0 引言

    隨著機器人技術(shù)的智能化,，機器人在生產(chǎn)生活中發(fā)揮著越來越重要的作用^[1]。移動機器人是機器人家族中靈活性更好,、自主性更強,、智能化更高的一員，可以實現(xiàn)自主導(dǎo)航,、環(huán)境識別,、安全避障的功能^[2]。全向移動機器人在運動平面上具有前后,、左右和自轉(zhuǎn)的移動能力^[3],，因此可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎半徑為零的旋轉(zhuǎn)，或者在保持機器人姿態(tài)不變的情況下向任何方向移動,。由于獨特的運動性能,，全向移動機器人在智能輪椅、物料搬運機器人,、巡檢機器人等產(chǎn)品中具有明顯的優(yōu)越性^[4-7],。

    目前全向移動機器人的典型運動結(jié)構(gòu)有麥克納姆輪、連續(xù)切換輪,、同心轉(zhuǎn)向輪^[8-10]等,。麥克納姆輪和連續(xù)切換輪具有兩個自由度：一個沿輪面切向的主動驅(qū)動自由度，一個與輪面切向呈固定角度的隨動自由度,。輪體的轉(zhuǎn)動由電機驅(qū)動,，輥子在地面摩擦力的作用下被動旋轉(zhuǎn)，通過控制輪體的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)機器人全向移動^[11],。但是麥克納姆輪外緣的輥子交替與地面接觸,，在滾動過程中輥子不斷受到地面的沖擊載荷，使得輪子在轉(zhuǎn)動過程中與地面接觸點的高度不斷變化,，導(dǎo)致車體振動或打滑^[12],。轉(zhuǎn)向輪組成的全向移動機器人由多個獨立轉(zhuǎn)向的傳統(tǒng)輪子構(gòu)成，輪子方向的偏轉(zhuǎn)和自身的旋轉(zhuǎn)都由獨立的電機驅(qū)動,，通過控制輪子的偏轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)速度來實現(xiàn)機器人全向移動^[13],。由于輪子朝向的偏轉(zhuǎn)需要主動轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)驅(qū)動，因此需要復(fù)雜的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu),，且機器人在直線運行時,，轉(zhuǎn)向驅(qū)動結(jié)構(gòu)成為額外的負載，能量利用率低,。

    綜合上述問題,，本文采用被動同心轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的履帶單元代替主動轉(zhuǎn)向輪,，設(shè)計了一種多履帶式全向移動機器人。該機器人不需要復(fù)雜的主動轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu),，且具備履帶式機器人運行平穩(wěn),、載重能力強等特點,。

1 機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

    機器人由主體和4個差速式履帶單元構(gòu)成,，每履帶單元構(gòu)成一組被動同心轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，通過角接觸軸承安裝在機器人本體下方,。履帶單元可繞偏轉(zhuǎn)軸±90°偏轉(zhuǎn),，偏轉(zhuǎn)角由精密旋轉(zhuǎn)電位器測量，電位器的旋轉(zhuǎn)軸通過聯(lián)軸器固定在履帶單元的偏轉(zhuǎn)軸上,。由于角接觸軸承可同時承受較大的徑向負荷和軸向負荷,，所以履帶單元既可以起到承載機器人本體和負載重量的作用，又能通過履帶運轉(zhuǎn)牽引機器人水平運動,。機器人主體底板采用鋁合金結(jié)構(gòu),，上方承載機器人本體的設(shè)備和結(jié)構(gòu)，下方為4個履帶單元,。其中側(cè)板和支撐結(jié)構(gòu)使用3D打印成型,，固定在底板上，主要起支撐和固定作用,，圖1為機器人結(jié)構(gòu)三維模型,。

    每個履帶單元由履帶、履帶支撐輪,、驅(qū)動電機,、電機減速器、測速編碼器,、半圓遮光板等組成,，圖2為履帶單元結(jié)構(gòu)模型。

2 機器人電路設(shè)計與控制流程

2.1 機器人電路設(shè)計

    機器人使用標稱電壓12 V,、容量為31 200 mAh的鋰電池供電,，電源管理模塊將電壓穩(wěn)定為12 V和5 V。機器人采用ROS(Robot Operating System)為控制和通信系統(tǒng),，ROS核心運行在樹莓派3中,，機器人底層驅(qū)動采用基于mbed開發(fā)的NUCLEO-F446開發(fā)板，使用UART接口與樹莓派通信,，系統(tǒng)通過路由器與PC進行遠程連接與數(shù)據(jù)傳輸,。機器人使用4個雙H橋電路驅(qū)動8個直流電機運動，電機驅(qū)動可以在控制器的控制下獨立驅(qū)動每個履帶單元中的電機運動,，偏轉(zhuǎn)角由電位器測量,，通過處理器中的12位ADC進行采集,。其電路系統(tǒng)示意圖由圖3所示。

    通過機械結(jié)構(gòu)的建模與加工和電路系統(tǒng)的搭建,，最終研制出多履帶全向移動機器人,，如圖4所示。

2.2 機器人控制流程

    機器人每個履帶單元上兩個電機的轉(zhuǎn)速由固定在電機尾部的測速編碼器測量得到,，通過減速比,、驅(qū)動輪半徑和履帶厚度可以計算出機器人移動速度。兩個履帶的運行速度可以分解為每個履帶單元運動的兩個自由度,，一個自由度控制前后運動,，另一個自由度控制運動方向。通過對機器人結(jié)構(gòu)分析,，設(shè)計單個履帶單元的控制流程,，如圖5所示。

    履帶單元的運動可以分解為直線運動和繞偏轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn),，其輸入控制量為兩個履帶的運動速度和偏轉(zhuǎn)角度,。首先測量實際偏轉(zhuǎn)角度和控制信號中偏轉(zhuǎn)角度的差，通過偏轉(zhuǎn)角度PID控制器輸出兩個電機轉(zhuǎn)速的調(diào)整值,。每個電機的實際轉(zhuǎn)速和控制指令中的轉(zhuǎn)速差疊加電機轉(zhuǎn)速調(diào)整值,，輸入到電機轉(zhuǎn)速PID控制器中，調(diào)整每個電機的轉(zhuǎn)速,，電機輸出的轉(zhuǎn)矩通過減速器傳遞到履帶驅(qū)動輪上,，通過方向和速度配合來輸出履帶單元的偏轉(zhuǎn)角度和移動速度，完成單個履帶單元的差速運動,。

    機器人的每個履帶單元都需要接收機器人控制器的控制信號,，而機器人的運動指令是主體的運動速度、方向和主體朝向,。因此需要機器人控制器根據(jù)運動學(xué)姿態(tài)結(jié)算將機器人主體的指令分解為每個履帶單元的控制指令,，通過每個履帶單元帶動機器人主體移動，其控制流程如圖6所示,。

    機器人具有直行,、側(cè)移、圓弧運動和自轉(zhuǎn)等幾種典型的運動方式,，如圖7所示,。其中直行和側(cè)移都屬于平移運動，機器人保持主體朝向不變,；自轉(zhuǎn)運動屬于圓弧運動,，此時機器人主體朝向不斷變化。因此機器人的全向運動過程看作是平移運動和圓弧運動的組合,。

2.3 機器人運動學(xué)模型

    通過機器人模型可以將機器人整體的運動速度,、運動方向和機體朝3個控制量轉(zhuǎn)換為每條履帶運動速度和每個履帶單元的偏轉(zhuǎn)角度,，根據(jù)機器人整體的控制流程可以控制每個履帶單元運動，從而實現(xiàn)機器人的全向移動,。

3 實驗與分析

    在研制的機器人上分別進行平移運動和圓弧運動的測試,。使用PC端運行的MATLAB程序通過機器人上的無線路由器連接到運行著ROS indigo的樹莓派3和NUCLEO F446控制板，通過ROS命令發(fā)布機器人的運動指令話題到機器人端,，同時讀取機器人發(fā)布的狀態(tài)話題上的數(shù)據(jù),，對機器人履帶的運動速度和履帶單元偏轉(zhuǎn)角度進行采集。

    機器人在進行平移運動時,，給定機器人的移動路徑為邊長600 mm的正五邊形,，運動速度設(shè)置為40 mm/s,，機體朝向不變,，履帶單元改變偏轉(zhuǎn)角時的速度設(shè)置為20 mm/s，圖8(a)為機器人在100 s正五邊形平移運動中8條履帶的運動速度,，圖8(b)為履帶單元偏轉(zhuǎn)角度隨時間變化的角度值,。機器人在進行圓弧運動時，需要根據(jù)圓弧的中心點和旋轉(zhuǎn)角速度,，通過姿態(tài)計算得到機器人履帶單元的偏轉(zhuǎn)角度和各履帶的運動速度,。給定機器人運動的軌跡為角速度為0.05 rad/s，圓弧半徑為500 mm的圓周,。圖9(a)為機器人在100 s圓周運動中8條履帶的運動速度,，圖9(b)為履帶單元偏轉(zhuǎn)角度隨時間變化的角度值。

    采集機器人運動過程中的速度和偏轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù),，使用航跡推算法計算機器人每個履帶單元中心的運動軌跡,，通過每次得到的4個軌跡點擬合出機器人主體中心的運動軌跡，圖10和圖11分別為機器人在正五邊形和圓弧運動時4個履帶單元中心點和機器人中心位置的軌跡圖,。圖中Tc表示履帶單元中心點,，“x”和“o”分別表示機器人中心點和履帶單元中心點在起始處的位置。

    實驗結(jié)果表明,，機器人能完成在保持機頭朝向不發(fā)生變化的情況下向不同方向的移動,，機器人每65 s完成一次五邊形平移運動，在機器人改變履帶單元偏轉(zhuǎn)角度過程中機器人本體保持靜止,；機器人在做圓弧運動過程中履帶單元的偏轉(zhuǎn)角度保持穩(wěn)定,，32 s完成一次圓周運動，每條履帶的運動方向和速度基本不變,。

4 結(jié)論

    本文介紹了被動同心轉(zhuǎn)向式多履帶全向移動機器人的結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計,、控制流程及實驗測試。由于機器人采用履帶結(jié)構(gòu),，與地面的接觸面積較大,，在運動過程中不易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象,，而且履帶結(jié)構(gòu)比輪式結(jié)構(gòu)有更好的承載能力。每個履帶單元都有轉(zhuǎn)向和前后移動的能力,，所有履帶都能在機器人運行過程中提供驅(qū)動功率,，同時使用多個較小功率的驅(qū)動電機，就能使得機器人整體產(chǎn)生較大的驅(qū)動功率,，履帶結(jié)構(gòu)在運動過程中不存在震動,，且可在地面狀況較差的環(huán)境下全向移動。實驗結(jié)果驗證了被動同心轉(zhuǎn)向式多履帶全向移動機器人全向移動的能力,，證明了結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制流程的正確性,。

參考文獻

[1] 譚民，王碩.機器人技術(shù)研究進展[J].Acta Automatica Sinica,，2013,，39(7)：963-972.

[2] 周美鋒.基于Mecanum輪的全方位移動機器人研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2014.

[3] PARK Y K,，LEE P,，CHOI J K，et al.Analysis of factors related to vertical vibration of continuous alternate wheels for omnidirectional mobile robots[J].Intelligent Service Robotics,，2016,，9(3)：1-10.

[4] WU T F，HUANG H C,，CHIEN Y R.Development of an field-programmable gate arrays-based three-wheeled omnidirectional sensor mobile robot for the teaching of embedded robotics[J].Sensor Letters,，2013，11(11)：2145-2148.

[5] TAN M,，WANG S.Research progress on robotics[J].Acta Automatica Sinica,，2013，39(7)：964.

[6] 葉長龍,，佟澤卉,，于蘇洋，等.全方位移動裝配機器人運動學(xué)分析[J].機器人,，2016,，38(5)：550-556.

[7] KIM K S，LLADO T,，SENTIS L.Full-body collision detection and reaction with omnidirectional mobile platforms：a step towards safe human-robot interaction[J].Autonomous Robots,，2016，40(2)：325-341.

[8] ILON B E.Directionally stable self propelled vehicle：U.S.,，3746112[P].1973-07-17.

[9] 周衛(wèi)華,，王班，郭吉豐.連續(xù)切換輪及其移動機器人的自鎖特性[J].機器人，2013,，35(4)：449-455.

[10] MOORE K L,，F(xiàn)LANN N S.A six-wheeled omnidirectional autonomous mobile robot[J].IEEE Control Systems，2001,，20(6)：53-66.

[11] 王一治,，常德功.Mecanum四輪全方位系統(tǒng)的運動性能分析及結(jié)構(gòu)形式優(yōu)選[J].機械工程學(xué)報，2009,，45(5)：307-310.

[12] 趙冬斌,，易建強，鄧旭玥.全方位移動機器人結(jié)構(gòu)和運動分析[J].機器人,，2003,，25(5)：394-398.

[13] 趙祥敏.全方位移動機器人的研制[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.

作者信息

伍錫如1,，2,，王  方1

（1.桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林541004,；2.廣西高校非線性電路與光通信重點實驗室,，廣西 桂林541004）