关于被动同心转向式多履带全向移动机器人的设计.doc
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1、关于被动同心转向式多履带全向移动机器人的设计0 引言随着机器人技术的智能化,机器人在生产生活中发挥着越来越重要的作用1。移动机器人是机器人家族中灵活性更好、自主性更强、智能化更高的一员,可以实现自主导航、环境识别、安全避障的功能2。全向移动机器人在运动平面上具有前后、左右和自转的移动能力3,因此可以实现转弯半径为零的旋转,或者在保持机器人姿态不变的情况下向任何方向移动。由于独特的运动性能,全向移动机器人在智能轮椅、物料搬运机器人、巡检机器人等产品中具有明显的优越性4-7。目前全向移动机器人的典型运动结构有麦克纳姆轮、连续切换轮、同心转向轮8-10等。麦克纳姆轮和连续切换轮具有两个自由度:一个沿
2、轮面切向的主动驱动自由度,一个与轮面切向呈固定角度的随动自由度。轮体的转动由电机驱动,辊子在地面摩擦力的作用下被动旋转,通过控制轮体的旋转来实现机器人全向移动11。但是麦克纳姆轮外缘的辊子交替与地面接触,在滚动过程中辊子不断受到地面的冲击载荷,使得轮子在转动过程中与地面接触点的高度不断变化,导致车体振动或打滑12。转向轮组成的全向移动机器人由多个独立转向的传统轮子构成,轮子方向的偏转和自身的旋转都由独立的电机驱动,通过控制轮子的偏转角度和旋转速度来实现机器人全向移动13。由于轮子朝向的偏转需要主动转向结构驱动,因此需要复杂的转向结构,且机器人在直线运行时,转向驱动结构成为额外的负载,能量利用率
3、低。综合上述问题,本文采用被动同心转向结构的履带单元代替主动转向轮,设计了一种多履带式全向移动机器人。该机器人不需要复杂的主动转向结构,且具备履带式机器人运行平稳、载重能力强等特点。1 机器人结构设计机器人由主体和4个差速式履带单元构成,每履带单元构成一组被动同心转向结构,通过角接触轴承安装在机器人本体下方。履带单元可绕偏转轴90偏转,偏转角由精密旋转电位器测量,电位器的旋转轴通过联轴器固定在履带单元的偏转轴上。由于角接触轴承可同时承受较大的径向负荷和轴向负荷,所以履带单元既可以起到承载机器人本体和负载重量的作用,又能通过履带运转牵引机器人水平运动。机器人主体底板采用铝合金结构,上方承载机器人
4、本体的设备和结构,下方为4个履带单元。其中侧板和支撑结构使用3D打印成型,固定在底板上,主要起支撑和固定作用,图1为机器人结构三维模型。每个履带单元由履带、履带支撑轮、驱动电机、电机减速器、测速编码器、半圆遮光板等组成,图2为履带单元结构模型。2 机器人电路设计与控制流程2.1 机器人电路设计机器人使用标称电压12 V、容量为31 200 mAh的锂电池供电,电源管理模块将电压稳定为12 V和5 V。机器人采用ROS(Robot Operating System)为控制和通信系统,ROS核心运行在树莓派3中,机器人底层驱动采用基于mbed开发的NUCLEO-F446开发板,使用UART接口与树
5、莓派通信,系统通过路由器与PC进行远程连接与数据传输。机器人使用4个双H桥电路驱动8个直流电机运动,电机驱动可以在控制器的控制下独立驱动每个履带单元中的电机运动,偏转角由电位器测量,通过处理器中的12位ADC进行采集。其电路系统示意图由图3所示。通过机械结构的建模与加工和电路系统的搭建,最终研制出多履带全向移动机器人,如图4所示。2.2 机器人控制流程机器人每个履带单元上两个电机的转速由固定在电机尾部的测速编码器测量得到,通过减速比、驱动轮半径和履带厚度可以计算出机器人移动速度。两个履带的运行速度可以分解为每个履带单元运动的两个自由度,一个自由度控制前后运动,另一个自由度控制运动方向。通过对机
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