蔣冬清，李三雁

自主定位機器人三角底盤的搭建及控制分析

蔣冬清，李三雁

（四川大學錦城學院，四川 成都 611731）

介紹了一款三角全向輪自主定位機器人底盤的搭建，包括全向輪型號的選擇、動力系統(tǒng)的介紹以及機器人定位系統(tǒng)的選用，并完成了機器人底盤結(jié)構(gòu)的設(shè)計與強度分析。此外還分析了機器人三角底盤的運動特性，給出在平移和旋轉(zhuǎn)的工作情況下各全向輪的速度計算公式。完成了機器人運動的控制分析，給出控制流程。最后搭建了實物模型，實物模型運行平穩(wěn)，能夠?qū)崿F(xiàn)運動過程中的底盤自轉(zhuǎn)，運動位置精度在±20 mm以內(nèi)，達到了預期目標，從而驗證了設(shè)計的準確性。

三角全向輪；機器人；底盤；自主定位

隨著工業(yè)自動化和自動化餐廳等設(shè)施不斷普及，工業(yè)機器人和各行各業(yè)服務型機器人的研究都是當前的熱點，這些機器人能夠?qū)崿F(xiàn)定點移動的關(guān)鍵技術(shù)在于機器人的底盤設(shè)計。機器人底盤有兩個關(guān)鍵技術(shù)：①機器人的行走方式；②能提供實時位置和方位信息的定位技術(shù)。

目前比較常見的機器人行走形式有足式、輪式和履帶式結(jié)構(gòu)。考慮到機器人平衡等原因，一般工業(yè)和服務型機器人會選用輪式或者履帶式移動結(jié)構(gòu)；而對于服務或者輕工業(yè)輔助機器人，為了方便其轉(zhuǎn)向和移動，一般會選用輪式結(jié)構(gòu)。本文將對運動和轉(zhuǎn)向十分靈活的三角全向輪底盤做詳細介紹。

移動機器人常用的室內(nèi)定位方式有無線定位技術(shù)（包括Wi-Fi、藍牙、RFID、紅外線、超寬帶、ZigBee和超聲波定位等）、視覺導航技術(shù)、激光導航技術(shù)、基塔定位等，在不同領(lǐng)域都有一定的運用，但這些方式要么定位精度不夠，要么處理速度不夠，或者價格較高。本次機器人底盤研究中，選用了性價比較高的基于編碼器和陀螺儀的室內(nèi)平面定位技術(shù)[1-3]。

通過對三角全向輪的自主定位機器人底盤搭建及控制分析研究，希望對后續(xù)室內(nèi)移動機器人的研究和普及提供一定的參考。

1 三角底盤的結(jié)構(gòu)搭建

1.1 全向輪及其動力系統(tǒng)

1.1.1 全向輪選型

全向輪一般包括輪轂和從動輪兩個部分，在輪轂的外圓周處均勻開設(shè)有3個或3個以上的輪轂齒，每兩個輪轂齒之間安裝有一個從動輪，這些從動輪的徑向方向與輪轂外圓周的切線方向垂直。全向輪能夠靈活地向各個方向自由移動，不光能在輪轂切線方向運動，與切線垂直的部分也能以滾動摩擦的形式進行移動。幾個輪子配合使用，可以實現(xiàn)底盤或者小車的各方位低摩擦運動。全向輪可以像一個正常的車輪或使用從動輪的輥側(cè)向滾動，其膠輥提供了極大的靈活性[9]，適用于大部分輪式的機器人、手推車、轉(zhuǎn)移輸送機、貨運車、行李等。

全方位車輪性能完善，與傳統(tǒng)車輪相比有較大優(yōu)勢。首先，全方位輪無需潤滑，使用方便；其次，其現(xiàn)場維護和安裝非常簡單。

全向輪一般可分為單盤和雙排兩種類型。其中，單盤全方位輪的從動輪是單排的，而雙排全方位輪的從動輪有兩排，兩排從動輪相互配合。相比于單排的全向輪，雙排的全方向輪滾筒之間沒有死區(qū)，且承載力更強，因此優(yōu)先選擇雙排全向輪。

本次設(shè)計的全方位機器人的背景為機器人競賽，對機器人進行了尺寸限制，因此選用成都航發(fā)公司的CL-13全向輪，其直徑127 mm，寬度39 mm，中心孔徑6 mm，承載能力50 kg。此全向輪采用橡膠材質(zhì)的小輪和鋼制鍍鋅輪轂，且每個從動小輪內(nèi)使用了尼龍滑動軸承，使運行阻力更小，同時具有多種安轉(zhuǎn)尺寸可選，性價比較高，能滿足競賽的精度要求[3]。

1.1.2 動力驅(qū)動系統(tǒng)

為達到控制精度要求，萬向輪的動力提供選用了瑞士maxon公司的RE35直流伺服電機，其額定功率90 W，最大持續(xù)扭矩73.2 N·m。額定電壓24 V，額定空載轉(zhuǎn)數(shù)7670 rad/min，配有減速比14:1的行星減速箱，編碼器為標配光電式的5線雙通道輸出編碼器。

由于一般的室內(nèi)機器人的尺寸及功率都會有所限制，因此制作過程中需選用體積小、控制精度高、信號傳輸穩(wěn)定的驅(qū)動器，經(jīng)過反復比較最終確定使用艾克申公司的Spinach直流伺服電機驅(qū)動器，參數(shù)如表1所示。

表1 直流伺服電機驅(qū)動器參數(shù)

驅(qū)動器第一次使用時需要進行電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的PID參數(shù)調(diào)試與設(shè)置，這是非常重要的一個環(huán)節(jié)，需要詳細觀察被控電機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)與上位機監(jiān)控界面的數(shù)據(jù)圖作對比，調(diào)試出最合適的PID參數(shù)進行設(shè)置。在設(shè)置時應該特別注意，三角底盤的每一個驅(qū)動器都應單獨設(shè)置，其設(shè)定的各個環(huán)節(jié)的PID參數(shù)都有所不同，第一次設(shè)定好之后，后續(xù)就可以用控制器的程序直接對電機進行伺服控制。

1.1.3 控制處理器的選擇

由于該機器人底盤設(shè)定為室內(nèi)機器人，因此，首先，對于單片機工作環(huán)境沒有過于苛刻的要求，其次，對于單片機的尺寸大小有限制要求，再者，由于要實時定位并進行校準，所以對于單片機的運算速度有較高要求。綜合上述原因，選擇了ARM類型的STM32單片機。

STM32單片機的型號有很多，基于該室內(nèi)機器人底盤的設(shè)計需求，其需要滿足I/O口較多、內(nèi)存RAM適中、運算速度快等要求，最終選用STM32F103ZET6型號來完成該底盤的控制計算。

1.2 定位方式的選擇

1.2.1 定位系統(tǒng)

本機器人底盤選用艾克申定位系統(tǒng)進行定位。這是一種專門用于移動機器人平面定位的位置傳感系統(tǒng)，機器人通過該系統(tǒng)獲取實時位置和角度信息，實現(xiàn)自主定位與導航。定位系統(tǒng)采用MEMS慣導技術(shù)與磁阻位移測量技術(shù)，通過集成互補濾波算法、卡爾曼濾波算法以及艾克申A-Fusion算法，保證機器人定位的可靠性與準確性[4-5]。該定位器通過高精度陀螺儀與正交編碼器相結(jié)合，計算相對于初始位置（坐標為0, 0位置）的運動軌跡和坐標角度信息，通過簡單的算法就可以得出移動單元時刻的坐標位置，廣泛應用于各種室內(nèi)機器人移動平臺。該定位器的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用正交全向輪，小輥子內(nèi)置軸承，阻力較小，可以測出任意方向的移動量，最大限度地減少打滑帶來的影響，極大地提高了定位的精度與準確性。

1.2.2 定位系統(tǒng)的注意事項

室內(nèi)定位系統(tǒng)屬于高精度傳感設(shè)備，安裝位置的準確度與輸出的角度、坐標信息緊密相關(guān)，如果實際安裝位置與理論安裝位置有偏差，會造成較大誤差，所以制作過程中需嚴格按照以下建議安裝。

（1）該定位系統(tǒng)具有廣泛的適用性，可以安裝在移動底盤的任何位置，然后通過公式將定位系統(tǒng)的坐標、角度等信息轉(zhuǎn)換為整體的坐標、角度信息。為了保證更好的性能，優(yōu)先推薦定位系統(tǒng)中心與移動物體幾何中心重合，軸方向為移動底盤運動正方向；其次推薦定位系統(tǒng)中心在移動單元的旋轉(zhuǎn)軸線上；當然也可以安裝在底盤的任意位置，但安裝位置與移動單元中心的相對距離和角度必須確定。

圖1 定位器的外形結(jié)構(gòu)

（2）該定位系統(tǒng)本身具有彈簧懸掛，這個懸掛可以保證編碼器輪時刻與地面接觸。彈簧懸掛的浮動距離為30 mm，安裝面距離地面的高度應當控制在30～60 mm，為了達到最佳的浮動效果，建議安裝面距離地面45 mm。

（3）螺釘僅作為設(shè)備連接使用，為了保證多次安裝的一致性，建議在設(shè)備安裝位置加上卡位設(shè)計。

（4）使用過程中遠離振動源。

（5）保持水平安裝。

1.3 機器人底盤結(jié)構(gòu)搭建

一般室內(nèi)地面比較平整，因此室內(nèi)機器人底盤多采用輪式結(jié)構(gòu)。輪式又分為四輪和三輪，為了使機器人運動和轉(zhuǎn)向更加靈活，設(shè)計中采用了由伺服電機驅(qū)動萬向輪帶動的三輪底盤系統(tǒng)，其外形結(jié)構(gòu)如圖2所示，該底盤三個萬向輪呈120°均勻分布，為了保護電機，電機與支撐板采用支撐架和電機軸套進行固定。

圖2 三角底盤結(jié)構(gòu)

底盤支撐上層機器人的重量，采用8 mm的鋁合金板，根據(jù)實際承載情況添加邊界和約束條件，在UG中進行有限元分析，得圖3，最大變形量為3.104E-003，出現(xiàn)在圖示1的位置，該變形量情況基本滿足使用要求，與實際使用情況也吻合。

圖3 底盤支撐板變形量分析

2 三角底盤的運動分析

2.1 三角全向輪底盤移動原理分析

三角全向輪機器人底盤運動是由3個全向輪的速度合成而來，全向輪底盤結(jié)構(gòu)如圖4所示，設(shè)定輪子旋轉(zhuǎn)正方向為逆時針方向，機器人正向位置如圖所示。

v為底盤的運動速度；θ為底盤運動方向和機器人正向間的夾角。

根據(jù)三角函數(shù)及速度合成可以得出，三角底盤平移時各輪速度為：

2.2 運動過程中機器人底盤旋轉(zhuǎn)的運動分析

底盤在平動的同時繞任中心點旋轉(zhuǎn)的運動和上述分析類似，只是引入一個姿態(tài)角（底盤的平移運動方向與世界坐標系軸的夾角），底盤旋轉(zhuǎn)角速度為，此時有：

式（2）代入式（1），得到該三角全向輪機器人自主運動時三個全向輪的速度大小為：

式中：為全向輪的半徑，mm。

根據(jù)機器人移動所需要的速度和旋轉(zhuǎn)姿態(tài)的要求，按照式（3）就可以反推出每個全向輪的線速度。

2.3 各電機角速度的控制

伺服驅(qū)動器通過脈沖信號與電機編碼器通訊，從而控制電機的轉(zhuǎn)數(shù)以及加速度、位置。所以要對電機轉(zhuǎn)數(shù)進行控制，則需要計算出電機旋轉(zhuǎn)一圈所需的脈沖數(shù)。

編碼器為500線，且使用AB兩相輸入信號，可以4倍頻，電機是14:1的減速比，所以轉(zhuǎn)動一圈所需脈沖數(shù)為：

＝500×4×14＝28000 （4）

也就是說電機轉(zhuǎn)動一圈，需要伺服電機驅(qū)動器發(fā)出28000個脈沖。

由于輪子直徑為127 mm，因此周長約為398.78 mm，所以約為70.2141532 脈沖/mm，則所需脈沖頻率與線速度的關(guān)系為：

＝×70.2141532 （5）

式中：為所需輪子線速度，mm/s；為所需脈沖頻率，脈沖/s。

結(jié)合式（3）和式（5）就可以計算出每個驅(qū)動器所需脈沖頻率，進而通過伺服電機驅(qū)動器控制電機的轉(zhuǎn)動速度。

3 控制流程設(shè)計

3.1 控制要求

根據(jù)本三角底盤設(shè)計的背景，對控制部分提出以下要求：

（1）控制中心開機時，需要快速完成底盤各個單元的初始化設(shè)置，并且在初始化各個單元的同時，需要對未能正確初始化的單元進行報警，以便及時排查故障原因，減少機器人調(diào)試以及使用過程中排查故障原因的時間，提高工作效率。

（2）完成各個單元初試化設(shè)置之后，需要快速建立各個單元之間的通訊，并在等待定位系統(tǒng)初始定位完成后，使機器人能在短時間內(nèi)進入工作狀態(tài)。

（3）按下運行按鈕或者發(fā)送了遠程啟動命令后，機器人底盤需要通過定位系統(tǒng)傳回的位置坐標以及自身角度，不斷調(diào)整自己的運行狀態(tài)，按照既定策略準確運行。

（4）在靠近設(shè)定目的地時，需配合紅外傳感器進行輔助定位，減小在移動過程中產(chǎn)生的累積誤差，使機器人能準確抓取或放置目標物，并需要判斷是否還有下一個運動計劃，以及判斷底盤是否可開始下一次運動計劃的移動。

（5）在調(diào)試機器人底盤時，需要實時返回定位系統(tǒng)位置和角度參數(shù)以及規(guī)劃出的路徑點數(shù)據(jù)到手機端或者電腦端并顯示，以便快速查找問題和分析、優(yōu)化控制程序。

3.2 控制流程設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求，該移動機器人的控制流程共分為以下六部分：

（1）控制開始時對各單元初始化，并判斷初試化是否正常，若不正常則進行報警。

（2）完成初始化后，解讀總的運行計劃并自動規(guī)劃當前路徑點，等待運行按鈕信號。

（3）接到開始運行信號后，機器人開始運動，并以每10 ms一次的頻率讀取定位系統(tǒng)的角度、坐標數(shù)據(jù)，并根據(jù)設(shè)定計算已移動的位移，通過藍牙模塊將位置和角度數(shù)據(jù)發(fā)送至遠程監(jiān)控的手機端或者電腦端。

（4）控制機根據(jù)實施傳回的位置數(shù)據(jù)與最初規(guī)劃路徑點的差值進行PID運算，計算并控制底盤各輪的速度，以此實現(xiàn)精準位置控制。當機器人移動到距離目標點50 cm位置時，開啟觸碰傳感器和紅外傳感器檢測，進行輔助定位，實現(xiàn)精確定位[7]。

（5）到達預定位置時底盤控制單元發(fā)送信號給機器人上層控制單元，執(zhí)行目標物的抓取或者放置，并根據(jù)初始設(shè)定判斷是否還有下一個運動規(guī)劃，若有，則按照第一步的設(shè)定裝載計劃、規(guī)劃路徑，并等待上層控制單元給出動作完成信號以便執(zhí)行下一步的運動計劃。

（6）如果等待上層信號時間超過7 s則強制認為已收到信號，開始下一步的動作，以免在機器人動作過程中因為碰撞而導致信號故障、程序卡死等問題。

根據(jù)以上分析給出圖5。

4 驗證與結(jié)論

在以上分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)四川省大學機器人大賽熊貓樂園主題賽的相關(guān)要求，添加了部分上部構(gòu)架，在自主定位三角底盤的基礎(chǔ)上搭建了一個具有搬運功能的室內(nèi)機器人，如圖6所示，該機器人能夠根據(jù)預設(shè)程序，在沒有人為干預的情況下，完成定點抓取指定地標，且放置于指定位置，在控制精度和運動速度上都達到了較好的效果。

圖5 控制流程框圖

圖6 三角全向輪的自主定位機器人實物模型

在機器人實物制作的過程中應當特別注意，由于三角全向輪底盤需要搭載機器人上層結(jié)構(gòu)進行移動，因此有較大的負載施加在底盤上，在組裝時需要注意裝配的間隙，安裝過程中要盡量使電機支撐結(jié)構(gòu)能夠最大程度地減小電機軸壓力，否則如果電機軸在長期變形的情況下進行運轉(zhuǎn)，會大大降低電機的精度，從而影響機器人定位的準確性。其次，在安裝時，必須反復確認定位系統(tǒng)的中心點與三角全向輪底盤的中心完全重合，這樣做的主要目的是減小因為裝配而造成的定位誤差。最后，電機以及驅(qū)動器的電源線應盡量遠離定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸線（建議用一定方式固定在較為邊緣的位置），以免強電流干擾信號的傳輸，造成數(shù)據(jù)錯誤而導致較大的定位誤差。

三角全向輪的自主定位機器人能在實驗場地中按照既定計劃平穩(wěn)準確運動和定點停止，并且能夠順利完成抓取或者放置目標物，定位精度在±20 mm之間，達到了設(shè)計預期。通過本次基于三角全向輪的自主定位機器人底盤搭建及控制分析，可以看到三輪機器人的運動靈活性及方向和速度的可控性，為室內(nèi)場所的機器人運動規(guī)劃提供了一定的參考。

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Construction and Control Analysis of Triangle Chassis for Autonomous Positioning Robot

JIANG Dongqing，LI Sanyan

( Jincheng College of Sichuan University, Chengdu 611731, China )

This paper mainly introduces the construction of a triangle omnidirectional wheel autonomous positioning robot chassis. It includes the selection of omni-directional wheel, the introduction of power system and the selection of robot positioning system, and complete the design and strength analysis of the robot chassis structure. The motion characteristics of the triangle chassis are analyzed, and the speed calculation method of each omni-directional wheel in the case of translation and rotation is given. The control analysis of robot motion is completed, and the control flow is given. Finally, a physical model is built, it runs smoothly and can realize the chassis rotation in the process of movement. The accuracy of motion position is within ±20 mm, The expected goal is achieved, which verifies the accuracy of the design.

triangle omnidirectional wheel；robot；chassis；autonomous positioning

TP242

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.09.009

1006-0316 (2021) 09-0060-07

2021-02-05

四川大學錦城學院校級課題重點項目：室內(nèi)移動智能定位系統(tǒng)的研究（2019jcky0036）

蔣冬清（1984－），女，廣西桂林人，工學碩士，副教授，主要研究方向為機械電子工程、機械結(jié)構(gòu)、智能機器人等，E-mail：250529913@qq.com。