一种全向移动攀爬机器人的设计

王江华， 赵 燕

(1.华北科技学院 电子信息工程学院，河北 三河 065201；2.燕京理工学院 信息科学与技术学院，河北 三河 065201)

一种全向移动攀爬机器人的设计

王江华1， 赵 燕2

(1.华北科技学院 电子信息工程学院，河北 三河 065201；2.燕京理工学院 信息科学与技术学院，河北 三河 065201)

为提高机器人在特定场地移动的灵活性和沿柱面攀爬的能力，对传统竞赛机器人从移动方式、储能方式、工作方式三方面进行全面改进，设计并制作出一种在特定工作环境下，支持全向移动并兼有沿柱面攀爬的气动型机器人。该机器人采用3个全向轮搭建系统的运动机构，通过优化的坐标变换方式控制3个运动伺服电机，实现平台的全向移动；当运动平台检测到目标柱体时，前置压力开关自动切换运动模式，气动装置推动攀爬机构压紧柱体，机器人进入自动攀爬状态。系统采用了“两主一从”攀爬方式，攀爬速度和精度均达到了预期目标。经过Matlab/Simulink仿真与实物现场测试，全向移动平均方向偏差达0.82°、攀爬高度偏差率达0.68%。实验结果验证了设计的有效性与控制的精准性，对提高竞赛机器人的性能具有一定的参考价值。

机器人； 全向移动； 柱面攀爬； 气动型

0 引 言

当今社会，机器人从工业领域逐渐过渡到民用领域，越来越多民用机器人被制造出来，应用于我们生活的各个方面[1]。Google设计出拥有高度机动能力的类人机器人“Atlas”、韩国科技先进研究院(KAIST)研发出从事危险环境修复工作的机器人DRC-HuBo[2]、法国Aldebaran Robotics公司推出人工智能机器人Nao[3]，等等，可见世界对于机器人的渴求。我国也通过许多机器人竞赛，激励当代大学生涉足机器人研究领域，全国大学生机器人大赛(ROBOCON)就是这样一个赛事。本文通过对2016年比赛要求的分析，设计并制作出一种在特定工作环境下，支持全向移动同时兼有沿柱面攀爬的气动型机器人。机器人具有三轮全向移动平台[4]，以及一整套气动系统。按照比赛要求，机器人先经过一段自主移动到达攀爬位置，通过单片机控制多路电磁阀切换机器人的机械结构，切换到攀爬工作方式，之后通过两主一从电机驱动结构使机器人匀速爬升。使用Matlab仿真软件中的Simulink功能，对本次设计的机器人运动模型进行仿真测试[5]，实验结果验证了机器人运动的灵活精准性，为机器人的二次研发奠定了较好的基础平台。

1 总体方案设计

机器人攀爬方案采用两主一从的电机分布进行驱动，即使用两个主动轮，一个从动轮，通过伸缩气缸使其夹紧立柱，利用橡胶轮与立柱之间的静摩擦力匀速攀爬；机器人移动方案采用3个间隔120°的全向轮组成三轮全向移动平台，通过坐标变换使其可向任意方向以任意速度进行移动。整机控制采用电控与气控两部分，电控部分以STM32F103为控制核心，RS485用来实现手持式控制器与主控制器间的信息交换；气控部分通过机身携带的4个2 L的塑料瓶储存气源，为整机气动控制提供能量，主控制器通过控制各路电磁气阀以控制气缸工作状态从而驱动相应的机械结构。设计采用24 V锂电池组为整机攀爬电机和电磁阀供电，再通过梯度降压为其余各模块供电，以此为机体提供稳定电源。

2 机械结构的分析与设计

2.1 气动结构

无论是电机由竖直状态到水平状态的转换，还是动力轮与辅助轮与立柱的夹紧过程，都需要一定的执行机构提供动力。设计采用气动方式作为本部分的执行机构。机器人气动执行机构均为气缸，其分布及功能如图1所示。气缸利用大气压差产生伸缩力，通过电磁换向气阀实现快速的伸缩动作并提供推力，期间能量消耗很小。气缸由电磁换向气阀控制，将压缩空气的能量转换为机械能，以驱动相应机构。控制气缸的动作先要控制电磁换向气阀[6-7]的动作，本设计选用的是一款高压大电流达林顿结构驱动芯片TD62081APG，以达到迅速准确控制电磁阀的要求。

图1 气缸分布及功能

2.2 攀爬结构

采用两主一从攀爬方式，即2个主动轮和1个辅助轮搭配，通过气缸将其卡入相应位置，通过橡胶轮的转动提供上升动力。该种方式攀爬，既可以保证攀爬的效率，又可以提高机器人的载重能力。

机器人上升动力由2个上升动力电机提供。由于辅助轮材质的原因，摩擦系数与2个由橡胶轮做成的主动轮有明显差异，故以下计算忽略辅助轮对于PVC管壁的摩擦。图2为其受力分析图，设系统质量m=18 kg，g=10 N/kg,主动轮半径r=1.5 cm，轮与PVC管之间发生的是静摩擦力。在初始加速阶段，由静摩擦力提供加速度：f>0.5 mg，转矩T=fr，即T/r>0.5 mg，解得：T>1.125 N·m=11.25 kg·cm。在匀速爬杆过程中，受平衡力作用，单轮受到的摩擦力f=0.5 mg。由此数据分析，转矩至少要在11.25 kg·cm以上[8-10]。经过反复试验，确定主动轮电机采用瑞士maxon RE35直流伺服空心杯减速电机，该电机额定功率90 W、额定转速120 r/min、连续转矩40 kg·cm。

图2 受力分析图

3 控制部分的分析与设计

3.1 硬件设计

(1) 主控制器与手持控制器设计。图3为系统结构框图，整个系统采用STM32F103RCT6为主控芯片[11]，包括低压电源管理、电机驱动、各种检测电路和接口以及蜂鸣器、模式选择开关、OLED屏幕显示接口、电池电量检测电路等必要的调试硬件。

图3 系统结构框图

手持式控制器同样采用STM32F103单片机作为中央处理器，先对信息进行预处理，再将分类优化的数据以串口的方式发送给机器人主控制器。手持式控制器以摇杆电位器作为输入控制，以便对机器人进行精确控制；对于数据传输，由于传输距离较长，为提高传输稳定性，降低误码率，采用RS485来实现手持式控制器与主控制器间的信息交换。RS485通信协议理论最远传输距离能达到3 km[12]，且具有较强的抗干扰能力。

(2) 传感器部分设计。传感器部分包括机器人某些关节的限位开关、底盘移动轮的速度采集以及地面路线跟踪电路。

限位开关：通过控制单元设计预留的开关量或模拟量的检测接口接入。某些接口也同时用于控制舵机和电子调速器等，实现简单的功能扩展。

测速部分：机器人的底盘移动轮采用直流电机驱动，每个电机安装光电编码器，进行电机转速的实时检测。单片机根据编码器输出的相位变化，来判断电机的正反转。

地面路线跟踪：地面路线跟踪采用可见光反射检测方式，利用地面不同颜色所反射光的强度不同来实现。在模拟场地中经过多次试验测试，最终决定使用绿色可见光作为反射光。为了适应外界的可见光变化，设计相应的调节电路进行阈值调节，从而提高机器人的场地适应性[13]。

3.2 软件设计

(1) 核心控制单元。在机器人程序设计过程中，首先搭建串口、PWM、脉冲输入捕捉、A/D转换、开关量检测、开关量输入输出等驱动层的程序，然后按照各部分功能选择相应算法，完成底盘电机的闭环控制、机器人气动电磁阀控制、地面自动循迹控制、任务规划等。对机器人核心控制部分采用顺序控制中的条件控制方式，以限位开关作为位置信息来完成工作模式的切换。

(2) 基于运动学模型的分层控制。机器人总体控制采用基于运动学模型的分层控制[14]，其控制原理框图见图4。机器人运动控制作为其上层，电机的转速控制作为下层。上层控制器通过采集下层的电机转速，根据坐标系的变换，将转速的调整转换成实时状态参数的调整，实时状态参数与机器人根据当前状态给出的期望值进行对比，对得到的偏差信号使用PID进行调节，从而控制机器人工作于期望速度。

图4 基于运动学模型的分层控制框图

(3) 三轮全向移动机器人运动模型。三轮全向移动机器人的运动示意图如图5所示，该机器人由3个质量、大小均相同的全向轮组成，各轮互成120°，且径向对称。图中xOy是机器人的绝对坐标系;XOY为其相对坐标系[15]。

图5 三轮全向移动机器人运动示意图

在机器人相对坐标系中，以三轮全向移动机器人的中心为参考点，以速度V为机器人的整体运动速度，图5中将速度V沿机器人坐标系XOY分解为vX、vY；ω表示机器人在相对坐标系中的角速度，在机器人相对坐标系中机器人的运动速度表示为：(vx,vy,ω)；故3个轮边沿线速度(va,vb,vc)与相对坐标系中机器人运动速度关系如下：

(1)

在绝对坐标系中，参考中心为机器人的中心O，机器人绝对坐标系的坐标用(x,y)表示；机器人的方向角用θ表示，机器人的位置和方向用广义坐标(x,y,θ)表示。机器人的中心距轮子中心的水平距离用L表示。

机器人相对和绝对坐标系相对比有如下转换关系：

(2)

在绝对坐标系中，机器人轮子的速度(vx,vy,ω)与机器人相对坐标系中轮子边沿的线速度(va,vb,vc)之间的关系有：

(3)

机器人程序控制是在绝对坐标系中进行加减速控制，通过将控制量利用式(3)分解到机器人相对坐标系中推算出3个轮子的设定速度，将设定速度与电机编码器实时采集测量到的速度进行对比调节，使机器人按照绝对坐标系中的运动需求进行工作。

4 仿真实践与实物测试

4.1 全向移动仿真实验

系统仿真实验基于Matlab/Simulink仿真平台，主要对控制精度与全向运动能力进行仿真验证。对三轮全向移动平台建立Simulink模型以验证其在绝对坐标系中的运动与电机线速度之间的关系，其仿真轨迹如图6所示。在绝对坐标系中机器人以0.5 m/s的速度沿与x轴成37.5°的方向运动，各坐标轴的分速度为：vx=0.3 m/s,vy=0.4 m/s。仿真过程分为3步：①机器人沿方位角θ=0°出发；②改变机器人方位角θ=30°；③改变机器人方位角θ=90°。综合查看不同机器人朝向对行进路线偏差的影响以及各轮线速度变化情况，图7为系统全向移动仿真测试结果。

图6 仿真轨迹图

实验过程中，使机器人以不同的方位角沿直线移动多次，且每次移动距离均为2 m，通过测量机器人最终停止点与目标停止点的横向距离来测试方向偏差，测试结果如表1所示。

图7 全向移动仿真结果图

机器人方位角,θ/(°)03090方向偏差,l/cm1.532.284.73

由实验结果可看出，平均每阶段偏差角为：

(4)

实验结果很好地说明了机器人运动控制模型的准确性与全向移动的灵活性。

4.2 攀爬测试

将机器人气瓶充满备用，开启自动模式进行路径识别，当机器人到达杆底时，攀爬限位开关被触发，主动轮2锁死，气缸控制阀打开，主动轮1就位。自检无误后主动轮电机启动，机器人匀速上升，实验结果如图8所示。

攀爬测试数据如表2所示，对测试数据分析可知，平均爬杆高度误差2.06 cm，立杆高度为3 m，故高度偏差率为0.69%。测试结果表明,机器人攀爬控制的精确性，验证了两主一从攀爬方式的准确性，测试精度满足高空作业要求。

表2 攀爬测试数据表

注：自旋角度=横向自旋距离/立柱周长×360°

5 结 语

本文设计并制作了一种在特定工作环境下，支持全向移动同时兼有沿柱面攀爬的气动型机器人。通过仿真与测试，机器人可以灵活迅速在场地内移动，在攀爬过程中，凭借气动系统，能够迅速切换运行方式，在高压下夹紧立柱进行爬升。实践结果对提高机器人的竞赛性能具有重要的参考价值。此机器人亦可用于进一步开发，根据使用者的具体要求对机械手稍作改造便可应用于电力系统检修、电线除冰[16]等高空危险作业，进一步拓宽了机器人的实用范围。

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Design of an Omni-directional Mobile Climbing Robot

WANGJianghua1，ZHAOYan2

(1. School of Electronic and Information Engineering， North China Institute of Science and Technology，Sanhe 065201， China； 2. College of Information Science and Technology，Yanching Institute of Technology， Sanhe 065201， China)

To get the flexibility of the robot to move in a particular field and ability to climb along the cylinder, the traditional contest robot is improved fully from three aspects of movement pattern, energy storage mode, and work mode. A pneumatic robot that supports omni-directional mobile and moving along the cylinder in a specific work environment is designed and produced. The robot uses three omni-directional wheels to realize motion, which is controlled by three servomotors, and optimized by the coordinate transformation, Thus, the omni-directional movement is achieved. When the movement platform detects the target cylinder, the front pressure switch automatically switches the movement mode, the pneumatic device drives the climbing mechanism to press the cylinder, and the robot enters the automatic climbing state. The system adopts the “two active one slave” climbing method, and the climbing speed and precision all reach the expected target. By using Matlab/Simulink simulation and physical field test, average direction deviation of omni-directional is 0.82°, climbing height deviation rate is 0.68%. The experimental results validate the effectiveness of the design and the precision of the control, and it has a certain reference value for improving the performance of the competition robot.

robot; omni-directional movement; cylinder climbing; pneumatic type

2016-09-26

河北省高等学校科学技术研究项目(Z2015202)；华北科技学院科技基金项目(3142014072)

王江华(1981-)，男，河北邢台人，硕士，讲师，主要研究方向是智能控制、图像处理以及电机控制等。

Tel.：13785699600；E-mail：jianghua960@163.com

赵 燕(1982-)，女，河北石家庄人，硕士，讲师，现主要从事实验室建设、管理、理论及实验教学和科研工作。

Tel.：13784464373；E-mail：zhaoyan137@163.com

TP 242.6

A

1006-7167(2017)06-0079-05