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。通过对机器人结构分析，设计单个履带单元的控制流程，如图5所示。
履带单元的运动可以分解为直线运动和绕偏转轴的旋转，其输入控制量为两个履带的运动速度和偏转角度。首先测量实际偏转角度和控制信号中偏转角度的差，通过偏转角度pid控制器输出两个电机转速的调整值。每个电机的实际转速和控制指令中的转速差叠加电机转速调整值，输入到电机转速pid控制器中，调整每个电机的转速，电机输出的转矩通过减速器传递到履带驱动轮上，通过方向和速度配合来输出履带单元的偏转角度和移动速度，完成单个履带单元的差速运动。
机器人的每个履带单元都需要接收机器人控制器的控制信号，而机器人的运动指令是主体的运动速度、方向和主体朝向。因此需要机器人控制器根据运动学姿态结算将机器人主体的指令分解为每个履带单元的控制指令，通过每个履带单元带动机器人主体移动，其控制流程如图6所示。
机器人具有直行、侧移、圆弧运动和自转等几种典型的运动方式，如图7所示。其中直行和侧移都属于平移运动，机器人保持主体朝向不变；自转运动属于圆弧运动，此时机器人主体朝向不断变化。因此机器人的全向运动过程看作是平移运动和圆弧运动的组合。
2.3 机器人运动学模型
通过机器人模型可以将机器人整体的运动速度、运动方向和机体朝3个控制量转换为每条履带运动速度和每个履带单元的偏转角度，根据机器人整体的控制流程可以控制每个履带单元运动，从而实现机器人的全向移动。
3 实验与分析 在研制的机器人上分别进行平移运动和圆弧运动的测试。使用pc端运行的matlab程序通过机器人上的无线路由器连接到运行着ros indigo的树莓派3和nucleo f446控制板，通过ros命令发布机器人的运动指令话题到机器人端，同时读取机器人发布的状态话题上的数据，对机器人履带的运动速度和履带单元偏转角度进行采集。
机器人在进行平移运动时，给定机器人的移动路径为边长600 mm的正五边形，运动速度设置为40 mm/s，机体朝向不变，履带单元改变偏转角时的速度设置为20 mm/s，图8（a）为机器人在100 s正五边形平移运动中8条履带的运动速度，图8（b）为履带单元偏转角度随时间变化的角度值。机器人在进行圆弧运动时，需要根据圆弧的中心点和旋转角速度，通过姿态计算得到机器人履带单元的偏转角度和各履带的运动速度。给定机器人运动的轨迹为角速度为0.05 rad/s，圆弧半径为500 mm的圆周。图9（a）为机器人在100 s圆周运动中8条履带的运动速度，图9（b）为履带单元偏转角度随时间变化的角度值。
采集机器人运动过程中的速度和偏转角度数据，使用航迹推算法计算机器人每个履带单元中心的运动轨迹，通过每次得到的4个轨迹点拟合出机器人主体中心的运动轨迹，图10和图11分别为机器人在正五边形和圆弧运动时4个履带单元中心点和机器人中心位置的轨迹图。图中tc表示履带单元中心点，“x”和“o”分别表示机器人中心点和履带单元中心点在起始处的位置。
实验结果表明，机器人能完成在保持机头朝向不发生变化的情况下向不同方向的移动，机器人每65 s完成一次五边形平移运动，在机器人改变履带单元偏转角度过程中机器人本体保持静止；机器人在做圆弧运动过程中履带单元的偏转角度保持稳定，32 s完成一次圆周运动，每条履带的运动方向和速度基本不变。
4 结论 本文介绍了被动同心转向式多履带全向移动机器人的结构和电路设计、控制流程及实验测试。由于机器人采用履带结构，与地面的接触面积较大，在运动过程中不易出现打滑现象，而且履带结构比轮式结构有更好的承载能力。每个履带单元都有转向和前后移动的能力，所有履带都能在机器人运行过程中提供驱动功率，同时使用多个较小功率的驱动电机，就能使得机器人整体产生较大的驱动功率，履带结构在运动过程中不存在震动，且可在地面状况较差的环境下全向移动。实验结果验证了被动同心转向式多履带全向移动机器人全向移动的能力，证明了结构设计和控制流程的正确性。
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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。通过对机器人结构分析，设计单个履带单元的控制流程，如图5所示。
履带单元的运动可以分解为直线运动和绕偏转轴的旋转，其输入控制量为两个履带的运动速度和偏转角度。首先测量实际偏转角度和控制信号中偏转角度的差，通过偏转角度pid控制器输出两个电机转速的调整值。每个电机的实际转速和控制指令中的转速差叠加电机转速调整值，输入到电机转速pid控制器中，调整每个电机的转速，电机输出的转矩通过减速器传递到履带驱动轮上，通过方向和速度配合来输出履带单元的偏转角度和移动速度，完成单个履带单元的差速运动。
机器人的每个履带单元都需要接收机器人控制器的控制信号，而机器人的运动指令是主体的运动速度、方向和主体朝向。因此需要机器人控制器根据运动学姿态结算将机器人主体的指令分解为每个履带单元的控制指令，通过每个履带单元带动机器人主体移动，其控制流程如图6所示。
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机器人在进行平移运动时，给定机器人的移动路径为边长600 mm的正五边形，运动速度设置为40 mm/s，机体朝向不变，履带单元改变偏转角时的速度设置为20 mm/s，图8（a）为机器人在100 s正五边形平移运动中8条履带的运动速度，图8（b）为履带单元偏转角度随时间变化的角度值。机器人在进行圆弧运动时，需要根据圆弧的中心点和旋转角速度，通过姿态计算得到机器人履带单元的偏转角度和各履带的运动速度。给定机器人运动的轨迹为角速度为0.05 rad/s，圆弧半径为500 mm的圆周。图9（a）为机器人在100 s圆周运动中8条履带的运动速度，图9（b）为履带单元偏转角度随时间变化的角度值。
采集机器人运动过程中的速度和偏转角度数据，使用航迹推算法计算机器人每个履带单元中心的运动轨迹，通过每次得到的4个轨迹点拟合出机器人主体中心的运动轨迹，图10和图11分别为机器人在正五边形和圆弧运动时4个履带单元中心点和机器人中心位置的轨迹图。图中tc表示履带单元中心点，“x”和“o”分别表示机器人中心点和履带单元中心点在起始处的位置。
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4 结论 本文介绍了被动同心转向式多履带全向移动机器人的结构和电路设计、控制流程及实验测试。由于机器人采用履带结构，与地面的接触面积较大，在运动过程中不易出现打滑现象，而且履带结构比轮式结构有更好的承载能力。每个履带单元都有转向和前后移动的能力，所有履带都能在机器人运行过程中提供驱动功率，同时使用多个较小功率的驱动电机，就能使得机器人整体产生较大的驱动功率，履带结构在运动过程中不存在震动，且可在地面状况较差的环境下全向移动。实验结果验证了被动同心转向式多履带全向移动机器人全向移动的能力，证明了结构设计和控制流程的正确性。
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