基于變形輪的多功能作業(yè)機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

劉帥，陳少南，李兵

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

目前，我國的破拆工程機械基本上采用人工操作方式，這不僅要求駕駛員具有較高的駕駛水平，而且作業(yè)的勞動強度較大。而智能化的多功能作業(yè)機器人由于其安全可靠、工作靈活、勞動生產(chǎn)率高，已經(jīng)越來越被人所需求。多功能作業(yè)機器人的發(fā)展與控制系統(tǒng)密不可分，控制系統(tǒng)的優(yōu)劣直接決定機器人工作性能的高低，因此設(shè)計一個智能化且穩(wěn)定可靠的多功能作業(yè)機器人控制系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實與理論意義。

1 基于變形輪的多功能作業(yè)機器人控制系統(tǒng)設(shè)計總體設(shè)計

1.1 控制系統(tǒng)功能

控制系統(tǒng)需要具有以下功能：①智能化程度高：機器人應(yīng)可以自主作業(yè)、自主導(dǎo)航，在人員不干預(yù)的情況下滿足作業(yè)需求；②可靠性高：機器人控制系統(tǒng)可靠性要高，滿足機器人惡劣環(huán)境下工作需求；③系統(tǒng)抗干擾能力強：由于機器人作業(yè)工況復(fù)雜且惡劣，需要機器人在強干擾工況下，也可以維持一定的作業(yè)及撤離功能。

1.2 控制系統(tǒng)組成

基于變形輪的多功能作業(yè)機器人控制系統(tǒng)主要由本地操作端、遠端操作端、遠端監(jiān)控端及機器人本體控制端組成。

本地操作端可以實現(xiàn)人工手動操作機器人本體及機械臂運行，完成指定的作業(yè)需求。遠端操作端可以通過遠端監(jiān)護端配合手動操作端完成作業(yè)，除此之外也可以通過發(fā)送自主作業(yè)的命令，使機器人自主導(dǎo)航、自主作業(yè)[1]。

1.3 控制系統(tǒng)的主要原理

基于變形輪的多功能作業(yè)機器人控制系統(tǒng)的核心組成部分為：機械臂運動軌跡規(guī)劃、車體SLAM導(dǎo)航、變形輪形變及運動控制以及遠端操作系統(tǒng)設(shè)計。

在機械臂運動軌跡規(guī)劃方面，由于機器人機械臂采用二連桿的結(jié)構(gòu)。我們采有解析法進行求解空間位置。二連桿對應(yīng)的角位置分別為（φ0+φ）（Ψ0+Ψ），求出各桿桿長a、b、c、d與兩連架桿轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系。

根據(jù)坐標(biāo)系和各桿矢量方向，將各桿分別在X、Y軸上投影得：

將上式兩式移項后分別平方相加，消去β，并整理得：

并帶入式（3）得：

上式即為二連桿的位置方程，式中共有五個待定參數(shù)。根據(jù)空間位置及各個臂的長度即可求出機械臂之間的關(guān)節(jié)角度，并通過裝在機械臂上的傾角傳感器得到機械臂之間實際的關(guān)節(jié)角，通過構(gòu)成閉環(huán)控制來自動控制機械臂的空間位置。

在SLAM導(dǎo)航方面，通過激光掃描儀、雙目相機及毫米波雷達來獲得外部環(huán)境信息，基于ROS操作系統(tǒng)來實現(xiàn)車體的自動導(dǎo)航控制[2]。

在變形輪形變及運動控制方面，通過液壓比例控制及變形輪位置檢測技術(shù)，來實現(xiàn)變形輪如圖1所示的圓形及三角形的形變。

2 基于變形輪的多功能作業(yè)機器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

車體液壓控制采用RC控制器，RC系列控制器是德國力士樂公司開發(fā)的專用控制器。導(dǎo)航控制選用Nuvo-6108GC，其可靠性好并配有專用GPU可以滿足導(dǎo)航控制需求。本地操作端，采用成熟的無線操作技術(shù)，并把機器人復(fù)雜的操作指令集成化，可以進行簡單的操作。遠端操作端，通過無線通信實現(xiàn)機器人的遠端遙控操作[3]。

3 基于變形輪的多功能作業(yè)機器人控制系統(tǒng)主要模塊設(shè)計

3.1 本地操作模塊設(shè)計

本地操作模塊，主要通過無線CAN的形式來進行設(shè)備的操作。通過手持操作終端對設(shè)備進行操作，操作終端功能設(shè)計。

實際設(shè)計使用功能圖如圖2所示。

通過此操作終端，可以實現(xiàn)機器人變形輪、機械臂及動作作業(yè)頭的復(fù)合動作，并最終實現(xiàn)機器人的本地手動操作。

3.2 車體本地控制模塊設(shè)計

（1）手動控制模塊設(shè)計。整車手動控制分為上下車模塊，上車模塊CM1下車模塊CM2，下車模塊作為采集端子及通訊轉(zhuǎn)發(fā)，上車模塊進行液壓邏輯控制、導(dǎo)航控制器數(shù)據(jù)交互及遠程數(shù)據(jù)交互等功能。上下車控制器之間通過電滑環(huán)的方式進行數(shù)據(jù)的交互。

（2）機械臂軌跡規(guī)劃設(shè)計。根據(jù)1.3內(nèi)容，已經(jīng)清楚機械臂軌跡規(guī)劃的基本方法。本設(shè)計的算法實現(xiàn)是通過Labview中的c接口進行實現(xiàn)。機械臂運行的空間位置，通過車體上安裝的激光掃描儀來獲取機械臂的目標(biāo)位置的坐標(biāo)[4]。

（3）變形輪形變及運動控制設(shè)計。由于變形輪在圓形模式下可以高速運行，在三角模式下如果高速運行，會對機器人及輪子本體造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷，所以判斷變形輪的形態(tài)及檔位十分重要?，F(xiàn)有變形輪鑒于空間及強度的限制，識別變形輪的形變及檔位的方式，主要通過油路壓力及位置開關(guān)。在變形輪的四驅(qū)行走控制方面，主要采用的控制方式為：通過液壓同步使左側(cè)兩個變形輪與右側(cè)兩個變形輪分別速度相同，并分別通過裝在四個輪子上的編碼器讀取變形輪速度。并得出左側(cè)均速和右側(cè)均速，通過差動控制的方式，來實現(xiàn)車體轉(zhuǎn)向[5]。

3.3 遠端操作端設(shè)計

（1）遠端操作界面設(shè)計。遠端操作界面如圖3所示，主要可以實現(xiàn)：機器人運動狀態(tài)檢測、機器人機械臂運行控制、機器人軌跡規(guī)劃、機器人三維狀態(tài)仿真、機器人報警狀態(tài)顯示等功能。

（2）遠端監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計。遠端監(jiān)控系統(tǒng)通過ONVIF協(xié)議和無線通信，實現(xiàn)了機器人上半球相機、云臺相機及耐輻照相機的集成和控制[6]。

4 結(jié)語

本文所設(shè)計的基于變形輪的多功能作業(yè)機器人控制系統(tǒng)已經(jīng)調(diào)試完成，并可以實現(xiàn)機器人在核電應(yīng)急、冶金、水泥、隧道施工、搶險救援等領(lǐng)域作業(yè)的需求，有重要的現(xiàn)實意義。并對開發(fā)其他相關(guān)多功能作業(yè)機器人系統(tǒng)設(shè)計具有一定的參考價值。