工業(yè)機器人行走裝置設計制作及仿真

羅健寧，劉棣中，劉奇波

（1.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學院，廣西 南寧 530021；2.南寧精能發(fā)電設備有限公司，廣西 南寧 530033）

0 引言

一個國家制造業(yè)的發(fā)展直接反映這個國家的整體生產(chǎn)水平，而工業(yè)機器人是聯(lián)合了機械、電氣控制和網(wǎng)絡技術(shù)等多學科的高新技術(shù)產(chǎn)品，是自動化和智能化的紐帶[1]。目前，我國的中小型制造企業(yè)都擁有大量的先進設備，但是實現(xiàn)自動化程度卻沒有達到60%，主要原因是各類自動化設備昂貴、設備之間的連接環(huán)節(jié)沒有打通。然而，生產(chǎn)過程自動化、機器化是一種必然趨勢，行走裝置是工業(yè)機器人的核心部件之一，與一般的移動平臺、數(shù)控小車相比較，具有承載能力強、傳動平穩(wěn)、傳動精度高等優(yōu)點。工業(yè)機器人行走裝置（數(shù)控小車）的CNC系統(tǒng)由計算機控制技術(shù)、信號與控制系統(tǒng)技術(shù)、自動控制技術(shù)和機械建模技術(shù)的完美結(jié)合，是各個領域生產(chǎn)控制技術(shù)的集成與應用，主要被應用到自動化車間的搬運工業(yè)機器人外部系統(tǒng)使其持續(xù)的工作，能運輸上噸重量的工業(yè)機器人和零部件，還能與自動化車間組成有效的物流體系，用于部分物料和產(chǎn)品轉(zhuǎn)運等，以及一些工作人員不便進入的具有有害物質(zhì)的工作場所。行走裝置具有變速、前進、后退、轉(zhuǎn)彎、遙控等功能。

工業(yè)機器人行走裝置（數(shù)控小車）的出現(xiàn)極大提高了自動化車間的生產(chǎn)效率，其處理器采用單片機控制，整車采用后輪驅(qū)動、前輪轉(zhuǎn)彎，平整的搬運平臺，具有移動靈活、造價低、效率高的特點，節(jié)省了大量的人力、物力、財力和時間，具有較高的推廣應用價值和發(fā)展前景。

1 工業(yè)機器人行走裝置的現(xiàn)狀

1.1 傳統(tǒng)人工控制

二十世紀七十年代初，美國、德國等這些工業(yè)強國就開始采用可編程控制器繼對搬運小車進行控制，但是當時技術(shù)還不夠成熟，基本上都是由繼電器和接觸器對電路進行控制的，具有體積笨重、控制復雜、設計成本高、功能少和容易出現(xiàn)故障等缺陷，無法進行通信，要有專門的人進行操作。

1.2 半自動控制

二十世紀八十年代，計算機慢慢普及價格下降，各大型企業(yè)開始采用可編程控制器（PLC）程序與計算機結(jié)進行程序編程控制。此時，搬運小車就被設計成半自動產(chǎn)品。

1.3 全自動控制

目前，自動化控制技術(shù)迅速發(fā)展，世界各國工控企業(yè)已經(jīng)制造出了多種可編程控制器（PLC）以及各種控制芯片，可編程控制器具有高性能、大容量、運算快、體積小、價格便宜，維護方便、運行穩(wěn)定等特點，可對搬運小車進行全自動的控制。但是，作為工業(yè)用的行走裝置還缺乏結(jié)構(gòu)緊湊、行走平穩(wěn)、運動精度高、經(jīng)濟適用的產(chǎn)品。隨著我國制造業(yè)高速發(fā)展，出現(xiàn)了大量的自動化生產(chǎn)設備，若能采用工業(yè)機器人實現(xiàn)自動運輸和上下料，將提高生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量，降低人工成本，減少人工加工的危險性[2]。

2 工業(yè)機器人行走裝置設計思路

2.1 機械傳動部分

機器人行走裝置是通過為行走機器人設計制作一輛數(shù)控小車，設計與制作以單片機為主控芯片的控制電路[3]，形成智能化、數(shù)字化的工業(yè)機器人行走裝置即數(shù)控小車。數(shù)控小車由車身、電動機、運動機構(gòu)、變速機構(gòu)、傳動部分和控制電路等組成。運動系統(tǒng)采用步進電機驅(qū)動，用蓄電池供電、充電方式，遠處使用遙控控制；兩個后輪及驅(qū)動電機作為前進的驅(qū)動動力，兩個前輪用一臺電機驅(qū)動實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎；當行走裝置（以下簡稱數(shù)控小車）前進時，兩個電機正轉(zhuǎn)且速度相等，而前輪電機不提供動力；當小車轉(zhuǎn)彎時，前輪電機驅(qū)動前輪軸擺動角度，而后輪上的兩臺電機通過控制程序差速旋轉(zhuǎn)，使左右兩輪的轉(zhuǎn)彎半徑不同，兩輪行走的距離也不同，確保兩輪與地面做純滾動，以減少輪胎與地面的摩擦。

2.2 控制部分

為減少數(shù)控小車的制作周期，提高其整體性以及經(jīng)濟性，各電路模塊直接選擇現(xiàn)成的C52單片機最小系統(tǒng)、電機驅(qū)動器、遙控模塊、蓄電池等。當數(shù)控小車前進、后退時，則通過程序控制兩臺后輪電機同速度正反轉(zhuǎn)；右轉(zhuǎn)時，左邊電機快速正轉(zhuǎn)、右邊電機慢速正轉(zhuǎn)；左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)相反。設置了紅外傳感器故障避障功能，傳感器近距離檢測到前方有故障時，行走裝置會停止行走。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 總體框架

3 機械結(jié)構(gòu)設計

數(shù)控小車的運動部分相當于人的手腳，整個機械結(jié)構(gòu)包括了車架、電機、傳動機構(gòu)、車輪、蓋板等。本文設計了三個方案，如圖2所示。方案a和b的回轉(zhuǎn)中心均在兩固定輪的中間位置，方案c的車軸固定，車輪旋轉(zhuǎn)，由左右輪的差動實現(xiàn)回轉(zhuǎn)。由于固定輪的直行性，回轉(zhuǎn)時接地摩擦阻力大，回轉(zhuǎn)半徑大，而數(shù)控小車轉(zhuǎn)彎半徑要求小，所以設計方案應從a、b兩種車輪布置中選定。

圖2 傳動方案比較

a方案：三輪車結(jié)構(gòu)，優(yōu)點是轉(zhuǎn)向靈活，結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)彎半徑小容易實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎與直線行走。缺點為當經(jīng)過凹凸不平的路面時行走機構(gòu)不穩(wěn)定容易發(fā)生傾倒。

b方案：雙三輪結(jié)構(gòu)，兩個驅(qū)動前進后退的車輪較大，前后兩個支撐輪較小，其中一個是轉(zhuǎn)彎驅(qū)動輪、另一個只是起到支撐作用的萬向輪。優(yōu)點是轉(zhuǎn)彎半徑?。梢詫崿F(xiàn)原地轉(zhuǎn)向），平穩(wěn)性比三輪車結(jié)構(gòu)好。

分析上面幾種方案，最終選擇b方案，即雙三輪機構(gòu)。其轉(zhuǎn)彎半徑小，平穩(wěn)性高，適合在窄小的廠區(qū)車間運行。

可供選擇的車輪類型：充氣輪、實心輪、鐵輪三種。充氣輪減震性好重量輕、摩擦阻力大；實心輪可承受的載荷大，使用和維護方便，有一定的減震性，摩擦阻力大。鐵輪可承受的載荷最大，但是摩擦阻力小。因為數(shù)控小車的重量大，地面的摩擦阻力小，數(shù)控小車的驅(qū)動輪與支撐輪均采用實心橡膠輪。

數(shù)控小車的尺寸為長1000 mm、寬600 mm、高為300 mm，可以在不同的速度下實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。如圖3所示。機械部分的設計對數(shù)控小車的整體性能非常重要，運動部分合理地設計才能使數(shù)控小車行走平穩(wěn)、運行精度高。

圖3 數(shù)控小車整體結(jié)構(gòu)

在結(jié)構(gòu)設計時，必須充分考慮車輛前后輪之間的距離，車輪的對齊方式以及車輛的重心。采用雙三輪結(jié)構(gòu)這極大地提高了小車的穩(wěn)定性，并有助于提高其行駛性能?？紤]電機尺寸、機器人安裝位置以及整車中心不能太高等因素選擇車輪大小，行駛時確保車架在同一平面上，否則會影響行駛的穩(wěn)定性。

4 驅(qū)動電機的選擇

假設小車及所馱貨物總重量W=3000 N，橡膠車輪在水泥平地滾動阻力Ft=f×W，據(jù)《汽車原理》查得“一般的瀝青或混凝土路面滾動系數(shù)0.018～0.020”，取f=0.020，則：Ft=0.020×3000=60 N

設計爬坡角度5°，根據(jù)《汽車原理》得道路阻力：

當α不大時：cosα≈1，tanα≈0.087

則：

因要考慮從靜止到勻速的加速運動等，設安全系數(shù)θ=1.5，所以

車輪所需要的轉(zhuǎn)矩M=F·L

設輪徑D=300 mm

所以L=D/2=150 mm，則

二級圓柱齒輪減速器的傳動比常用范圍i′=8～30

則需要電機轉(zhuǎn)矩M電=M/i′=9.028～2.408 N·m

設車速V=1.5 m/s，則

電機轉(zhuǎn)速：nd=i′·nw=764.3312～2866.2 r/min

根據(jù)電機的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速選擇110BYG250A型兩相混合式步進電機，其最大靜轉(zhuǎn)矩為8 N·m，空載啟動轉(zhuǎn)速為860 r/min，步距角為1.8°，配套驅(qū)動器SWT-210H。因為采用兩臺驅(qū)動電機，故2×8=16 N·m，該型號電機的轉(zhuǎn)矩足夠。

5 控制部分

數(shù)控小車使用的控制核心stc89c52，使用C語言編程。C語言功能豐富、編寫靈活修改方便、表達豐富、在計算機語言中應用比較廣、編寫效率高、并且可移植性好，不僅有高級語言的優(yōu)點還具有低級語言特點且通俗易懂。程序的編寫軟件使用的是MDK（keil5）軟件。Keil（MDK）5中文版提供了完整開發(fā)計劃，包括C編譯器、大型匯編、鏈接、庫管理和強大的測量缺陷等。當數(shù)控小車需轉(zhuǎn)向時，由軟件控制驅(qū)動輪產(chǎn)生差速，并使支撐輪轉(zhuǎn)動一定角度，以配合轉(zhuǎn)向，直線行駛時只要保證兩驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速一致，兩支撐輪隨著驅(qū)動輪方向轉(zhuǎn)動即可。

數(shù)控小車的轉(zhuǎn)向主要由驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速差來控制，所以前后支撐輪可以用萬向輪代替。用萬向輪做支撐輪時小車的轉(zhuǎn)向阻力較大，所以用步進電機來驅(qū)動一支撐輪，當需要轉(zhuǎn)向時由軟件控制，使一支撐輪轉(zhuǎn)動一定角度，通過連桿機構(gòu)帶動另一個支撐輪擺過同樣的角度，以減小傳動阻力。

智能循跡避障小車的紅外光電傳感器模塊，如圖4所示，其由TCRT5000和LM339及少量外圍元件構(gòu)成。傳感器部分使用的是紅外反射傳感器TCRT5000，這是一種結(jié)合發(fā)射和接收的，基于紅外光學反射原理的傳感器，它包含一個紅外發(fā)光二極管和一個光敏NPN三極管。TCRT5000紅外傳感器的工作范圍約為0.2～15 mm。工作時，紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外線，若沒有被障礙物反射回來或反射強度不足時，光敏三極管不工作；當紅外線的反射強度足夠且被光敏三極管接收到時，三極管飽和導通。LM339集成塊在電路中用作電壓比較器，當同相輸入端（“+”）和反相輸入端（“-”）的電壓差大于10 mV時，就能實現(xiàn)輸出端狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，適合在弱信號檢測場合中使用。圖中，“+”輸入端接TCRT5000輸出的待比較信號，“-”輸入端接電源通過滑動變阻器R3分壓所得到的電壓，作為比較器LM339的基準電壓?；瑒幼冏杵鞯淖饔檬歉淖兓鶞孰妷旱拇笮崿F(xiàn)系統(tǒng)靈敏度的調(diào)節(jié)。

圖4 紅外避障傳感器原理圖

當光電傳感器所探測到的是黑線時，LM339輸出高電平；當光電傳感器探測到的是白線時，LM339輸出的是低電平。LM339的輸出信號送入單片機，由單片機程序判斷小車處于黑線還是偏離了黑線，以及判斷是否有障礙物，以控制電動機轉(zhuǎn)向。

6 數(shù)控小車遙控模塊選擇

所謂遙控器，是一種采用紅外傳輸信號使某種裝置或設備實現(xiàn)目的動作的一種設備，確保數(shù)控小車實現(xiàn)最少五十米內(nèi)遙控距離，實現(xiàn)數(shù)控能小車前進后退、左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)。本設計遙控器選擇的是FS富斯i6，2.4 G 10通道接收i6 DCL模擬器liftoff的遙控器。該遙控器主要特點有：全角度增益天線，對數(shù)控小車的控制距離和穩(wěn)定性大大的增強；采用LCD背光點陣屏幕和數(shù)據(jù)的雙向回傳，小車運行數(shù)據(jù)能夠清晰呈現(xiàn)，提高數(shù)據(jù)傳輸速度，而且安全、控制可靠；使用4個5號電池，預留了升級擴展通道，可自動跳頻，低壓報警等；可點動式遙控，2.4 GHz高頻信號，在空曠無干擾情況下遙控距離可達500 m，大大增加了工廠的工作區(qū)域；重量約400 g，輕便、操作方便、操作簡單。

7 結(jié)語

數(shù)控小車即工業(yè)機器人行走裝置主要包括傳動系統(tǒng)、機器人移動平臺、控制系統(tǒng)和其他安全設施。其中，傳動系統(tǒng)考慮到傳送距離較長和傳送精度要求高的問題選用精密橡膠輪，加裝密封系統(tǒng)用于防塵；控制系統(tǒng)主要包括伺服電機、減速器、單片機及其他低壓電氣設備[4]。本文通過對數(shù)控小車（工業(yè)機器人行走裝置）國內(nèi)外發(fā)展狀況和未來發(fā)展的深入分析，并考慮了工業(yè)機器人行走裝置真實的應用環(huán)境、四輪車復雜結(jié)構(gòu)的簡化以及機械結(jié)構(gòu)運動精度等問題，用UG（NX）3D軟件設計了數(shù)控小車的模型及運動仿真，并對小車的結(jié)構(gòu)實施了力學分析，根據(jù)設計結(jié)果制作了實物。事實證明，該設計結(jié)果是可行的，具有推廣應用價值。