“全地形”與“移動”兩個部分。一方面，在全地形的應(yīng)用背景下，機(jī)器人具備良好的路面適應(yīng)能力，可在復(fù)雜地形環(huán)境下執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的任務(wù)動作；另一方面，機(jī)器人在移動過程中，應(yīng)保持路線精準(zhǔn)，并可實現(xiàn)較高的工作效率與工作質(zhì)量?；诖?，對于全地形移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)設(shè)計，可總結(jié)出以下4點功能需求：①地形適應(yīng)的需求。即賦予機(jī)器人以爬坡、越障、原地轉(zhuǎn)向等運(yùn)動功能。②站點識別的需求。即保證機(jī)器人可在傳感系統(tǒng)的支持下，對現(xiàn)場環(huán)境的站點信息進(jìn)行精準(zhǔn)采集與識別，從而獲取并執(zhí)行相應(yīng)站點的任務(wù)動作。③路徑導(dǎo)航的需求，即保證機(jī)器人可根據(jù)預(yù)設(shè)的導(dǎo)航路徑，實現(xiàn)由當(dāng)前點到目標(biāo)點的順利移動。④自動避障的需求。即當(dāng)現(xiàn)場環(huán)境中存在無法爬、越的障礙物時，機(jī)器人可對其進(jìn)行快速檢測與識別，并靈活避讓。滿足這一功能需求，既有助于保證全地形移動機(jī)器人的運(yùn)行效率，也有助于為機(jī)器人以及現(xiàn)場人員、設(shè)施、設(shè)備的安全提供保障[1]。

2 全地形移動機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計

底盤結(jié)構(gòu)是全地形移動機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計核心，其既承擔(dān)著機(jī)器人的移動支持任務(wù)，也是機(jī)器人自重以及搬運(yùn)物質(zhì)量的負(fù)載基礎(chǔ)。一般情況下，全地形移動機(jī)器人的底盤結(jié)構(gòu)主要由行走機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、懸架機(jī)構(gòu)以及其他底盤零部件組成。

2.1.1 底盤行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計

基于全地形的移動特點與應(yīng)用需求，底盤行走機(jī)構(gòu)在設(shè)計上應(yīng)兼具穩(wěn)定的輪式運(yùn)行能力、靈活的轉(zhuǎn)向能力以及崎嶇路面的適應(yīng)能力。同時，在提出原地轉(zhuǎn)向的要求后，應(yīng)保證底盤行走機(jī)構(gòu)的最小轉(zhuǎn)彎半徑為0，這一設(shè)計思路主要與不通車輪的摩擦力作用有關(guān)。在同一坐標(biāo)系中，當(dāng)?shù)妆P前輪產(chǎn)生沿軸的向左摩擦力時，其后輪會同步產(chǎn)生沿軸的向右摩擦力。此時，如果前后輪的摩擦力達(dá)到對等，機(jī)器人即可實現(xiàn)原地的逆時針轉(zhuǎn)向，順時針同理。但需要注意的是，如果車輪選用傳統(tǒng)的單向橡膠車輪，機(jī)器人轉(zhuǎn)向時底盤前后輪會產(chǎn)生較大的滑動摩擦力，進(jìn)而會對機(jī)器人原地轉(zhuǎn)向的靈活性造成很大影響，且極易磨損車輪，不利于底盤結(jié)構(gòu)的應(yīng)用長壽性。

基于此，使用球形全向輪代替單向橡膠車輪，使滑動摩擦力變?yōu)闈L動摩擦力，可有效解決機(jī)器人原地轉(zhuǎn)向的阻力問題。全地形移動機(jī)器人底盤行走機(jī)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)由4個驅(qū)動輪、2個全向輪前輪和10個從動輪組成，每個全向輪輪轂的邊緣均勻分布5個從動輪，上方驅(qū)動結(jié)構(gòu)主要與驅(qū)動輪及全向輪輪轂中心連接，各從動輪不具備主動性、獨(dú)立性的動力支持。當(dāng)機(jī)器人移動時，驅(qū)動輪縱向發(fā)力，從動輪不轉(zhuǎn)動；當(dāng)機(jī)器人原地轉(zhuǎn)向時，全向輪輪轂發(fā)力，使從動輪圍繞輪轂軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，驅(qū)動輪不發(fā)力[2]。

2.1.2 底盤傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計

全地形移動機(jī)器人的底盤傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)主要包括動力系統(tǒng)與傳動系統(tǒng)兩個部分。其中，動力系統(tǒng)的主體部分為兩個直流電機(jī)，主要負(fù)責(zé)機(jī)器人移動過程中驅(qū)動力發(fā)出；傳動系統(tǒng)的主體部分為相互咬合、一體聯(lián)動的齒輪和聯(lián)軸器，主要負(fù)責(zé)動力系統(tǒng)所產(chǎn)生作用力的傳輸與放大。

在動力系統(tǒng)的設(shè)計中，主要應(yīng)根據(jù)機(jī)器人的質(zhì)量，以及底盤中各車輪的位置間隔進(jìn)行電機(jī)功率的合理選擇，以確保電機(jī)發(fā)出的作用力可驅(qū)動機(jī)器人穩(wěn)定、高效運(yùn)行；在傳統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計中，主要應(yīng)做好不同等級輸出錐齒輪、差速器輸出錐齒輪以及聯(lián)軸器的合理配置，并與左右兩側(cè)電機(jī)建立連接，以此實現(xiàn)力的有效傳遞。具體來講，首先要通過聯(lián)軸器將直流電機(jī)的輸出軸與一級輸出錐齒輪連接起來，再通過次級錐齒輪、差速錐齒輪的嚙合連接，將扭矩傳輸至懸架機(jī)構(gòu)處。這樣一來，便可構(gòu)成電機(jī)、齒輪組、聯(lián)軸器、懸架、車輪相互配合的作用力傳輸結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)全地形移動機(jī)器人的驅(qū)動與控制。

在底盤左右兩側(cè)電機(jī)同向、同速驅(qū)動運(yùn)轉(zhuǎn)時，移動機(jī)器人可進(jìn)行豎向的進(jìn)退動作；在底盤左右兩側(cè)電機(jī)反向驅(qū)動運(yùn)轉(zhuǎn)時，移動機(jī)器人便可進(jìn)行轉(zhuǎn)彎動作。在此基礎(chǔ)上，如果電機(jī)轉(zhuǎn)速相同，機(jī)器人就能實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。

2.1.3 底盤懸架機(jī)構(gòu)的設(shè)計

懸架機(jī)構(gòu)與車體、車輪相連，主要包含連桿、搖臂、滑塊等構(gòu)件，是滿足全地形移動機(jī)器人順利應(yīng)對崎嶇路面的運(yùn)動保障機(jī)構(gòu)。當(dāng)車輪移動時，不同部位的懸架連桿可進(jìn)行同步的轉(zhuǎn)動調(diào)整，以確保所有車輪均可與地面相接觸，并形成一定的減震效果。在底盤懸架機(jī)構(gòu)的設(shè)計實現(xiàn)中主要應(yīng)注意以下幾個問題：①懸架機(jī)構(gòu)并不是標(biāo)準(zhǔn)、固定的，其連桿數(shù)量、搖臂數(shù)量、系統(tǒng)構(gòu)型與底盤車輪的數(shù)量、車輪結(jié)構(gòu)的自由度、減震構(gòu)件的運(yùn)用等多種因素相關(guān)，任何因素發(fā)生改變，都會對懸架結(jié)構(gòu)的設(shè)計結(jié)果產(chǎn)生影響；②在全地形移動機(jī)器人的運(yùn)行過程中，機(jī)器人及搬運(yùn)物的質(zhì)量會經(jīng)由懸架機(jī)構(gòu)均勻地分散在各個車輪上。因此，在懸架機(jī)構(gòu)的材料選擇上，必須要保證充足的承載力、強(qiáng)度與剛度；③應(yīng)在保證懸架機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)的基礎(chǔ)上，盡量增加彈性減震構(gòu)件，以此降低機(jī)器人整體在越障、爬坡等過程中的顛簸程度，避免發(fā)生車體傾斜、傾倒等負(fù)面問題。

2.1.4 底盤其他零部件的設(shè)計

2.1.4.1 車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計

車體即底盤，即上方主體的框架結(jié)構(gòu)，其承擔(dān)著保護(hù)、裝載機(jī)械臂、行走機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、懸架機(jī)構(gòu)、車輪等結(jié)構(gòu)的重要職能。因此，在設(shè)計中要注重車體材質(zhì)、結(jié)構(gòu)的合理選配。結(jié)合當(dāng)前的材料市場來看，將45號鋼作為車體底板、側(cè)板、機(jī)械臂安裝板等關(guān)鍵部位的主要材質(zhì)，將鋁合金作為檢修孔面板、裝飾板等輔助部位的主要材質(zhì)，既能達(dá)成良好的設(shè)計性價比，也有助于減少鋼材的用量，從而降低全地形移動機(jī)器人的總質(zhì)量[3]。

2.1.4.2 車頭的設(shè)計

車頭是全地形移動機(jī)器人的“頭腦”，即軟件控制系統(tǒng)的主要安裝部位。這一部位對設(shè)計中強(qiáng)度、承載力等力學(xué)性能的要求較低，只需從空間規(guī)模、結(jié)構(gòu)布局上滿足各類系統(tǒng)器件的安裝需求就可以。

2.2 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

全地形移動機(jī)器人的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)采用單臂機(jī)器人進(jìn)行安裝設(shè)計，此類機(jī)器人具有基座、肩部、肘部以及3個腕部，共有6個自由度，且可在第3節(jié)腕部處安裝負(fù)載為5 kg左右的夾持結(jié)構(gòu)。將單臂機(jī)器人應(yīng)用到全地形移動機(jī)器人的設(shè)計當(dāng)中，既能滿足機(jī)器人攜帶一定質(zhì)量搬運(yùn)物的工作需求，又可直接應(yīng)用API函數(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行程序編制、軟件開發(fā)與總控系統(tǒng)連接，從而縮減一定的設(shè)計工作量，降低軟件的設(shè)計難度。

3 全地形移動機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

在全地形移動機(jī)器人的工作實踐中，其需要在磁條介質(zhì)的支持下，完成運(yùn)動路線的導(dǎo)航規(guī)劃、物料拿取與釋放的動作控制以及路線中各節(jié)點站點的有效識別。同時，為了最大化地發(fā)揮全地形移動機(jī)器人的應(yīng)用價值，還應(yīng)構(gòu)建針對機(jī)器人整體狀態(tài)的監(jiān)控機(jī)制，實現(xiàn)故障情況下機(jī)器人異常信息的及時傳輸與警報顯示，以便相關(guān)人員及時進(jìn)行現(xiàn)場檢查與維修處理，使機(jī)器人快速恢復(fù)性能并重新投入生產(chǎn)工作當(dāng)中。

基于此，將全地形移動機(jī)器人的軟件控制系統(tǒng)設(shè)為五層結(jié)構(gòu)：最頂層為系統(tǒng)的電腦控制中心，其負(fù)責(zé)任務(wù)程序的輸入、動作指令的發(fā)出與下層信息的反饋；第二層為多軸運(yùn)動控制卡，其與第三層相連，實現(xiàn)將系統(tǒng)指令轉(zhuǎn)化為明確的控制信號；第三層為I/O轉(zhuǎn)接板、SS11接口板與PFID讀卡器；第四層為指示燈、傳感器等元件、機(jī)械臂控制器、直流電機(jī)驅(qū)動器以及ID卡，其中，I/O轉(zhuǎn)接板主要與指示燈、傳感器等元件以及機(jī)械臂控制器相連，SS11接口板與直流電機(jī)驅(qū)動器相連，實現(xiàn)第二層控制信號的執(zhí)行驅(qū)動，RFID讀卡器與ID卡達(dá)成射頻連接，直接基于頂層電腦控制中心的預(yù)設(shè)程序，進(jìn)行站點及相關(guān)任務(wù)動作的識別與響應(yīng)；第五層為機(jī)械臂與直流電機(jī)，其分別與機(jī)械臂控制器、直流電機(jī)驅(qū)動器相連，支持并控制機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)動作。

3.2 控制系統(tǒng)的分支模塊設(shè)計

3.2.1 導(dǎo)航模塊設(shè)計

這一模塊是全地形移動機(jī)器人按照設(shè)定路線進(jìn)行移動的基礎(chǔ)系統(tǒng)，其主要通過磁導(dǎo)航傳感器實現(xiàn)路線信息的采集與響應(yīng)，具體的信息處理流程為“開始→采集傳感器信息→分析傳感器信息→移動機(jī)器人有無偏離路徑→是/否→調(diào)整機(jī)器人姿態(tài)，回到信息采集環(huán)節(jié)/繼續(xù)向前運(yùn)動→接收停止信號→結(jié)束”。

3.2.2 機(jī)械臂控制模塊設(shè)計

這一模塊以PFID射頻讀卡器與站點處ID卡的識別互動為基礎(chǔ)，實現(xiàn)機(jī)器人機(jī)械臂對相應(yīng)物品的拿取與釋放控制，具體的信息處理流程為“開始→識別動作信號輸入→識別動作信號類型→獲得拿取/釋放信號→執(zhí)行拿取/釋放動作→判斷拿取/釋放是否完畢→發(fā)送拿取完畢/釋放完畢信號→結(jié)束”。

3.2.3 識別模塊設(shè)計

這一模塊同樣以PFID射頻讀卡器與站點處ID卡的識別互動為基礎(chǔ)，是機(jī)械臂動作控制的先決條件，其信息錄入流程為“開始→RFID讀卡器讀取ID卡信息→信息格式檢查→格式正確/格式錯誤→錄入卡號并提示/提示卡號錯誤→選擇ID卡功能→存入數(shù)據(jù)庫”，信息處理流程為“開始→RFID讀卡器讀取ID卡信息→檢索、對比數(shù)據(jù)庫信息→確認(rèn)動作信號→輸入動作信號→結(jié)束”。

4 結(jié)論

綜上所述，保障和強(qiáng)化機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力與路徑運(yùn)動質(zhì)量，是全地形移動機(jī)器人設(shè)計的重點?；跈C(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，全地形移動機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制系統(tǒng)設(shè)計在導(dǎo)航、定位、動作執(zhí)行、環(huán)境響應(yīng)等方面尚存較大的研究與發(fā)展空間，可為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量發(fā)展、模式創(chuàng)新提供持續(xù)助推。

［1］馬芳武，倪利偉，聶家弘.主動懸架輪腿式全地形移動機(jī)器人俯仰姿態(tài)閉環(huán)控制［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34（20）：20-27.

［2］王奉晨.全地形輪式移動機(jī)器人設(shè)計與性能分析［D］.成都：西南交通大學(xué)，2018.

［3］強(qiáng)璐亞，陸袁博，王皖君.全地形機(jī)器人小車設(shè)計［J］.電子世界，2018（1）：129-130.

TP242

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.12.026

2095－6835（2020）12－0065－02

〔編輯：張思楠〕