世界技能大賽移動機(jī)器人底盤選擇與控制研究

作者：章安福（廣州市工貿(mào)技師學(xué)院，廣州 510000）時(shí)間：2021-08-03 來源：電子產(chǎn)品世界

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編者按：本文以45屆世界技能大賽移動機(jī)器人項(xiàng)目中涉及的機(jī)器人底盤控制為例，對三輪移動機(jī)器人運(yùn)動控制方法及選擇過程進(jìn)行分析。移動機(jī)器人是一個(gè)聚集環(huán)境檢測、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多功能為一體的智能系統(tǒng)[1]。該系統(tǒng)包含傳感器技術(shù)、信息處理、電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動化控制工程以及人工智能等多個(gè)學(xué)科的研究成果。

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/202108/427333.htm

摘要：文章介紹了第45屆世界技能大賽中使用最為廣泛的三輪移動機(jī)器人，具體分析了輪系選擇到控制實(shí)現(xiàn)的整個(gè)過程，實(shí)踐表明，該套控制系統(tǒng)具有良好的運(yùn)動控制精度，并在比賽應(yīng)用中滿足了高速、精確的底盤 運(yùn)動控制要求，為全國參賽院校提供了較好的參考。

作者簡介：章安福（1986—），男，漢族，籍貫江蘇宿遷，本科，職務(wù)：專業(yè)帶頭人，職稱：高級講師，研究方向：電氣自動化、機(jī)器人、智能控制。

1 項(xiàng)目背景與任務(wù)分析

第45 屆世界技能大賽移動機(jī)器人項(xiàng)目的任務(wù)是基于現(xiàn)實(shí)工廠的自動化裝配場景設(shè)計(jì)的，要求機(jī)器人能夠在虛擬工廠場景中完成將1 個(gè)零件從零件庫到裝配工作站的自主拾取、自主移動、自主裝配的自動化過程。移動機(jī)器人需要通過讀取命令板上的信息，將所要求的零件裝載至指定零件架，運(yùn)送到指定的工作站。通過對虛擬工廠的簡單分析，初步確定機(jī)器人移動系統(tǒng)的基本要求，如圖1 所示。

虛擬工廠的零件架與工作站位置固定，使用全向運(yùn)動的移動系統(tǒng)能夠靈活且精準(zhǔn)到達(dá)，移動機(jī)器人可以通過巡線確定左右位置，通過測距傳感器確定前后位置，因此可以初步確定全向運(yùn)動的移動系統(tǒng)作為移動機(jī)器人的移動結(jié)構(gòu)。

2 底盤選擇與搭建

2.1 移動機(jī)器人底盤選擇

縱觀歷屆世賽，移動機(jī)器人項(xiàng)目的典型移動系統(tǒng)有兩電機(jī)實(shí)現(xiàn)的差動控制系統(tǒng)、三電機(jī)實(shí)現(xiàn)的全向控制底盤和四電機(jī)驅(qū)動全向控制底盤（表1）^[2]。在第45 屆世界技能大賽移動機(jī)器人項(xiàng)目的任務(wù)中，由于整個(gè)任務(wù)要求機(jī)器人具有靈活移動的同時(shí)使用盡可能少的電機(jī)，三電機(jī)實(shí)現(xiàn)的全向移動系統(tǒng)能夠在2 m×4 m 的虛擬工廠中自由全方位移動，快速、精準(zhǔn)地到達(dá)命令欄、零件庫、零件架區(qū)域、工作站區(qū)域前方，同時(shí)能夠滿足虛擬工廠內(nèi)10° 斜坡的移動要求，完成任務(wù)比兩電機(jī)驅(qū)動底盤更加靈活，比四電機(jī)驅(qū)動的底盤具有相同靈活性，同時(shí)減少了1 個(gè)電機(jī)的使用。經(jīng)對比分析，最終選擇了三電機(jī)驅(qū)動的底盤作為搭建原型。

2.2 移動機(jī)器人底盤搭建

2.2.1 輪子選擇

全向移動的移動機(jī)器人底盤設(shè)計(jì)一般采用全向輪和麥克納姆輪2 種。麥克納姆輪承重能力大，摩擦力大，常用于4 輪底盤設(shè)計(jì)。全向輪的特點(diǎn)是靈活快速，原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)更精準(zhǔn)，常用于3 輪底盤設(shè)計(jì)?？紤]到套件資源因素，同時(shí)也希望機(jī)器人擁有快速移動能力，最后選擇使用3 輪全向輪底盤（圖2)。

圖2 全向輪

2.2.2 底盤的制作與裝配

在移動機(jī)器人項(xiàng)目提供的套件中，U 型通道的尺寸無法滿足于我們的底盤支架大小，因此將原有的U 型通道加工為長度160 mm 的U 型通道。底盤使用3 條U型通道以60° 內(nèi)角分別連接底部的電機(jī)座（如圖3）。

圖3 底盤裝配

頂部后面裝有2 路超聲波傳感器，右則裝有1 路紅外傳感器，右前方裝有1 路紅外傳感器，前方底部裝有4 路QTI 傳感器，中間放置1 個(gè)陀螺儀。底盤使用2 塊電池，分別放置在后方兩側(cè)，最終完成的機(jī)器人如圖4所示。

圖4 底盤機(jī)構(gòu)

3 底盤控制研究與實(shí)現(xiàn)

三輪全向移動底盤具有良好的運(yùn)動性。3 個(gè)輪子互相間隔120° ，每個(gè)全向輪由若干個(gè)小滾輪組成，各滾輪的母線組成1 個(gè)完整的圓。機(jī)器人既可以沿輪面的切線方向移動，也可以沿輪子的軸線方向移動，這兩種運(yùn)動的組合即可以實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)任意方向的運(yùn)動。

建立世界坐標(biāo)系x′o′y′，機(jī)器人坐標(biāo)系xoy。移動底盤自身的角速度為ω，中心到輪子的距離為常數(shù)L，順時(shí)針為角速度正方向，各輪子速度為Va、Vb、Vc，移動底盤在自身坐標(biāo)系下的分速度為Vx、Vy，夾角θ1=π/3，θ2=π/6，α 是兩個(gè)坐標(biāo)系的夾角。運(yùn)動模型如圖5 所示。

圖5 運(yùn)動模型

經(jīng)分析可得如下關(guān)系式：

以矩陣方式表示如下：

以上是機(jī)器人在自身坐標(biāo)系下的運(yùn)動學(xué)方程，實(shí)際應(yīng)用中還需要轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)系，圖5 中機(jī)器人自身坐標(biāo)與世界坐標(biāo)的夾角為α。假設(shè)機(jī)器人在世界坐標(biāo)系的速度和角速度為： Vx′ 、Vy′ 、W。

可以推出：

因此，可以推出機(jī)器人相對于自身坐標(biāo)系下的速度與機(jī)器人相對于全局坐標(biāo)系下的速度之間的變換關(guān)系為一個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣：

因此兩個(gè)坐標(biāo)系的變換可寫成：

再代入最開始的矩陣得到：

通過此方程即可以將場地的速度與輪子的速度連接起來，根據(jù)這個(gè)算法將輪子的速度計(jì)算出來，由此可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制輪子的運(yùn)動^[3]。

坐標(biāo)移動方式可分為相對坐標(biāo)移動與絕對坐標(biāo)移動，相對坐標(biāo)移動是以機(jī)器人自身作為坐標(biāo)運(yùn)動的中心向任意方向運(yùn)動；絕對坐標(biāo)移動是以運(yùn)動空間中的某一個(gè)點(diǎn)作為坐標(biāo)運(yùn)動的中心向任意方向運(yùn)動。

程序上的實(shí)現(xiàn)是通過LabVIEW Robotics Steering 模塊提供的移動機(jī)器人運(yùn)動學(xué)解算算法。通過配置輪式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速搭建框架。不需要學(xué)習(xí)移動機(jī)器人運(yùn)動學(xué)中枯燥乏味的算法就能實(shí)現(xiàn)對不同輪式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人驅(qū)動。

3輪全向輪運(yùn)動框架的配置需要切換到程序框圖，右擊彈出函數(shù)面板（如圖6）。myRIO ? Robotics Algorithms ? Steering ? Configure，調(diào)用編寫搭建運(yùn)動模型所需的函數(shù)。用myRIO 自帶的快速VI 編寫，這樣會更加方便快捷。

進(jìn)入配置頁面，配置移動機(jī)器人運(yùn)動框架模塊可以創(chuàng)建不同的運(yùn)動框架（圖7），例如：兩輪差動模型[4]、三輪全向輪、四輪全向輪等。

圖6 調(diào)用配置框架快速VI

圖7 配置框架

不同轉(zhuǎn)向類型配置欄里的選項(xiàng)也會不一樣，這里以User Defined（用戶定義）類型進(jìn)行說明，分別有Wheel Type（輪子類型）、Wheel Name（輪子名稱）、X position（輪子X 坐標(biāo)）、Y position（輪子Y 坐標(biāo)）、WheelRadius（輪子半徑）、Gear Ratio（齒輪比）和Frame Angle（輪子夾角）。這里顯示配置輪子的數(shù)量，不同的轉(zhuǎn)向類型輪子數(shù)量也不一樣，右下方的3 個(gè)按鈕可以對輪子進(jìn)行添加、刪除、復(fù)制等。點(diǎn)擊不同輪子可以進(jìn)行輪子的配置，在調(diào)用的畫面中會顯示輪子的布局以及每個(gè)輪子的大小與角度等。對于3 輪全向移動系統(tǒng)的配置，轉(zhuǎn)向類型選擇User Defined（用戶定義），旋轉(zhuǎn)單位選擇Degrees（度），再在輪子列表中添加兩個(gè)輪子，變成3 輪全向移動系統(tǒng)。

配置完底盤控制框架后，我們將配置框架、逆運(yùn)動學(xué)解算、正運(yùn)動學(xué)解算以及電機(jī)速度環(huán)連接起來。正運(yùn)動學(xué)通過電機(jī)編碼器解算出當(dāng)前機(jī)器人在機(jī)體坐標(biāo)系下的矢量速度；逆運(yùn)動學(xué)負(fù)責(zé)解算設(shè)定機(jī)體坐標(biāo)系下的速度，得到每個(gè)輪子電機(jī)的矢量速度，從而實(shí)現(xiàn)3 輪機(jī)器人底盤的運(yùn)動控制（圖8）。