世界技能大賽移動(dòng)機器人底盤(pán)選擇與控制研究

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(dòng)機器人，具體分析了輪系選擇到控制實(shí)現的整個(gè)過(guò)程，實(shí)踐表明，該套控制系統具有良好的運動(dòng)控制精度，并在比賽應用中滿(mǎn)足了高速、精確的底盤(pán)運動(dòng)控制要求，為全國參賽院校提供了較好的參考。

作者簡(jiǎn)介：章安福（1986—），男，漢族，籍貫江蘇宿遷，本科，職務(wù)：專(zhuān)業(yè)帶頭人，職稱(chēng)：高級講師，研究方向：電氣自動(dòng)化、機器人、智能控制。

1   項目背景與任務(wù)分析

第45 屆世界技能大賽移動(dòng)機器人項目的任務(wù)是基于現實(shí)工廠(chǎng)的自動(dòng)化裝配場(chǎng)景設計的，要求機器人能夠在虛擬工廠(chǎng)場(chǎng)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(dòng)、自主裝配的自動(dòng)化過(guò)程。移動(dòng)機器人需要通過(guò)讀取命令板上的信息，將所要求的零件裝載至指定零件架，運送到指定的工作站。通過(guò)對虛擬工廠(chǎng)的簡(jiǎn)單分析，初步確定機器人移動(dòng)系統的基本要求，如圖1 所示。

虛擬工廠(chǎng)的零件架與工作站位置固定，使用全向運動(dòng)的移動(dòng)系統能夠靈活且精準到達，移動(dòng)機器人可以通過(guò)巡線(xiàn)確定左右位置，通過(guò)測距傳感器確定前后位置，因此可以初步確定全向運動(dòng)的移動(dòng)系統作為移動(dòng)機器人的移動(dòng)結構。

2   底盤(pán)選擇與搭建

2.1 移動(dòng)機器人底盤(pán)選擇

縱觀(guān)歷屆世賽，移動(dòng)機器人項目的典型移動(dòng)系統有兩電機實(shí)現的差動(dòng)控制系統、三電機實(shí)現的全向控制底盤(pán)和四電機驅動(dòng)全向控制底盤(pán)（表1）^[2]。在第45 屆世界技能大賽移動(dòng)機器人項目的任務(wù)中，由于整個(gè)任務(wù)要求機器人具有靈活移動(dòng)的同時(shí)使用盡可能少的電機，三電機實(shí)現的全向移動(dòng)系統能夠在2 m×4 m 的虛擬工廠(chǎng)中自由全方位移動(dòng)，快速、精準地到達命令欄、零件庫、零件架區域、工作站區域前方，同時(shí)能夠滿(mǎn)足虛擬工廠(chǎng)內10° 斜坡的移動(dòng)要求，完成任務(wù)比兩電機驅動(dòng)底盤(pán)更加靈活，比四電機驅動(dòng)的底盤(pán)具有相同靈活性，同時(shí)減少了1 個(gè)電機的使用。經(jīng)對比分析，最終選擇了三電機驅動(dòng)的底盤(pán)作為搭建原型。

2.2 移動(dòng)機器人底盤(pán)搭建

2.2.1 輪子選擇

全向移動(dòng)的移動(dòng)機器人底盤(pán)設計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(pán)設計。全向輪的特點(diǎn)是靈活快速，原點(diǎn)旋轉更精準，常用于3 輪底盤(pán)設計?？紤]到套件資源因素，同時(shí)也希望機器人擁有快速移動(dòng)能力，最后選擇使用3 輪全向輪底盤(pán)（圖2)。

圖2 全向輪

2.2.2 底盤(pán)的制作與裝配

在移動(dòng)機器人項目提供的套件中，U 型通道的尺寸無(wú)法滿(mǎn)足于我們的底盤(pán)支架大小，因此將原有的U 型通道加工為長(cháng)度160 mm 的U 型通道。底盤(pán)使用3 條U型通道以60° 內角分別連接底部的電機座（如圖3）。

圖3 底盤(pán)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Q(chēng)TI 傳感器，中間放置1 個(gè)陀螺儀。底盤(pán)使用2 塊電池，分別放置在后方兩側，最終完成的機器人如圖4所示。

圖4 底盤(pán)機構

3   底盤(pán)控制研究與實(shí)現

三輪全向移動(dòng)底盤(pán)具有良好的運動(dòng)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(xiàn)組成1 個(gè)完整的圓。機器人既可以沿輪面的切線(xiàn)方向移動(dòng)，也可以沿輪子的軸線(xiàn)方向移動(dòng)，這兩種運動(dòng)的組合即可以實(shí)現平面內任意方向的運動(dòng)。

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

圖5 運動(dòng)模型

經(jīng)分析可得如下關(guān)系式：

以矩陣方式表示如下：

以上是機器人在自身坐標系下的運動(dòng)學(xué)方程，實(shí)際應用中還需要轉換為世界坐標系，圖5 中機器人自身坐標與世界坐標的夾角為α。假設機器人在世界坐標系的速度和角速度為： Vx′ 、Vy′ 、W。

可以推出：

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

因此兩個(gè)坐標系的變換可寫(xiě)成：

再代入最開(kāi)始的矩陣得到：

通過(guò)此方程即可以將場(chǎng)地的速度與輪子的速度連接起來(lái)，根據這個(gè)算法將輪子的速度計算出來(lái)，由此可以控制電機的轉速，從而控制輪子的運動(dòng)^[3]。

坐標移動(dòng)方式可分為相對坐標移動(dòng)與絕對坐標移動(dòng)，相對坐標移動(dòng)是以機器人自身作為坐標運動(dòng)的中心向任意方向運動(dòng)；絕對坐標移動(dòng)是以運動(dòng)空間中的某一個(gè)點(diǎn)作為坐標運動(dòng)的中心向任意方向運動(dòng)。

程序上的實(shí)現是通過(guò)LabVIEW Robotics Steering 模塊提供的移動(dòng)機器人運動(dòng)學(xué)解算算法。通過(guò)配置輪式結構實(shí)現快速搭建框架。不需要學(xué)習移動(dòng)機器人運動(dòng)學(xué)中枯燥乏味的算法就能實(shí)現對不同輪式結構的機器人驅動(dòng)。

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

進(jìn)入配置頁(yè)面，配置移動(dòng)機器人運動(dòng)框架模塊可以創(chuàng )建不同的運動(dòng)框架（圖7），例如：兩輪差動(dòng)模型[4]、三輪全向輪、四輪全向輪等。

圖6 調用配置框架快速VI

圖7 配置框架

不同轉向類(lèi)型配置欄里的選項也會(huì )不一樣， 這里以User Defined（ 用戶(hù)定義）類(lèi)型進(jìn)行說(shuō)明，分別有Wheel Type（輪子類(lèi)型）、Wheel Name（輪子名稱(chēng)）、X position（輪子X(jué) 坐標）、Y position（輪子Y 坐標）、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量，不同的轉向類(lèi)型輪子數量也不一樣，右下方的3 個(gè)按鈕可以對輪子進(jìn)行添加、刪除、復制等。點(diǎn)擊不同輪子可以進(jìn)行輪子的配置，在調用的畫(huà)面中會(huì )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(dòng)系統的配置，轉向類(lèi)型選擇User Defined（用戶(hù)定義），旋轉單位選擇Degrees（度），再在輪子列表中添加兩個(gè)輪子，變成3 輪全向移動(dòng)系統。

配置完底盤(pán)控制框架后，我們將配置框架、逆運動(dòng)學(xué)解算、正運動(dòng)學(xué)解算以及電機速度環(huán)連接起來(lái)。正運動(dòng)學(xué)通過(guò)電機編碼器解算出當前機器人在機體坐標系下的矢量速度；逆運動(dòng)學(xué)負責解算設定機體坐標系下的速度，得到每個(gè)輪子電機的矢量速度，從而實(shí)現3 輪機器人底盤(pán)的運動(dòng)控制（圖8）。

圖8 程序

參考文獻：

[1] 丁力,吳洪濤,李興成,周宇.移動(dòng)機器人的最優(yōu)軌跡跟蹤控制研究[J].機械設計與制造,2020(02):271-274.

[2] 宗光華.機器人的創(chuàng )意設計與實(shí)踐[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004:330.

[3] 牟學(xué)剛,朱勁,蔣平.三輪全向足球機器人結構設計與系統模型研究[J].機械與電子,2006(5):38-41.

[4] 黃永志,陳衛東.兩輪移動(dòng)機器人運動(dòng)控制系統的設計與實(shí)現[J].機器人,2004,26(1):40-44.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年5月期）