輪式移動(dòng)機器人伺服控制系統設計

　　1引言

　　隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類(lèi)的研究活動(dòng)領(lǐng)域已由陸地擴展到海底和空間。利用移動(dòng)機器人進(jìn)行空間探測和開(kāi)發(fā)，己成為21世紀世界各主要科技發(fā)達國家開(kāi)發(fā)空間資源的主要手段之一。研究和發(fā)展月球探測移動(dòng)機器人技術(shù)，對包括移動(dòng)機器人在內的相關(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)現在有障礙物的環(huán)境中面向目標的自主運動(dòng)，從而完成一定作業(yè)功能的機器人系統。近年來(lái)，由于移動(dòng)機器人在工業(yè)、農業(yè)、醫學(xué)、航天和人類(lèi)生活的各個(gè)方面顯示了越來(lái)越廣泛的應用前景，使得它成為了國際機器人學(xué)的研究熱點(diǎn)。20世紀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)，高適應性的移動(dòng)機器人控制技術(shù)，真實(shí)環(huán)境下的規劃技術(shù)為標志，開(kāi)展了移動(dòng)機器人更高層次的研究。目前，移動(dòng)機器人特別是自主機器人已成為機器人技術(shù)中一個(gè)于分活躍的研究領(lǐng)域。

　　輪式移動(dòng)機構具有運動(dòng)速度快、能量利用率高、結構簡(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。但隨著(zhù)各種各樣的車(chē)輪底盤(pán)的出現，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)機器人Marsokohod，美國CMU的六輪三體柔性機器人Robby系列以及美國JPL的六輪搖臂懸吊式行星漫游車(chē)Rocky系列，已使輪式機器人越野能力大大增加，可以和腿式機器人相媲美。于是人們對機器人機構研究的重心也隨之轉移到輪式機構上來(lái)，特別是最近日本開(kāi)發(fā)出一種結構獨特的五點(diǎn)支撐懸吊結構Micros，其卓越的越野能力較腿式機器人有過(guò)之而不及［6-8］。

　　輪式結構按輪的數量分可分為二輪機構、三輪機構、四輪機構、六輪以及多輪機構。二輪移動(dòng)機構的結構非常簡(jiǎn)單，但是在靜止和低速時(shí)非常不穩定。三輪機構的特點(diǎn)是機構組成容易，旋轉中心是在連接兩驅動(dòng)輪的直線(xiàn)上，可以實(shí)現零回轉半徑。四輪機構的運動(dòng)特性基本上與三輪機構相同，由于增加了一個(gè)支撐輪，運動(dòng)更加平穩。以上幾種輪式移動(dòng)機構的共同特點(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，不能作上下調整，因此，地面適用能力差。一般的六輪機構主要就是為了提高移動(dòng)機器人的地面適應能力而在其結構上作了改進(jìn)，增加了搖臂結構，使得機器人在行駛過(guò)程中，其輪子可以根據地形高低作上下調整，從而提高了移動(dòng)機器人的越野能力。

　　2機器人主體結構設計

　　主體結構為機器人的主要結構，里面包括了控制系統，四個(gè)驅動(dòng)電機以及一些傳感器，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)充當機器人的眼睛、觸覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)功能。結構主要為一箱體結構，里面按需要放置電機及系統硬件。主體結構如圖1所示。

　　圖1機器人主體機構圖

　　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，旁邊的孔是用來(lái)通過(guò)電線(xiàn)的，大箱體中間是安放控制系統的電板。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)保護內部元件。按照我的設想，在這個(gè)機器人的基礎上可以在主體上方添加其他功能。主體長(cháng)1.5米寬0.5米高0.3米。

　　對于下肢部分，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，但需要加入剎車(chē)系統，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計平臺安放電機，使其驅動(dòng)輪胎轉動(dòng)。一個(gè)輪胎對應一個(gè)電機，這樣才能通過(guò)改變每個(gè)輪胎的轉速來(lái)控制方向等復雜的移動(dòng)。

　　下肢除了像上肢一樣的結構外，多加了兩個(gè)在旁邊的箱體結構，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，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動(dòng)，而箱體的旁邊上端的孔是用來(lái)通過(guò)電線(xiàn)。下面的箱體是存放控制輪胎的電機，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(xiàn)的。下肢總長(cháng)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輪轉向力轉化到一個(gè)機輪法相力上面。依靠各自機輪的方向和速度，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)平臺在最終的合力矢量的方向上能自由地移動(dòng)，而不改變機輪自身的方向。在它的輪緣上斜向分布著(zhù)許多小棍子，故輪子可以橫向滑移。小滾子的母線(xiàn)很特殊，當輪子繞著(zhù)固定的輪心軸轉動(dòng)時(shí)，各個(gè)小滾子的包絡(luò )線(xiàn)為圓柱面，所以該輪能夠連續地向前滾動(dòng)。麥克納姆輪結構緊湊，運動(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，輪齒是能夠轉動(dòng)的鼓形輥子，輥子的軸線(xiàn)與輪的軸線(xiàn)成α角度。這樣的特殊結構使得輪體具備了三個(gè)自由度：繞輪軸的轉動(dòng)和沿輥子軸線(xiàn)垂線(xiàn)方向的平動(dòng)和繞輥子與地面接觸點(diǎn)的轉動(dòng)。這樣，驅動(dòng)輪在一個(gè)方向上具有主動(dòng)驅動(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(xiàn)與輪子的圓周相切，并且滾筒能自由旋轉。當電機驅動(dòng)車(chē)輪旋轉時(shí)，車(chē)輪以普通方式沿著(zhù)垂直于驅動(dòng)軸的方向前進(jìn)，同時(shí)車(chē)輪周邊的輥子沿著(zhù)其各自的軸線(xiàn)自由旋轉。圖2為麥克納姆輪的各結構和運動(dòng)參量。

　　圖2麥克納姆輪運動(dòng)參量的定義

　　4伺服控制系統設計

　　移動(dòng)機器人的運動(dòng)控制系統是機器人系統的執行機構，對系統精確地完成各項任務(wù)起著(zhù)重要作用，有時(shí)也可作為一個(gè)簡(jiǎn)單的控制器。構成機器人運動(dòng)控制系統的要素有：計算機硬件系統及控制軟件、輸入/輸出設備、驅動(dòng)器、傳感器系統，它們之間的關(guān)系如圖3所示。

　　圖3機器人控制系統構成要素

　　4.1移動(dòng)機器人控制系統的研究

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

　?。?）控制系統中的傳感器技術(shù)。移動(dòng)機器人傳感器技術(shù)主要是對機器人自身內部的位置和方向信息以及外部環(huán)境信息的檢測和處理。獲取真實(shí)有效的環(huán)境信息，是控制系統進(jìn)行決策的保證。通常采用的傳感器分為內部傳感器和外部傳感器。內部傳感器主要包括：編碼器、線(xiàn)加速度計、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，形成對系統環(huán)境的相對完整一致的感知描述，從而提高智能系統決策、規劃的快速性和正確性，同時(shí)降低決策風(fēng)險。

　?。?）控制系統的開(kāi)發(fā)技術(shù)。重點(diǎn)研究開(kāi)放式、模塊化控制系統。移動(dòng)機器人控制器結構的標準化，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(xiàn)編程的可操作性，離線(xiàn)編程的人機界面更加友好、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)。

　?。?）運動(dòng)控制技術(shù)。機器人運動(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)鎮定是移動(dòng)機器人運動(dòng)控制的三個(gè)基本問(wèn)題;

　?。?）控制系統的智能化技術(shù)?？刂葡到y的智能特征包括知識理解、歸納、推斷、反應和問(wèn)題求解等內容。涉及領(lǐng)域包括圖像理解、語(yǔ)音和文字符號的處理與理解、知識的表達和獲取等方面。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(zhù)對存儲容量、運算速度的較高要求，這與移動(dòng)機器人高速高精度運動(dòng)控制的要求存在一定差距，故模糊控制方法在機器人控制方面有著(zhù)較大的優(yōu)勢。

　　根據移動(dòng)機器人控制系統的設計要求，結合本機器人的系統功能和特點(diǎn)，按照模塊化的設計思想，提出了機器人控制系統總體設計方案。如下圖所示：

　　圖4控制系統總體方案

　　控制系統總體設計方案

　　該方案是以ATmega128芯片為核心，分模塊化設計，各子模塊功能為：

　?。?）微處理器模塊：是控制系統的核心，包括微控制器及其相關(guān)外圍電路主要進(jìn)行各種信息、數據的處理，協(xié)調系統中各功能模塊完成預定的任務(wù)；

　?。?）驅動(dòng)模塊：控制機器人系統中的舵機和傳感器模塊預定的任務(wù);實(shí)現舵機速度和位置的控制，完成前進(jìn)、后退、直行、轉彎、避障、抓取等動(dòng)作；

　?。?）傳感器模塊：有速度、位置、距離、聲音等傳感器，主要負責移動(dòng)機器人移動(dòng)過(guò)程中的障礙物、聲音等檢測;

　?。?）電源模塊：負責整個(gè)移動(dòng)機器人的電源供給，使系統能離線(xiàn)運動(dòng)，主要由12V蓄電池及相關(guān)調壓穩壓電路組成；

　?。?）串口通信模塊：根據RS232通信標準與上位機進(jìn)行串口通信;

　?。?）JTAG調試：可以實(shí)現在線(xiàn)編程、調試仿真。

　　3.2機器人的驅動(dòng)系統

　　目前，愛(ài)機器人的運動(dòng)控制中較為常見(jiàn)的有直流電機、步進(jìn)電機和舵機。對于我的課題來(lái)說(shuō)，一個(gè)能控制速度的電機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作為腿部關(guān)節使用。經(jīng)過(guò)我初步估計電機轉速不是很大，如果使用直流電機，由于轉速和力矩的影響，需配置減速器，且不能控制角度。而如果使用步進(jìn)電機，需配置驅動(dòng)器。為滿(mǎn)足系統的控制要求，考慮到經(jīng)濟性等，我準備采用Dynamixel系列AX-12舵機它是機器人專(zhuān)用的伺服電機。它不但能精確控制角度，作為關(guān)節角度控制；也可以通過(guò)軟件設置為無(wú)限旋轉模式，作為車(chē)輪使用。

　　3.3AX-12數字舵機概述及特性

　　舵機是一種位置伺服的驅動(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。其工作原理是：控制信號由接收機的通道進(jìn)入信號調制芯片，獲得直流偏置電壓。它內部有一個(gè)基準電路，產(chǎn)生周期為20mS，寬度為1.5ms 的基準信號，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，電壓差的正負輸出到電機驅動(dòng)芯片決定電機的正反轉。AX-12舵機是一款智能化、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、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，其內部機械結構和電路控制如圖4所示：

　　圖4.1舵機內部結構和控制圖

　　AX-12數字舵機作為舵機用時(shí)，最大轉角為300度，作為電機用時(shí)可以自由旋轉，應用范圍廣；采用數字信號控制，控制起來(lái)更方便;每個(gè)舵機都擁有唯一的ID號，采用網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)模式、Daisy總線(xiàn)連接方式，可以多個(gè)網(wǎng)狀串連控制，連接方便。它的具體參數如表1.1所示。

　　表1.1舵機具體參數

　　項目參數項目參數

　　重量55g位移角度0-300°無(wú)限旋轉

　　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指令包數字信號

　　輸入電壓7V10V物理連接TTL多通道（daisy總線(xiàn)）

　　最大扭矩12（Kgf？cm）16.5（Kgf？cm）材料工程塑料

　　轉速0.269（秒/60°）0.196（秒/60°）反饋位置、溫度、負載、電壓等

　　由于A(yíng)X-12內部配有一個(gè)ATmega8微處理器，用來(lái)接收控制器發(fā)送的數據包，通過(guò)相應的處理后給伺服電機發(fā)送PWM信號來(lái)控制電機的起停。因此，控制舵機實(shí)際上是去控制ATmega8舵機的狀態(tài)和參數都存儲在A(yíng)Tmega8的RAM和EEPROM相應的地址里，對舵機進(jìn)行控制也就是對舵機的相應地址讀和寫(xiě)數據的過(guò)程。

　　5AX-12舵機通信協(xié)議

　　AX-12數字舵機不像一般的R/C伺服電機（舵機）使用PWM控制，它的控制信號為數字信號，主控制器和舵機采用TTL-Daisy總線(xiàn)的連接方式、半雙工異步串行通訊協(xié)議（（8位數據位、1位終止位，無(wú)奇偶校驗位）。主控制器通過(guò)發(fā)送和接受數據包的形式來(lái)控制舵機，有兩種數據包：一個(gè)是指令包，這是從主控制器發(fā)給舵機的指令;另一個(gè)是狀態(tài)包，這是舵機返回給主控器的。如果主控器向ID為N的舵機發(fā)送指令包，則只有該ID的舵機會(huì )反饋相應的狀態(tài)并且執行需要的動(dòng)作?？刂圃韴D如圖5所示：

　　圖5舵機控制原理圖

　　6結束語(yǔ)

　　本文設計了一種輪式移動(dòng)機器人運動(dòng)控制系統：即基于伺服控制的移動(dòng)機器人運動(dòng)控制系統。本系統采用數控插補技術(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)用于電機控制的DSP芯片，簡(jiǎn)化了設計，提高了模塊的可靠性，并為今后控制算法的升級留有足夠的空間。本文采用的移動(dòng)機器人規劃路徑的航跡推算數學(xué)模型，它不同于傳統的只對直線(xiàn)和圓弧離散，而對一次、二次曲線(xiàn)跟蹤路徑都可以作離散化處理。運動(dòng)控制系統采用主從式控制結構，即由主機完成復雜計算，將處理后的數據傳遞給從機，由從機完成對小車(chē)本體的控制，方便地實(shí)現了步進(jìn)電機控制。由從機執行的運動(dòng)控制器，成本低，功能強，使用方便，而具有十分廣闊的應用前景。