一種可重構(gòu)模塊化無人車設(shè)計(jì)

孫明 林志彥 嚴(yán)浩東 石浩楓

摘?要：為使機(jī)器人能夠更好地適應(yīng)不同的任務(wù)需要，研制了一種模塊化可重構(gòu)機(jī)器人，設(shè)計(jì)了機(jī)器人基礎(chǔ)模塊，并進(jìn)行了承載力的有限元分析，有針對(duì)性地對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和改進(jìn)，提升了機(jī)器人運(yùn)行的平滑性，減少了磨損。實(shí)驗(yàn)表明，該機(jī)器人可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的無人車，執(zhí)行多種功能，提高了任務(wù)適用性，降低了使用成本和維護(hù)成本。

關(guān)鍵詞：可重構(gòu);模塊化;機(jī)器人

1 緒論

傳統(tǒng)機(jī)器人多為滿足特定場景、特定條件而被設(shè)計(jì)成不可更改的結(jié)構(gòu)形式，雖然能較好地完成當(dāng)前應(yīng)用背景的任務(wù)，但這種對(duì)環(huán)境的極高適應(yīng)度也導(dǎo)致其通用性降低，難以滿足使用者不斷變化的需求。隨著信息產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步和國家大力推進(jìn)工業(yè)4.0，用戶對(duì)于產(chǎn)品個(gè)性化的需求不斷增加，工業(yè)產(chǎn)品呈現(xiàn)出小批量、定制化的趨勢(shì)?？芍貥?gòu)模塊化機(jī)器人MRRS（Modular reconfigurable robot system）具有靈活改變構(gòu)型以適應(yīng)不同的任務(wù)需求的特點(diǎn)，能夠更好地滿足新產(chǎn)業(yè)背景下柔性生產(chǎn)的要求和多用途環(huán)境下不同任務(wù)需求，能夠?yàn)槠髽I(yè)節(jié)約設(shè)備成本，縮短生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品迭代率，近年一直是機(jī)器人領(lǐng)域重要的研究方向。

2 國內(nèi)外研究綜述

可重構(gòu)模塊化機(jī)器人與傳統(tǒng)機(jī)器人具有以下特征：一是可重構(gòu)機(jī)器人的控制、驅(qū)動(dòng)電路能嵌入各關(guān)節(jié)模塊中，使得每個(gè)模塊具有自治性，集驅(qū)動(dòng)、控制、通信于一體;二是機(jī)器人構(gòu)型的多樣性和模塊的獨(dú)立性為可重構(gòu)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)分布式控制提供了必要條件，可有效地提高系統(tǒng)應(yīng)用的效率和方便性。

美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)[1]（1988）較早對(duì)可重構(gòu)模塊化機(jī)器人系統(tǒng)開展了研究，但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，存在自重較大、構(gòu)型變化較少的問題;德國宇航中心通過關(guān)節(jié)的模塊化設(shè)計(jì)，研發(fā)了輕質(zhì)化的LWR-II機(jī)器人[2];德國SCHUNK公司的PowerCube系列模塊化機(jī)器人[3]實(shí)現(xiàn)了較為成功的商業(yè)化，并在不斷迭代改進(jìn)當(dāng)中。國內(nèi)的科研機(jī)構(gòu)和學(xué)者對(duì)于模塊化結(jié)構(gòu)的理論研究和應(yīng)用做了相關(guān)的研究，將機(jī)器人的可重構(gòu)單元分為輔助單元、旋轉(zhuǎn)單元和擺動(dòng)單元三種類型，利用組合數(shù)學(xué)理論分析了其裝配特性（鄭浩軍、王勁松、李鐵民[4]，2003）。利用拉格朗日方程對(duì)可重構(gòu)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，驗(yàn)證了可重構(gòu)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的合理性（王衛(wèi)忠[5]，2007）。國內(nèi)外對(duì)于可重構(gòu)模塊化機(jī)器人的研究大多集中于機(jī)械手類型的機(jī)器人，無人車的研究和應(yīng)用較少，多數(shù)研究集中于軍事領(lǐng)域，如愛沙尼亞Milrem公司研發(fā)的模塊化混合動(dòng)力無人車THEMIS[6]，通過更換任務(wù)模塊，可執(zhí)行多種任務(wù)。

3 可重構(gòu)無人車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在無人車的研發(fā)和應(yīng)用中，綜合應(yīng)用可重構(gòu)模塊化技術(shù)，將大大提升機(jī)器人的環(huán)境及功能適應(yīng)性，降低各項(xiàng)成本，快速形成車族化、連續(xù)迭代的產(chǎn)品體系。本文設(shè)計(jì)的可重構(gòu)模塊化機(jī)器人（圖1）主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩部分組成，機(jī)器人通過模塊之間的機(jī)械連接，方便快捷的構(gòu)建出不通用途的功能性機(jī)器人，控制系統(tǒng)通過自檢識(shí)別出當(dāng)前的系統(tǒng)構(gòu)型，有針對(duì)性地對(duì)機(jī)器人進(jìn)行監(jiān)控和控制。

3.1 單元模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人的由若干個(gè)結(jié)構(gòu)相似、相對(duì)獨(dú)立的基本模塊單元連接而成，每個(gè)模塊都具有一定的功能，模塊與模塊之間可以實(shí)現(xiàn)快速連接和分離?？芍貥?gòu)模塊化機(jī)器人構(gòu)型可以任意變換，功能可根據(jù)任務(wù)需求進(jìn)行配置，進(jìn)行夾取、射擊等相應(yīng)的動(dòng)作。圖2展示了極端環(huán)境中，機(jī)器人裝上機(jī)械臂成為夾取機(jī)器人;圖3展示了在射擊比賽中，機(jī)器人裝上炮臺(tái)成為具有射擊能力的炮車機(jī)器人。此外，根據(jù)身處環(huán)境的不同，也可以對(duì)機(jī)器人底盤進(jìn)行擴(kuò)大或者縮小。

機(jī)器人的每個(gè)單元模塊具有獨(dú)立的功能，連接的單元模塊越多，機(jī)器人體積越大，功能越復(fù)雜。圖4展示了由10個(gè)不同模塊組成的3*3+1機(jī)器人模型，這種結(jié)構(gòu)下的機(jī)器人占地面積最小，結(jié)構(gòu)最緊湊，適合用于執(zhí)行一些工作空間相對(duì)較小的任務(wù);圖5展示了由13個(gè)不同模塊組成的3*4+1機(jī)器人模型，相對(duì)于前者來說，這種構(gòu)型功能更復(fù)雜，可以加裝各種任務(wù)所需的傳感器，功能更全面。

基本單位模塊是可重構(gòu)模塊機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和操作產(chǎn)生的基礎(chǔ)。一個(gè)模塊需要實(shí)現(xiàn)快速的連接和分離。同時(shí)，模塊之間的連接不得發(fā)生干涉。為了實(shí)現(xiàn)上述重構(gòu)變種，基本單位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下特性：

（1）良好的重構(gòu)性與兼容性，各模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相同;

（2）結(jié)構(gòu)緊湊、小體積及輕量化;

（3）高效可靠的連接分離;

（4）電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、可靠的連接。

為了滿足上述單元模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的基本要求，提出了一種正方體的基本單元模塊，正方體的四個(gè)側(cè)面為連接平面，每個(gè)連接平面上有4個(gè)圓柱形銣磁鐵，可以讓兩個(gè)單元模塊之間呈0°、90°、180°、270°連接，當(dāng)兩個(gè)單元模塊相互靠近時(shí)，利用磁力吸附來實(shí)現(xiàn)并維持連接狀態(tài)，磁力的對(duì)中性可以在實(shí)現(xiàn)快速連接的同時(shí)保證自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)。此外，雖然磁性連接在磁鐵柱軸向具有很強(qiáng)的連接能力，但是對(duì)連接面徑向的載荷承受能力較弱。如圖6所示，為了避免磁力連接因收到徑向分力而斷開，將連接面1、連接面3上安裝銣磁鐵的圓柱孔位加深，同時(shí)增大連接面2、連接面4上的銣磁鐵柱的高度，從而增加兩者的有效接觸長度。利用類似長軸（銣磁鐵柱）與深孔（連接孔）的配合來承受模塊單元之間的彎矩，提高連接的可靠性。

運(yùn)動(dòng)模塊。由于可重構(gòu)模塊化機(jī)器人經(jīng)常用于代替人工前往極端環(huán)境執(zhí)行任務(wù)，因此在機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)過程中，經(jīng)常受到時(shí)間、空間等條件的限制，導(dǎo)致機(jī)器人無法及時(shí)、高效地執(zhí)行任務(wù)指令。因此，應(yīng)盡量提高機(jī)器人在狹小空間內(nèi)橫向移動(dòng)、縱向移動(dòng)、斜向移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的能力。且因機(jī)器人的單元模塊較小，應(yīng)盡量減小運(yùn)動(dòng)模塊的體積。此外，為了方便單一運(yùn)動(dòng)模塊進(jìn)行檢修，應(yīng)盡量簡化運(yùn)動(dòng)模塊的整體結(jié)構(gòu)，做到每個(gè)運(yùn)動(dòng)模塊的驅(qū)動(dòng)力矩獨(dú)立可控，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速易于測(cè)得。

綜上所述，運(yùn)動(dòng)模塊是可重構(gòu)模塊化機(jī)器人實(shí)現(xiàn)空間位置移動(dòng)的核心模塊之一，不僅要做到精確、高效的移動(dòng)，同時(shí)四個(gè)運(yùn)動(dòng)模塊之間不能相互干擾，因此，運(yùn)動(dòng)模塊在設(shè)計(jì)上應(yīng)滿足以下特點(diǎn)：

（1）較高的靈活度，較好的全方位移動(dòng)的能力;

（2）體積小，比功率大，傳動(dòng)效率高;

（3）穩(wěn)定性好，控制難度低;

（4）驅(qū)動(dòng)力矩獨(dú)立可控，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩易測(cè)得;

（5）結(jié)構(gòu)簡單，維修難度低。

為了滿足上述運(yùn)動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的基本要求，提出了以輪轂電機(jī)為核心的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)模型。其中輪轂電機(jī)選擇直流無刷電機(jī)，其具有傳統(tǒng)直流電機(jī)調(diào)速平滑、啟動(dòng)性能優(yōu)越等特點(diǎn);同時(shí)取消了傳統(tǒng)直流電機(jī)中易發(fā)生磨損的電刷和換向器結(jié)構(gòu)，采用霍爾傳感器完成電流轉(zhuǎn)向，從而大大延長了使用壽命。電機(jī)最高轉(zhuǎn)速可達(dá)15000r/min，最大電流19A，且配備了相關(guān)減速機(jī)構(gòu)，確保電機(jī)的安全性，同時(shí)方便轉(zhuǎn)速控制，最大輸出電流限制為15A。此外，同時(shí)因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)模塊對(duì)控制精度的要求較高，本文采用步進(jìn)電機(jī)來進(jìn)行輪轂的轉(zhuǎn)向控制，以保證機(jī)器人準(zhǔn)確無誤地到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn);但步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩較小，不適合較大、較快轉(zhuǎn)向，因此此模塊主要應(yīng)用于低速、低強(qiáng)度的任務(wù)環(huán)境，運(yùn)動(dòng)模塊轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)如圖7所示。

該運(yùn)動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)消除了極端環(huán)境對(duì)機(jī)器人應(yīng)用范圍的限制，使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)在狹窄的工作空間中全方位移動(dòng)，改善了可重構(gòu)的模塊機(jī)器人控制的靈活度。其中，全方位移動(dòng)指的是機(jī)器人從二維平面上的任意位置以任意方向移動(dòng)到當(dāng)前位置的能力，包括橫向運(yùn)動(dòng)、縱向運(yùn)動(dòng)、傾斜運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。

3.2 機(jī)器人承載能力有限元分析

對(duì)可重構(gòu)模塊化機(jī)器人的單個(gè)單元模塊的承載能力進(jìn)行有限元分析。該模塊化機(jī)器人單元模塊的模型由NX 10.0建模（模型如圖8、9所示），由NX10.0的“高級(jí)仿真”模塊進(jìn)行有限元分析。

3.2.1 環(huán)境

求解器：NX NASTRAN。

分析類型：結(jié)構(gòu)。

解算方案類型：SOL 101 線性靜態(tài)-全局約束。

線性：線性。

3.2.2 材料

解算方法1：ABS，密度為1.05～1.18g/cm3，收縮率為0.4%～0.9%，彈性模量值為2Gpa，泊松比值為0.394，吸濕性<1%，熔融溫度217℃～237℃，熱分解溫度>250℃。

解算方法2：鋼（steel），密度一般介于7，750至8，050kg/m3，彈性模量：2.06×10e5MPa，泊松比值為：0.25～0.3。

3.2.3 載荷

載荷大?。?8N，載荷方向：沿z軸方向垂直線下（具體如下圖所示）。

3.2.4 結(jié)果

通過對(duì)解算方案的求解，得以下兩個(gè)模型應(yīng)力云圖，最終確定，在機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，負(fù)載較小的情況下，可以采用ABS工程塑料作為結(jié)構(gòu)材料，當(dāng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜，負(fù)載較大的情況下，需要采取鋼材作為結(jié)構(gòu)材料。

4 可重構(gòu)無人車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮到機(jī)器人在極端環(huán)境下可能會(huì)遇到的情況，需要保證機(jī)器人能夠安全、可靠的運(yùn)行，需要增強(qiáng)其魯棒性，減少維護(hù)成本。

4.1 運(yùn)動(dòng)模塊輪轂角度實(shí)時(shí)控制策略

因輪轂轉(zhuǎn)向角的初始化指令只會(huì)在可重構(gòu)模塊化機(jī)器人啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行一次，而在機(jī)器人運(yùn)行過程中，可能會(huì)由于路面不平整、傳感器出錯(cuò)而產(chǎn)生計(jì)劃之外的碰撞導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)模塊輪轂角度偏移，若不及時(shí)矯正，便會(huì)出現(xiàn)累計(jì)誤差。

因此，本文考慮對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)行閉環(huán)控制策略。如圖10所示，這種策略中，主控模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、讀取角度傳感器返回值，同時(shí)根據(jù)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)指令計(jì)算角度偏差，并向運(yùn)動(dòng)模塊發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令，即步進(jìn)電機(jī)應(yīng)前進(jìn)的步數(shù)，從而達(dá)到修正偏差的效果。運(yùn)動(dòng)指令和運(yùn)動(dòng)角度之間的關(guān)系滿足下式：

式中：s—步進(jìn)電機(jī)最終前進(jìn)的步數(shù);S—步進(jìn)電機(jī)細(xì)分后每圈的步數(shù);G—減速器的減速倍數(shù);θ—目標(biāo)運(yùn)動(dòng)角度;φ—傳感器返回值;φmax—傳感器最大返回值;φ0—角度零點(diǎn)。

4.2 運(yùn)動(dòng)模塊電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制策略

考慮到機(jī)器人運(yùn)作時(shí)，可能因速度的突然變化，導(dǎo)致加速度瞬間跳變，產(chǎn)生不必要的機(jī)械振動(dòng)，從而造成機(jī)械損傷。本文采用S形控制算法，如圖11所示，用以保證機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)平滑，從而增強(qiáng)機(jī)器人安全性，減少機(jī)械磨損，減小定位誤差。

如圖11所示，將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程分為加速、減速、勻速三個(gè)階段。在機(jī)器人啟動(dòng)后，機(jī)器人進(jìn)行變加速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)加速度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)恒定為一常數(shù)，從而保證加速階段的平穩(wěn)運(yùn)行。得出下式：

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的可重構(gòu)模塊化機(jī)器人，主要針對(duì)基本單元模塊與運(yùn)動(dòng)模塊進(jìn)行研發(fā)分析，實(shí)現(xiàn)了模塊間機(jī)械結(jié)構(gòu)上高效可靠的連接與拆分。針對(duì)單元模塊的承載能力和模塊間的連接能力進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，針對(duì)運(yùn)動(dòng)模塊輪轂轉(zhuǎn)向控制進(jìn)行了改進(jìn)，以保證輪轂多次轉(zhuǎn)向后沒有累計(jì)誤差，確保機(jī)器人平滑運(yùn)行，減少機(jī)械磨損，增加使用壽命。

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*通訊作者：孫明（1985—?），男，漢族，河南許昌人，碩士，助理研究員，研究方向：運(yùn)籌學(xué)、機(jī)器人調(diào)度與控制。