基于麥克納姆輪的全向移動自主機器人設(shè)計研究＊

陳鎮(zhèn)江，封瀟揚

（黃河科技學(xué)院，河南 鄭州 450063）

目前，在社會生產(chǎn)和生活中，機器人已經(jīng)替代一部分的工作崗位，人們對機器人的依賴性也在不斷增強，隨著相關(guān)機器人生產(chǎn)技術(shù)的不斷優(yōu)化，機器人能夠完成更多的復(fù)雜任務(wù)，機器人內(nèi)部精密性也在不斷提升。而隨著市場對機器人要求的不斷提升，機器人需要提升自身的適應(yīng)性和移動性，這樣可以突破空間限制，在更多復(fù)雜的環(huán)境中工作，完成相應(yīng)任務(wù)，這樣的機器人設(shè)計效率也會顯著提升[1]。

除了機器人執(zhí)行部件外，相關(guān)移動平臺設(shè)計也至關(guān)重要。這種移動平臺是基于環(huán)境感知、運動控制、運動執(zhí)行、動態(tài)決策和規(guī)劃等多種技術(shù)為一體的綜合性系統(tǒng)。該平臺可以促使機器人或機械手臂有效移動到工作位置，平穩(wěn)跨越障礙物，促進機器人整體平穩(wěn)推進。

為了應(yīng)對機器人在復(fù)雜工作環(huán)境中的相關(guān)移動問題，提升運動軌跡的精準(zhǔn)度，要求生產(chǎn)出全向移動自主機器人，這類機器人在工作中能夠自由移動，相關(guān)機器人可以圍繞相關(guān)中心點進行旋轉(zhuǎn)，確保目標(biāo)位置有效實現(xiàn)。機器人還能夠基于移動平臺不斷拓展自己的移動范圍，提升移動性和穩(wěn)定性。在一些救援現(xiàn)場、地勢多變的勘測地帶、有毒物品泄漏環(huán)境中，都可以有效應(yīng)用，完成復(fù)雜任務(wù)。這類機器人也是目前機器人技術(shù)研究中重點探究的領(lǐng)域之一，在未來社會發(fā)展中有著很廣泛的應(yīng)用前景。

1 全向機器人機械設(shè)計思路優(yōu)化

1.1 底盤設(shè)計優(yōu)化思路

對此次全向機器人的底盤機械設(shè)計以麥克納姆輪的四輪驅(qū)動方式為主，在設(shè)計中需要解決這類四輪驅(qū)動在平面運動中確保四點著地的問題。這4 個輪子中，要是有一個驅(qū)動輪與地面接觸不好，就可能導(dǎo)致機器人移動中出現(xiàn)打滑、空轉(zhuǎn)的情況，導(dǎo)致相應(yīng)控制精度受到嚴(yán)重影響[2]。一般針對這一問題，在機器人完成組裝后可以進行手動調(diào)整，但是不能保證調(diào)整后問題就能被有效解決。且在機器人設(shè)計中，基于室外應(yīng)用需要，機器人底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計需要確保在地面平整度較差的情況下也能夠有效與地面接觸，簡單平面組裝的方法一般很難滿足相應(yīng)需要。在開展此次的全向移動自主機器人設(shè)計中，初期嘗試通過大疆研發(fā)的麥克納姆輪底盤，這種底盤通過獨立彈性懸掛法使用，將避震器和輪組連接起來，這樣可以確保底盤穩(wěn)定運行，避免底盤運動中出現(xiàn)的車體震動情況出現(xiàn)，也能夠提升底盤的越野能力，使底盤在地面不平整的路面有效運行，減少運行中的震動影響，幫助機器人更好地跨越障礙物，提升機器人的攀爬能力。不過這類底盤在地面障礙通過時，麥克納姆輪的地面的角度很難保證達到90°，所以使用中可能導(dǎo)致麥克納姆輪因為受力不均導(dǎo)致其底盤行駛性能下降，甚至導(dǎo)致驅(qū)動輪的嚴(yán)重損壞，且在這類底盤的生產(chǎn)加工中，需要使用大量的CNC加工金屬件，相應(yīng)成本會比較高，所以，可以以麥克納姆輪為基礎(chǔ)，自主設(shè)計機械底盤，發(fā)現(xiàn)設(shè)計四輪縱臂獨立懸掛底盤對于解決上述問題有很好的效果[3]。

基于麥克納姆輪進行底盤優(yōu)化，實際上是對整個底盤使用四輪縱臂獨立懸掛設(shè)計，這樣各個麥克納姆輪的集成懸掛模塊都可以安裝上減震器，在不同移動場景中，通過不同壓力負載的彈性減震器作用發(fā)揮，確保7 個驅(qū)動輪都能夠在運行中全部著地。相應(yīng)懸掛模塊中，麥克納姆輪使用剛性聯(lián)軸器和電極減速器與相關(guān)電機軸連接，電機可以固定在高強度定做的鋼套中，這樣整體模塊和車底盤底板使用2 塊工業(yè)合頁鉸連接，使懸掛在底盤橫向位置的公差精度能夠有效控制。此外，彈性減震器通過縱臂方式與底盤上板連接，可以通過軸承來解決相關(guān)減震器的穩(wěn)定性問題。

在全向機器人底盤結(jié)構(gòu)中，通過上板和下板連接，確保2 層綠色環(huán)氧板整體強度，一般使用方鋁固定，這樣即使在崎嶇不平的路面上行駛，也能保證機器人的4 個驅(qū)動輪全部落地，同時，相應(yīng)懸掛還能有效縮小底盤上層板與地面距離的變化，提升底盤的整體減震性能[4]。

1.2 全向自主機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

基于麥克納姆輪設(shè)計全向移動自主機器人，考慮到機器人結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在機器人中間箱體中，包含多個可變性的驅(qū)動輪單元，通過模塊化設(shè)計，呈左右對稱分布。這個箱體能夠?qū)㈦妱訖C裝載在內(nèi)，還包含傳感器、控制硬件、電池、機械臂等，這個中間箱體可以看作是運載的主平臺，能夠確保機器人保持水平姿態(tài)。這里的機器人4 個驅(qū)動單元都是可變形的，其具體運動可以通過獨立控制來實現(xiàn)。相應(yīng)可變形的驅(qū)動單元和兩邊配合的驅(qū)動輪進行摩擦傳動，最后，輪式移動和驅(qū)動式移動相結(jié)合，確保機器人結(jié)構(gòu)更加緊湊，在保證其性能的情況下重構(gòu)機器人體積和機身結(jié)構(gòu)。

1.3 障礙跨越設(shè)計方案

在全向機器人設(shè)計中，跨越障礙的能力關(guān)系到機器人的使用性能，車輪和移動平臺車身在連接中，4個驅(qū)動輪安裝于平臺底座，這樣可以有效提升驅(qū)動輪之間的距離精度，但是也會存在一些問題：在路面不平整的情況下，驅(qū)動輪很難與地面同時接觸，移動平臺的整體運動方向和速度是全部驅(qū)動輪共同影響的結(jié)果，只要有一個輪子距離地面的方向出現(xiàn)變化，就會導(dǎo)致整個機器人方向變化。這是因為麥克納姆輪自身圓周輥子能夠繞相應(yīng)軸被動自由旋轉(zhuǎn)，這樣很可能造成其在重載情況下出現(xiàn)打滑情況，在路面不平整情況下不能有效控制相應(yīng)移動速度和方向，導(dǎo)致其跨越障礙的能力不足?；谶@一問題，可以嘗試在驅(qū)動輪移動平臺上增加彈簧阻尼懸掛系統(tǒng)，這樣可以改變質(zhì)心，提升驅(qū)動輪的跨障礙能力。彈簧阻尼懸掛示意圖如圖1所示。

圖1 彈簧阻尼懸掛示意圖

相關(guān)懸掛系統(tǒng)一般可以用在汽車中，對提升汽車減震效果很有幫助，還能夠增強舒適性。對比獨立懸掛系統(tǒng)和非獨立懸掛系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)獨立懸掛系統(tǒng)性能更優(yōu)越，可以有效提升控制精度。

2 全向移動機器人設(shè)計

2.1 設(shè)計要點

2.1.1 麥克納姆輪設(shè)計

這類全向移動自主機器人能夠借助4 個驅(qū)動輪內(nèi)部的伸展機構(gòu)伸展動作實現(xiàn)彈性變形，在伸展機構(gòu)回歸到4 個驅(qū)動輪內(nèi)部的時候，減震器就能夠借助彈力作用快速收縮，形成圓形狀態(tài)。相應(yīng)伸展機構(gòu)通過聯(lián)動曲柄擺桿機構(gòu)應(yīng)用，介于2 個驅(qū)動輪之間，這時候用螺釘將曲柄和連桿之間以及連桿和擺桿之間進行連接。這樣擺桿就可以借助銷釘鉸接在固定盤中，而固定盤則和中間箱體處于靜止?fàn)顟B(tài)。此外，為了進一步降低機器人的質(zhì)量，讓機器更加輕盈，在具體結(jié)構(gòu)設(shè)計上，可以通過有效的質(zhì)量縮減，在受力情況下，使用密度較小的輕金屬材料作為制造機器人的主要材料，用一些輕型的金屬材料替代笨重的機械材料?；邴溈思{姆輪的全向移動自主機器人的設(shè)計中，驅(qū)動輪的減震設(shè)計也是重要組成部分，因為機器人需要適應(yīng)不同復(fù)雜的地形，所以將輪式和減震器設(shè)計相結(jié)合，構(gòu)建復(fù)合式的減震結(jié)構(gòu)。考慮到車體要適應(yīng)山地、丘陵、凹地等多種地域狀態(tài)，所以要設(shè)計傳動，具體設(shè)計應(yīng)該在電動缸驅(qū)動車體前的位置安裝起落架來適應(yīng)不同地形和障礙跨越需要，通過有效減震和傳動，有效跨越前方障礙。

2.1.2 合理選擇電機

在全向移動自主機器人設(shè)計中，電機設(shè)計是機器人設(shè)計中的核心環(huán)節(jié)，電機容量需要滿足要求，這里就需要把握電機運行中的發(fā)熱條件，具體的發(fā)熱條件與實際的工作情況有一定聯(lián)系。電機在長期運轉(zhuǎn)中，相應(yīng)的載荷是呈現(xiàn)變化趨勢的，即使是在常溫環(huán)境下，只要確保負載在額定值范圍內(nèi)，就不會產(chǎn)生過熱的情況，所以需要確保電機額定功率大于等于小車電機輸出功率。在電機功率計算中，應(yīng)該確保其參數(shù)值合理性，因為這個參數(shù)值過大會導(dǎo)致小車運動速度增大，造成車輛結(jié)構(gòu)不穩(wěn)，也會導(dǎo)致控制板負荷也會增加；而參數(shù)值過小會導(dǎo)致電機過載運行，導(dǎo)致電機故障出現(xiàn)。所以要通過精確計算確定機器人設(shè)計中相關(guān)電機的額定電壓、轉(zhuǎn)速和電流的控制。

2.2 全向機器人系統(tǒng)設(shè)計

此次全向移動自主機器人設(shè)計中，選擇底盤四輪獨立縱臂懸掛方式，確保相應(yīng)驅(qū)動輪能夠在機器人的多環(huán)境移動中，始終保持與地面的充分接觸，找著力點。在機器人行進路線設(shè)計中，通過ⅠMU 和Kinect融合算法來提升機器人行駛路線的精度，保證精確控制機器人移動方向和距離。機器人采用激光雷達對位置地域開展自主建圖和自主導(dǎo)航，可以通過與微型電腦的連接，確保機器人系統(tǒng)處理速度可靠，降低設(shè)備對機器人的負載。相關(guān)電機需要全部加入速度環(huán)、電流環(huán)，確保速度誤差以及機器人功率有效控制目標(biāo)的實現(xiàn)。在相應(yīng)點位電機中增加位置環(huán)，保證機器人運動方向精準(zhǔn)可靠。考慮到機器人底盤的4 個麥克納姆輪在地面上需要保持一定的速度，也要確保運行中的穩(wěn)定性，所以4 個底盤電機控制都選擇模糊控制系統(tǒng)，這一系統(tǒng)能夠讓不同狀況下的輸出適應(yīng)4 個驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速的速率，避免機器人在行進中不走直線或者是不按相應(yīng)路線行駛的問題。

在具體控制上，需要借助多個控制設(shè)備和通信模塊，實現(xiàn)對機器人的監(jiān)測和控制，實現(xiàn)機器人集中控制效果。在系統(tǒng)設(shè)計中，包含幾個PLC 控制單元，它們共同構(gòu)成了相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，能夠確保規(guī)模控制效益，對系統(tǒng)內(nèi)的皮帶、設(shè)備等進行全流程監(jiān)控。在控制系統(tǒng)啟動之前，需要在集控臺發(fā)布預(yù)告信息，30 s 后，如果滿足現(xiàn)場啟動要求，可以自動啟動。在系統(tǒng)工作中，多采取自動控制模式，相應(yīng)設(shè)備根據(jù)工藝要求順序以及流程對中央控制臺進行啟停操作；而采取集控手動控制的方式，就可以由中央控制臺來對相關(guān)設(shè)備進行操作，不存在閉鎖關(guān)系。系統(tǒng)需要對機器人實施集中監(jiān)控，對設(shè)備運行狀態(tài)和參數(shù)進行有效監(jiān)控，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息存儲在系統(tǒng)硬盤中。此外，系統(tǒng)針對設(shè)備故障以及異常信號實施報警處理，還要同時出現(xiàn)聲光提示，確保相關(guān)人員能夠及時關(guān)注到異常信號。在該全向機器人控制系統(tǒng)設(shè)計中，通過Ⅰ/O控制系統(tǒng)應(yīng)用，在故障診斷系統(tǒng)中增設(shè)主控計算機，在現(xiàn)場設(shè)計前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備，通過以太網(wǎng)接口以及主控計算機來實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)通信操作，借助主控計算機及時發(fā)送相關(guān)控制信號，做好現(xiàn)場設(shè)備的操控。這里應(yīng)用的前端數(shù)據(jù)信號采集設(shè)備一共有4 臺，這些信號數(shù)據(jù)采集設(shè)備分別與一體化設(shè)備的相關(guān)單項電氣設(shè)備連接，構(gòu)成了一個二級分布式控制系統(tǒng)。在機電一體化設(shè)備運行出現(xiàn)異常情況的時候，系統(tǒng)能夠及時將故障信號以及設(shè)備故障名稱傳輸?shù)焦收显\斷計算機中，執(zhí)行相應(yīng)的故障診斷程序，最后計算機對故障范圍進行判斷，確定維修步驟和方案，結(jié)合系統(tǒng)提示開展故障分析，借助電纜對需檢測的故障設(shè)備以及前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接，在將信號和故障診斷計算機連接，這樣系統(tǒng)輸入監(jiān)測設(shè)備號后，就可以模擬信號輸入和輸出，對測量結(jié)果進行分析處理，確定故障所在位置，并按照系統(tǒng)提示做好必要的板級調(diào)換。

3 總結(jié)

目前，社會生產(chǎn)和生活對機器人的依賴性不斷增強，設(shè)計一種全向移動自主機器人，對解決很多復(fù)雜環(huán)境中的問題有很大幫助?；邴溈思{姆輪設(shè)計全向移動自主機器人，對相關(guān)機器人性能進行優(yōu)化，解決了機器人在復(fù)雜地面上的行駛問題。本文通過研究分析，探索基于麥克納姆輪進行優(yōu)化的全向機器人設(shè)計思路，對指導(dǎo)新時期全向機器人設(shè)計和發(fā)展具有一定的借鑒意義。