世界技能大赛移动机器人底盘选择与控制研究

  ：本文以45届世界技能大赛移动机器人项目中涉及的机器人底盘控制为例，对三轮移动机器人运动控制方法及选择过程做多元化的分析。移动机器人是一个聚集环境检验测试、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能为一体的智能系统[1]。该系统包含传感器技术、信息处理、电子工程、计算机工程、自动化控制工程及人工智能等多个学科的研究成果。

  摘要：文章介绍了第45届世界技能大赛中使用最为广泛的三轮移动机器人，具体分析了轮系选择到控制实现的整一个完整的过程，实践表明，该套控制管理系统拥有非常良好的运动控制精度，并在比赛应用中满足了高速、精确的要求，为全国参赛院校提供了较好的参考。

  作者简介：章安福（1986—），男，汉族，籍贯江苏宿迁，本科，职务：专业带头人，职称：高级讲师，研究方向：电气自动化、机器人、智能控制。

  第45 届世界技能大赛移动机器人项目的任务是基于现实工厂的自动化装配场景设计的，要求机器人能够在虚拟工厂场景中完成将1 个零件从零件库到装配工作站的自主拾取、自主移动、自主装配的自动化过程。移动机器人一定要通过读取命令板上的信息，将所要求的零件装载至指定零件架，运送到指定的工作站。通过对虚拟工厂的简单分析，初步确定机器人移动系统的基础要求，如图1 所示。

  虚拟工厂的零件架与工作站位置固定，使用全向运动的移动系统能够灵活且精准到达，移动机器人能通过巡线确定左右位置，通过测距传感器确定前后位置，因此能初步确定全向运动的移动系统作为移动机器人的移动结构。

  纵观历届世赛，移动机器人项目的典型移动系统有两电机实现的差动控制管理系统、三电机实现的全向控制底盘和四电机驱动全向控制底盘（表1）[2]。在第45 届世界技能大赛移动机器人项目的任务中，由于整个任务要求机器人具有灵活移动的同时使用尽可能少的电机，三电机实现的全向移动系统能够在2 m×4 m 的虚拟工厂中自由全方位移动，快速、精准地到达命令栏、零件库、零件架区域、工作站区域前方，同时能满足虚拟工厂内10° 斜坡的移动要求，达成目标比两电机驱动底盘灵活性更好，比四电机驱动的底盘具有相同灵活性，同时减少了1 个电机的使用。经对比分析，最终选择了三电机驱动的底盘作为搭建原型。

  全向移动的移动机器人底盘设计一般都会采用全向轮和麦克纳姆轮2 种。麦克纳姆轮能够承担重量的能力大，摩擦力大，常用于4 轮底盘设计。全向轮的特点是灵活快速，原点旋转更精准，常用于3 轮底盘设计。考虑到套件资源因素，同时也希望机器人拥有快速移动能力，最后选择使用3 轮全向轮底盘（图2)。

  在移动机器人项目提供的套件中，U 型通道的尺寸不足以满足于我们的底盘支架大小，因此将原有的U 型通道加工为长度160 mm 的U 型通道。底盘使用3 条U型通道以60° 内角分别连接底部的电机座（如图3）。

  顶部后面装有2 路超声波传感器，右则装有1 路红外传感器，右前方装有1 路红外传感器，前方底部装有4 路QTI 传感器，中间放置1 个陀螺仪。底盘使用2 块电池，分别放置在后方两侧，最终完成的机器人如图4所示。

  三轮全向移动底盘拥有非常良好的运动性。3 个轮子互相间隔120° ，每个全向轮由若干个小滚轮组成，各滚轮的母线 个完整的圆。机器人既可以沿轮面的切线方向挪动，也可以沿轮子的轴线方向挪动，这两种运动的组合即能轻松实现平面内任意方向的运动。

  建立世界坐标系x′o′y′，机器人坐标系xoy。移动底盘自身的角速度为ω，中心到轮子的距离为常数L，顺时针为角速度正方向，各轮子速度为Va、Vb、Vc，移动底盘在自身坐标系下的分速度为Vx、Vy，夹角θ1=π/3，θ2=π/6，α 是两个坐标系的夹角。运动模型如图5 所示。

  以上是机器人在自身坐标系下的运动学方程，实际应用中还需要转换为世界坐标系，图5 中机器人自身坐标与世界坐标的夹角为α。假设机器人在世界坐标系的速度和角速度为： Vx′ 、Vy′ 、W。

  因此，可以推出机器人相对于自身坐标系下的速度与机器人相对于全局坐标系下的速度之间的变换关系为一个旋转矩阵：

  通过此方程即可以将场地的速度与轮子的速度连接起来，根据这个算法将轮子的速度计算出来，由此能够控制电机的转速，从而控制轮子的运动[3]。

  坐标移动方式可分为相对坐标移动与绝对坐标移动，相对坐标移动是以机器人自身作为坐标运动的中心向任意方向运动；绝对坐标移动是以运动空间中的某一个点作为坐标运动的中心向任意方向运动。

  程序上的实现是通过LabVIEW Robotics Steering 模块提供的移动机器人运动学解算算法。通过配置轮式结构实现快速搭建框架。不需要学习移动机器人运动学中枯燥乏味的算法就能实现对不同轮式结构的机器人驱动。

  3轮全向轮运动框架的配置需要切换到程序框图，右击弹出函数面板（如图6）。myRIO » Robotics Algorithms » Steering » Configure，调用编写搭建运动模型所需的函数。用myRIO 自带的快速VI 编写，这样会更便利快捷。

  进入配置页面，配置移动机器人运动框架模块可以创建不同的运动框架（图7），例如：两轮差动模型[4]、三轮全向轮、四轮全向轮等。

  不同转向类型配置栏里的选项也会不一样， 这里以User Defined（ 用户定义）类型进行说明，分别有Wheel Type（轮子类型）、Wheel Name（轮子名称）、X position（轮子X 坐标）、Y position（轮子Y 坐标）、WheelRadius（轮子半径）、Gear Ratio（ 齿轮比） 和Frame Angle（轮子夹角）。这里显示配置轮子的数量，不同的转向类型轮子数量也不一样，右下方的3 个按钮可以对轮子进行添加、删除、复制等。点击不同轮子能够直接进行轮子的配置，在调用的画面中会显示轮子的布局以及每个轮子的大小与角度等。对于3 轮全向移动系统的配置，转向类型选择User Defined（用户定义），旋转单位选择Degrees（度），再在轮子列表中添加两个轮子，变成3 轮全向移动系统。

  配置完底盘控制框架后，我们将配置框架、逆运动学解算、正运动学解算以及电机速度环连接起来。正运动学通过电机编码器解算出当前机器人在机体坐标系下的矢量速度；逆运动学负责解算设定机体坐标系下的速度，得到每个轮子电机的矢量速度，以此来实现3 轮机器人底盘的运动控制（图8）。

  [1] 丁力,吴洪涛,李兴成,周宇.移动机器人的最优轨迹跟踪控制研究[J].机械设计与制造,2020(02):271-274.

  [2] 宗光华.机器人的创意设计与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004:330.

  [3] 牟学刚,朱劲,蒋平.三轮全向足球机器人结构设计与系统模型研究[J].机械与电子,2006(5):38-41.