輪式移動(dòng)機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1引言

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類(lèi)的研究活動(dòng)領(lǐng)域已由陸地?cái)U(kuò)展到海底和空間。利用移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行空間探測(cè)和開(kāi)發(fā)，己成為21世紀(jì)世界各主要科技發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)發(fā)空間資源的主要手段之一。研究和發(fā)展月球探測(cè)移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)，對(duì)包括移動(dòng)機(jī)器人在內(nèi)的相關(guān)前沿技術(shù)的研究將產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。

　　移動(dòng)機(jī)器人是一種能夠通過(guò)傳感器感知外界環(huán)境和自身狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中面向目標(biāo)的自主運(yùn)動(dòng)，從而完成一定作業(yè)功能的機(jī)器人系統(tǒng)。近年來(lái)，由于移動(dòng)機(jī)器人在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、航天和人類(lèi)生活的各個(gè)方面顯示了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用前景，使得它成為了國(guó)際機(jī)器人學(xué)的研究熱點(diǎn)。20世紀(jì)90年代以來(lái)，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)，高適應(yīng)性的移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)，真實(shí)環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志，開(kāi)展了移動(dòng)機(jī)器人更高層次的研究。目前，移動(dòng)機(jī)器人特別是自主機(jī)器人已成為機(jī)器人技術(shù)中一個(gè)于分活躍的研究領(lǐng)域。

　　輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)速度快、能量利用率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便和能借鑒至今已很成熟的汽車(chē)技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)，只是越野性能不太強(qiáng)。但隨著各種各樣的車(chē)輪底盤(pán)的出現(xiàn)，如日本NASDA的六輪柔性底盤(pán)月球漫游車(chē)LRTV，俄羅斯TRANSMASH的六輪三體柔性框架移動(dòng)機(jī)器人Marsokohod，美國(guó)CMU的六輪三體柔性機(jī)器人Robby系列以及美國(guó)JPL的六輪搖臂懸吊式行星漫游車(chē)Rocky系列，已使輪式機(jī)器人越野能力大大增加，可以和腿式機(jī)器人相媲美。于是人們對(duì)機(jī)器人機(jī)構(gòu)研究的重心也隨之轉(zhuǎn)移到輪式機(jī)構(gòu)上來(lái)，特別是最近日本開(kāi)發(fā)出一種結(jié)構(gòu)獨(dú)特的五點(diǎn)支撐懸吊結(jié)構(gòu)Micros，其卓越的越野能力較腿式機(jī)器人有過(guò)之而不及［6-8］。

　　輪式結(jié)構(gòu)按輪的數(shù)量分可分為二輪機(jī)構(gòu)、三輪機(jī)構(gòu)、四輪機(jī)構(gòu)、六輪以及多輪機(jī)構(gòu)。二輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，但是在靜止和低速時(shí)非常不穩(wěn)定。三輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是機(jī)構(gòu)組成容易，旋轉(zhuǎn)中心是在連接兩驅(qū)動(dòng)輪的直線上，可以實(shí)現(xiàn)零回轉(zhuǎn)半徑。四輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性基本上與三輪機(jī)構(gòu)相同，由于增加了一個(gè)支撐輪，運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)。以上幾種輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的共同特點(diǎn)是它們所有的輪子在行駛過(guò)程中，只能固定在一個(gè)平面上，不能作上下調(diào)整，因此，地面適用能力差。一般的六輪機(jī)構(gòu)主要就是為了提高移動(dòng)機(jī)器人的地面適應(yīng)能力而在其結(jié)構(gòu)上作了改進(jìn)，增加了搖臂結(jié)構(gòu)，使得機(jī)器人在行駛過(guò)程中，其輪子可以根據(jù)地形高低作上下調(diào)整，從而提高了移動(dòng)機(jī)器人的越野能力。

　　2機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　主體結(jié)構(gòu)為機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)，里面包括了控制系統(tǒng)，四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及一些傳感器，傳感器包括有紅外傳感器，壓敏傳感器，聲音傳感器等用來(lái)充當(dāng)機(jī)器人的眼睛、觸覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)功能。結(jié)構(gòu)主要為一箱體結(jié)構(gòu)，里面按需要放置電機(jī)及系統(tǒng)硬件。主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1機(jī)器人主體機(jī)構(gòu)圖

　　圖1中整個(gè)主體是沒(méi)有加上任何傳感器和裝置的外殼，四個(gè)小箱體是安放控制上肢的電機(jī)，旁邊的孔是用來(lái)通過(guò)電線的，大箱體中間是安放控制系統(tǒng)的電板。在整個(gè)零配件都安放好以后可在上方添加一塊板用來(lái)保護(hù)內(nèi)部元件。按照我的設(shè)想，在這個(gè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上可以在主體上方添加其他功能。主體長(zhǎng)1.5米寬0.5米高0.3米。

　　對(duì)于下肢部分，由于麥克納姆輪可以進(jìn)行全方位的移動(dòng)，故不需要加入關(guān)節(jié)，但需要加入剎車(chē)系統(tǒng)，以保證及時(shí)停車(chē)和在使用腿部功能時(shí)不發(fā)生滾動(dòng)，同時(shí)在下肢與輪胎連接處設(shè)計(jì)平臺(tái)安放電機(jī)，使其驅(qū)動(dòng)輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)。一個(gè)輪胎對(duì)應(yīng)一個(gè)電機(jī)，這樣才能通過(guò)改變每個(gè)輪胎的轉(zhuǎn)速來(lái)控制方向等復(fù)雜的移動(dòng)。

　　下肢除了像上肢一樣的結(jié)構(gòu)外，多加了兩個(gè)在旁邊的箱體結(jié)構(gòu)，并且下部分較寬大是用來(lái)與輪胎相連。上面的箱體是用于裝一個(gè)小型電機(jī)，通過(guò)下肢上端兩個(gè)同軸的孔與一根軸相連，來(lái)控制下肢繞上肢的轉(zhuǎn)動(dòng)，而箱體的旁邊上端的孔是用來(lái)通過(guò)電線。下面的箱體是存放控制輪胎的電機(jī)，右邊有用來(lái)安放齒輪的空間和通孔來(lái)固定齒輪。下肢兩個(gè)豎直的同軸孔也是用來(lái)通過(guò)電線的。下肢總長(zhǎng)約1米，下肢主體寬度約20厘米。

　　3輪式移動(dòng)原理

　　輪式移動(dòng)原理主要的為麥克納姆輪的移動(dòng)原理。

　　麥克納姆輪是瑞典麥克納姆公司的專(zhuān)利。這種全方位移動(dòng)方式是基于一個(gè)有許多位于機(jī)輪周邊的輪軸的中心輪的原理上，這些成角度的周邊輪軸把一部分的機(jī)輪轉(zhuǎn)向力轉(zhuǎn)化到一個(gè)機(jī)輪法相力上面。依靠各自機(jī)輪的方向和速度，這些力的最終合成在任何要求的方向上產(chǎn)生一個(gè)合力矢量從而保證了這個(gè)平臺(tái)在最終的合力矢量的方向上能自由地移動(dòng)，而不改變機(jī)輪自身的方向。在它的輪緣上斜向分布著許多小棍子，故輪子可以橫向滑移。小滾子的母線很特殊，當(dāng)輪子繞著固定的輪心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，各個(gè)小滾子的包絡(luò)線為圓柱面，所以該輪能夠連續(xù)地向前滾動(dòng)。麥克納姆輪結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)靈活，是很成功的一種全方位輪。有4個(gè)這種新型輪子進(jìn)行組合，可以更靈活方便的實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)功能。

　　麥克納姆外形像一個(gè)斜齒輪，輪齒是能夠轉(zhuǎn)動(dòng)的鼓形輥?zhàn)樱佔(zhàn)拥妮S線與輪的軸線成α角度。這樣的特殊結(jié)構(gòu)使得輪體具備了三個(gè)自由度：繞輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和沿輥?zhàn)虞S線垂線方向的平動(dòng)和繞輥?zhàn)优c地面接觸點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，驅(qū)動(dòng)輪在一個(gè)方向上具有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)能力的同時(shí)，另外一個(gè)方向也具有自由移動(dòng)（被動(dòng)移動(dòng)）的運(yùn)動(dòng)特性。輪子的圓周不是由普通的輪胎組成，而是分布了許多小滾筒，這些滾筒的軸線與輪子的圓周相切，并且滾筒能自由旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，車(chē)輪以普通方式沿著垂直于驅(qū)動(dòng)軸的方向前進(jìn)，同時(shí)車(chē)輪周邊的輥?zhàn)友刂涓髯缘妮S線自由旋轉(zhuǎn)。圖2為麥克納姆輪的各結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參量。

　　圖2麥克納姆輪運(yùn)動(dòng)參量的定義

　　4伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是機(jī)器人系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)精確地完成各項(xiàng)任務(wù)起著重要作用，有時(shí)也可作為一個(gè)簡(jiǎn)單的控制器。構(gòu)成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的要素有：計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)及控制軟件、輸入/輸出設(shè)備、驅(qū)動(dòng)器、傳感器系統(tǒng)，它們之間的關(guān)系如圖3所示。

　　圖3機(jī)器人控制系統(tǒng)構(gòu)成要素

　　4.1移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究

　?。?}移動(dòng)機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)。利用分布式智能結(jié)構(gòu)可以提高移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)時(shí)性和魯棒性，并減小移動(dòng)機(jī)器人的體積和自重，使機(jī)器人更加輕便、靈活。

　　（2）控制系統(tǒng)中的傳感器技術(shù)。移動(dòng)機(jī)器人傳感器技術(shù)主要是對(duì)機(jī)器人自身內(nèi)部的位置和方向信息以及外部環(huán)境信息的檢測(cè)和處理。獲取真實(shí)有效的環(huán)境信息，是控制系統(tǒng)進(jìn)行決策的保證。通常采用的傳感器分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。內(nèi)部傳感器主要包括：編碼器、線加速度計(jì)、陀螺儀、磁羅招等。外部傳感器主要包括：視覺(jué)傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、接觸和接近傳感器等。

　?。?）控制系統(tǒng)的多傳感器信息融合技術(shù)。多傳感器信息融合是把分布在不同位置的傳感器所提供的局部環(huán)境的不完整信息加以綜合，消除多傳感器之間可能存在的冗余和矛盾，以降低其不確定性，形成對(duì)系統(tǒng)環(huán)境的相對(duì)完整一致的感知描述，從而提高智能系統(tǒng)決策、規(guī)劃的快速性和正確性，同時(shí)降低決策風(fēng)險(xiǎn)。

　?。?）控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)技術(shù)。重點(diǎn)研究開(kāi)放式、模塊化控制系統(tǒng)。移動(dòng)機(jī)器人控制器結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化，以及網(wǎng)絡(luò)式控制器成為研究熱點(diǎn)。編程技術(shù)進(jìn)一步提高在線編程的可操作性，離線編程的人機(jī)界面更加友好、自然語(yǔ)言化編程和圖形化編程的進(jìn)一步推廣也是今后研究的重點(diǎn)。

　?。?）運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)必須足夠快，受控并安全，避開(kāi)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的障礙。軌跡跟蹤、路徑跟蹤、點(diǎn)鎮(zhèn)定是移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的三個(gè)基本問(wèn)題;

　?。?）控制系統(tǒng)的智能化技術(shù)。控制系統(tǒng)的智能特征包括知識(shí)理解、歸納、推斷、反應(yīng)和問(wèn)題求解等內(nèi)容。涉及領(lǐng)域包括圖像理解、語(yǔ)音和文字符號(hào)的處理與理解、知識(shí)的表達(dá)和獲取等方面。智能控制方法常使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制方法，但前者往往伴隨著對(duì)存儲(chǔ)容量、運(yùn)算速度的較高要求，這與移動(dòng)機(jī)器人高速高精度運(yùn)動(dòng)控制的要求存在一定差距，故模糊控制方法在機(jī)器人控制方面有著較大的優(yōu)勢(shì)。

　　根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合本機(jī)器人的系統(tǒng)功能和特點(diǎn)，按照模塊化的設(shè)計(jì)思想，提出了機(jī)器人控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案。如下圖所示：

　　圖4控制系統(tǒng)總體方案

　　控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

　　該方案是以ATmega128芯片為核心，分模塊化設(shè)計(jì)，各子模塊功能為：

　?。?）微處理器模塊：是控制系統(tǒng)的核心，包括微控制器及其相關(guān)外圍電路主要進(jìn)行各種信息、數(shù)據(jù)的處理，協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各功能模塊完成預(yù)定的任務(wù)；

　　（2）驅(qū)動(dòng)模塊：控制機(jī)器人系統(tǒng)中的舵機(jī)和傳感器模塊預(yù)定的任務(wù);實(shí)現(xiàn)舵機(jī)速度和位置的控制，完成前進(jìn)、后退、直行、轉(zhuǎn)彎、避障、抓取等動(dòng)作；

　　（3）傳感器模塊：有速度、位置、距離、聲音等傳感器，主要負(fù)責(zé)移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)過(guò)程中的障礙物、聲音等檢測(cè);

　?。?）電源模塊：負(fù)責(zé)整個(gè)移動(dòng)機(jī)器人的電源供給，使系統(tǒng)能離線運(yùn)動(dòng)，主要由12V蓄電池及相關(guān)調(diào)壓穩(wěn)壓電路組成；

　?。?）串口通信模塊：根據(jù)RS232通信標(biāo)準(zhǔn)與上位機(jī)進(jìn)行串口通信;

　　（6）JTAG調(diào)試：可以實(shí)現(xiàn)在線編程、調(diào)試仿真。

　　3.2機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

　　目前，愛(ài)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制中較為常見(jiàn)的有直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)。對(duì)于我的課題來(lái)說(shuō)，一個(gè)能控制速度的電機(jī)作為麥克納姆輪使用，也需要一個(gè)能精確可控制角度且可以保持的電機(jī)作為腿部關(guān)節(jié)使用。經(jīng)過(guò)我初步估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速不是很大，如果使用直流電機(jī)，由于轉(zhuǎn)速和力矩的影響，需配置減速器，且不能控制角度。而如果使用步進(jìn)電機(jī)，需配置驅(qū)動(dòng)器。為滿(mǎn)足系統(tǒng)的控制要求，考慮到經(jīng)濟(jì)性等，我準(zhǔn)備采用Dynamixel系列AX-12舵機(jī)它是機(jī)器人專(zhuān)用的伺服電機(jī)。它不但能精確控制角度，作為關(guān)節(jié)角度控制；也可以通過(guò)軟件設(shè)置為無(wú)限旋轉(zhuǎn)模式，作為車(chē)輪使用。

　　3.3AX-12數(shù)字舵機(jī)概述及特性

　　舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。其工作原理是：控制信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20mS，寬度為1.5ms 的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。AX-12舵機(jī)是一款智能化、模塊化的動(dòng)力裝置，主要由一個(gè)微處理器、一個(gè)精確的直流電機(jī)、齒輪減速器、位置傳感器、溫度傳感器以及具備通訊功能的控制芯片等組成，其內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)和電路控制如圖4所示：

　　圖4.1舵機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和控制圖

　　AX-12數(shù)字舵機(jī)作為舵機(jī)用時(shí)，最大轉(zhuǎn)角為300度，作為電機(jī)用時(shí)可以自由旋轉(zhuǎn)，應(yīng)用范圍廣；采用數(shù)字信號(hào)控制，控制起來(lái)更方便;每個(gè)舵機(jī)都擁有唯一的ID號(hào)，采用網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)模式、Daisy總線連接方式，可以多個(gè)網(wǎng)狀串連控制，連接方便。它的具體參數(shù)如表1.1所示。

　　表1.1舵機(jī)具體參數(shù)

　　項(xiàng)目參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)

　　重量55g位移角度0-300°無(wú)限旋轉(zhuǎn)

　　減速比1/254最小角度0.35°

　　工作電壓7VDC-12VDC通訊半雙工異步串行通信

　　工作溫度-5-85攝氏度波特率7343bps-1Mbps

　　最大電流900mA指令包數(shù)字信號(hào)

　　輸入電壓7V10V物理連接TTL多通道（daisy總線）

　　最大扭矩12（Kgf？cm）16.5（Kgf？cm）材料工程塑料

　　轉(zhuǎn)速0.269（秒/60°）0.196（秒/60°）反饋位置、溫度、負(fù)載、電壓等

　　由于AX-12內(nèi)部配有一個(gè)ATmega8微處理器，用來(lái)接收控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)包，通過(guò)相應(yīng)的處理后給伺服電機(jī)發(fā)送PWM信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的起停。因此，控制舵機(jī)實(shí)際上是去控制ATmega8舵機(jī)的狀態(tài)和參數(shù)都存儲(chǔ)在ATmega8的RAM和EEPROM相應(yīng)的地址里，對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制也就是對(duì)舵機(jī)的相應(yīng)地址讀和寫(xiě)數(shù)據(jù)的過(guò)程。

　　5AX-12舵機(jī)通信協(xié)議

　　AX-12數(shù)字舵機(jī)不像一般的R/C伺服電機(jī)（舵機(jī)）使用PWM控制，它的控制信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，主控制器和舵機(jī)采用TTL-Daisy總線的連接方式、半雙工異步串行通訊協(xié)議（（8位數(shù)據(jù)位、1位終止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位）。主控制器通過(guò)發(fā)送和接受數(shù)據(jù)包的形式來(lái)控制舵機(jī)，有兩種數(shù)據(jù)包：一個(gè)是指令包，這是從主控制器發(fā)給舵機(jī)的指令;另一個(gè)是狀態(tài)包，這是舵機(jī)返回給主控器的。如果主控器向ID為N的舵機(jī)發(fā)送指令包，則只有該ID的舵機(jī)會(huì)反饋相應(yīng)的狀態(tài)并且執(zhí)行需要的動(dòng)作。控制原理圖如圖5所示：

　　圖5舵機(jī)控制原理圖

　　6結(jié)束語(yǔ)

　　本文設(shè)計(jì)了一種輪式移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)：即基于伺服控制的移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用數(shù)控插補(bǔ)技術(shù)來(lái)跟蹤軌跡，具有跟蹤精度高等特點(diǎn)。選擇了專(zhuān)門(mén)用于電機(jī)控制的DSP芯片，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，提高了模塊的可靠性，并為今后控制算法的升級(jí)留有足夠的空間。本文采用的移動(dòng)機(jī)器人規(guī)劃路徑的航跡推算數(shù)學(xué)模型，它不同于傳統(tǒng)的只對(duì)直線和圓弧離散，而對(duì)一次、二次曲線跟蹤路徑都可以作離散化處理。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用主從式控制結(jié)構(gòu)，即由主機(jī)完成復(fù)雜計(jì)算，將處理后的數(shù)據(jù)傳遞給從機(jī)，由從機(jī)完成對(duì)小車(chē)本體的控制，方便地實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)控制。由從機(jī)執(zhí)行的運(yùn)動(dòng)控制器，成本低，功能強(qiáng)，使用方便，而具有十分廣闊的應(yīng)用前景。