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小型室内搬运用移动机器人的研制

时间:2014-03-13


2011 年 第 11 期 2011 年 11 月



化学工程与装备 Chemical Engineering & Equipment 军:小型室内搬运用移动机器人的研制

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小型室内搬运用移动机器人的研制


前言 近年来, 随着移动机器人学和相关技术的发展, 使得移 动机器人在很多行业的应用逐渐深入和拓宽, 对机器人移动 的快速性和机动性要求也日益增强。 搬运用机器人在工厂车 间、仓库超市和自动化生产线等领域有着广阔的应用前景, 属于智能机器人研究领域的一大研究热点 。 搬运机器人被广泛应用于机床上下料、 冲压机自动化生 产线、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。 但这些机器人的灵活性还不够, 无法适应狭小空间移动。 全 方位移动机器人非常适合工作在空间狭小有限、 对机器人的 机动性要求高的场合中。 国外很多研究机构开展了全方位移 动机器人的研制工作, 在车轮设计制造、 机器人上轮子的配 置方案、 以及机器人的运动学分析等方面, 进行了广泛的研
[2] 究,形成了许多具有不同特色的移动机器人产品 。国内虽 [1]

军 1,周荣晶 2,陶卫军 2

(1.陕西省石油化工学校,陕西 西安 710061;2.南京理工大学,江苏 南京 210094) 军:小型室内搬运用移动机器人的研制
调节其重心位置, 确保装载的货物始终保持初态, 这一功能 可以通过摇摆机构实现。 此外, 不同工作台距离地面高度不 同, 机器人的载物平台通过升降机构可以调节自身高度, 使 之与工作台高度匹配。 1.2 移动机构 根据移动特性, 移动机构可以分为非全方位和全方位两 种。 平面上移动的物体可以实现前后、 左右和自转 3 个自由 度的运动。非全方位移动机构,所具备的自由度少于 3 个, 典型产品如汽车等, 可以前进后退、 拐弯而不能左右横向移 动。 全方位移动机构不存在非完整约束, 它可以向任意方向 作直线运动而不需要事先作旋转运动, 并且在以直线运动到 达目标点的过程中可以做自身旋转运动调整机器人姿态, 从
[3] 而达到终态所需的姿态角 。由于回转半径为零,机器人可 [4] 以在较狭小或拥挤的场所自由的穿行 。

然在移动机器人上的研究开展了一段时间, 但是全方位的移 动机器人还仅局限于几种固有的形式。 针对室内小型物件, 特别是一些小型高温零部件或腐蚀 性零部件的搬运, 我们研制了一个用于室内搬运的全方位移 动机器人, 该机器人能够在狭小空间移动自如, 带升降装置 且具备自动调整重心、 自主避障等功能。 本文主要从机械结 构、运动学分析、路径规划与避障方法、控制系统等几个方 面对其进行介绍。 1 1.1 机械结构设计 总体设计 为了提高机器人运动灵活性,使其适应狭小工作空间, 机器人的移动机构采用全方位轮驱动。 采用全方位轮式移动 机构, 无需车体做出任何转动便可实现任意方向的移动, 并 且可以原地旋转任意角度, 解决了一般搬运机器人在狭小的 工作空间不能转向或横向移动的问题。 虽然机器人主要在室内环境运行, 但考虑到某些场合室 内地面平整性不好或者由于安装需要地面有一定的坡度。 机 器人搬运过程中, 地面不平整或有坡度都会引起机器人重心 的变化, 容易使得机器人上装载的货物位置姿态发生变化甚 至掉落, 导致不必要的麻烦。 所以需要在机器人行走过程中

当前全方位轮有多种形式

[5~8]

,其中瑞士轮是做得较为

成功、 技术成熟的一种全方位轮。 根据其原理设计的全方位 轮三维图如图 1.1 所示。 实现全方位运动, 一般使用全方位 轮三个或四个。 四轮驱动存在四轮不共面的问题, 虽然有研 究其解决方法但效果不明显,采用三轮驱动运动模型较复 杂。综合比较,采用三轮驱动,三个主动轮绕其中心等距 120°均布,形成三轮驱动全方位移动机器人底盘,三维原 理图如图 1.2 所示。 1.3 摇摆与提升机构 摇摆机构采用丝杠传动。 丝杠在电机的带动下转动, 从 而带动螺母在丝杠轴线方向上运动,摆杆与螺母间滑动联 接,实现了摆杆的绕转轴转动,前后摇摆平衡重心。丝杠螺 母传动虽然自身不能自锁,但电机的锁定足以提供一定的 力,使摆杆不随意的摆动。 机器人的承载重物平台可上升下降, 适应不同高度的工 作台。 提升机构采用了综合了带传动、 链传动和齿轮传动等 优点的同步带提升。 工作时带与带轮间没有相对滑动, 能同 步传动,满足了提升的即时性要求。同步带预紧力小,轴和 轴承上所受的载荷小;带的厚度小,单位长度的质量小,故 提升的速度可以比较高。 但缺点是对中心距要求较高, 使用

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军:小型室内搬运用移动机器人的研制 动滑块随着带轮上下移动,从而带动内层伸缩杆升降。

一段时间后同步带容易被拉长, 因此在提升一段时间后, 需 张紧同步带之后再次使用。 机构示意图如图 1.3 所示, 其中

图 1.1 全方位轮三维模型图

图 1.2 三轮驱动全方位移动底盘示意图

图 1.3 摇摆与提升机构示意图

2

运动学分析 在三轮驱动全方位移动底盘的运动学模型方面, 已有一

将机器人的工作空间内某位置设置为参照,即绝对零 点。 如图 3.1 所示, 建立工作空间坐标系 OXY 和车体坐标系 O1MN。其中 O1 为机器人底盘中心,则机器人的位姿可以用 ξ=

些研究成果

[ 8]

。其建模方法如下。

( x, y, ? )T 表示,其中 ( x, y ) 为点 O1 在工作空间坐标

系中的位置, ? 为车体坐标系 M 轴相对工作空间坐标系 X 轴的角度,逆时针为正。

? 为轮子与 Y 轴的夹角,L 为轮子
vi (i=1,2,3)为轮子 i 提供
?

中心到机器人底盘中心的距离, 沿驱动方向的速度。

 
图 2.1 全方位底盘运动分析

v1 ? ? x sin(? ? ? ) ?

?

y cos(? ? ? ) ? L ?

?

(1)


? ?

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?

41

v2 ? ? x sin(? ? ? ) ? v3 ? ? x cos ? ?
? ?

y cos(? ? ? ) ? L ?
?

旋转和平动时各电机转速分别可有矩阵(7)、(8)求得: (2)

y sin ? ? L ?
?

? 根据机器人实际结构可知, =30°,将其代入式(1)、

(3)

? n1 ? ?1? ? ?n ? ? 1 L? ?1? ? 2 ? 2? R ?? ? ? ? n ? 3? ?1? ?
?? sin(? ? 30? ) cos(? ? 30? ) ? ? ? ? ? n1 ? ?n ? ? 1 ?? sin(? ? 30? ) ? cos(? ? 30? )? ? x ? ???? ? 2 ? 2? R ? ? ? ? y? ?n3 ? ? cos ? sin ? ? ? ?

(7)

式(2)、式(3)并写成矩阵形式,可得机器人运动模型:

? ? x ? ? ?? 1 ? ? ? sin(? ? 30 ) cos(? ? 30 ) L ? ? ? ?? ?? ? ? ? ? sin(? ? 30? ) ? cos(? ? 30? ) L ? ? y 2 ? ? ? ? ? ? ??? ? ? cos ? sin ? L? ?? 3 ? ? ? ? ?? ? ? ? (4)
在上述建立的运动学模型中, 将机器人视为刚体, 机器 人的运动简化为刚体的平动与绕自身旋转运动的合成。 但实 际运动时,机器人的运动不管是平动还是旋转都存在误差, 两种运动合成会使得机器人控制复杂化且降低控制精度。 此 外,一般情况下,机器人在运动过程中,需要旋转的时刻占 整个运动时间的比例不大,大部分时间机器人只需要平动。 可以把机器人平动和旋转分开, 在需要旋转调整机器人姿态 的位置,先旋转后平移。 机器人只进行旋转运动时, 其中心相对工作空间坐标系

(8)

从以上分析可知, 不管机器人平动还是旋转, 车体坐标 系相对于工作空间坐标系的角度θ角 (姿态角) 都至关重要。 姿态角θ的控制直接影响机器人的运动精度。 手动操作时可 以靠手动操作手调节, 机器人自主运行时则需借助传感器检 测θ的大小。 这里, 采用指南针传感器实时检测姿态角θ的 大小。每次旋转运动前,赋给指南针一个预定角度,达到预 定角度机器人开始平动。 平动过程中, 指南针传感器将测量 值与预定值进行比较, 偏差超过一定范围时, 机器人通过旋 转调整姿态角θ。 3 3.1 控制系统设计与实现 控制系统构成 采用高性能 PC104 嵌入式计算机作为主控制器,通过 3

的位置不变,

xa

?

=0,

ya

?

=0,代入矩阵(4)可得旋转运动时

个数字伺服控制器对底盘的三个伺服电机进行驱动, 从而实 现底盘的全方位运动控制功能。 用于机构摇摆和升降的两个 直流电机,由单片机 PWM 波调质控制,单片机控通过 RS232 串口与主控器通信。 在感知自身状态和周围环境方面, 由安 装在底盘上的指南针传感器对底盘运动中的姿态角θ进行

机器人的运动模型:

?? 1 ? ?1? ? ?? ? ? L ? ?1? ? 2? ?? ? ? ? ? ? 3? ?1? ?
?

(5)

检测。 在机器人的六边形底盘上, 在每条边的中间位置布置 一个超声波传感器和光电传感器, 总共布置 6 个超声波传感 器(编号 a 到 f)和 6 个红外光电传感器(编号 1 到 6) ,来 探测机器人运行过程中的障碍信息以实现避障功能。此外, 手动运行模式,输入信号由手柄通过 USB 送到主控制器。 3.2 软件结构 机器人开始运行后,首先运行模式选择。自动模式下, 主控制器结合各种传感器信息检测结果, 确定运动方式。 如

机器人只进行平动时, 车体坐标系相对工作空间坐标系 的角度 ? 不变,? =0,代入矩阵(4)可得平动时机器人的运 动模型:
? ? ?? 1 ? ? ? sin(? ? 30 ) cos(? ? 30 ) ? ? ? ? ?? ? ? ? ? sin(? ? 30? ) ? cos(? ? 30? ) ? ? x ? ???? ? 2? ? ? ? ? y? ? ? ? cos ? sin ? ? 3? ? ?

(6)

果机器人需要实现平动、旋转、避障以及停止等运动,主控 制器通过 RS232 串口通信, 直接发送指令到各数字伺服驱动 器,控制各驱动电机;如果机器人要实现摇摆和升降动作, 主控制器首先通过 RS232 串口通信将指令发送到单片机, 再 由单片机控制相应直流电机实现动作。 手动模式下, 主控制 器等待手柄信号输入,对手柄信号进行翻译,通过 RS232 串口通信发送相应指令到数字伺服驱动器或单片机, 再由伺 服驱动器或单片机实现相应动作。

三轮驱动实现全方位移动, 对电机的调速范围、 启动和 制动性能要求较高。 我们采用 Elmo 公司的 SimpleIQ 伺服驱 动器和 maxon 公司的直流伺服电机作为全方位轮的驱动装 置。控制时,直接改变电机转速即可达到变速要求。已知轮 子 i 提供沿驱动方向的速度 Vi(i=1,2,3),轮子半径为 R,

则各电机转速

ni ?

2? R 。

vi

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军:小型室内搬运用移动机器人的研制

图 3.1 控制系统构成图

图 3.2 软件的主要功能结构与流程

4

样机 自制的全方位搬运机器人主要参数如下: 全方位轮直径

验,实验场景如图 4.1 所示。 5 结论 论文针对室内搬运的应用背景, 综合国内外移动机器人 结构和控制技术, 研制了一个全方位自主搬运自主避障机器 人。所做的主要工作如下: (1)根据具体应用需求,对小型室内搬运用移动机器 人行走机构和搬运机构进行了设计; (下载第 55 页)

为 160mm,三个驱动轮到底盘中心距离为 300mm。摇摆机构 中丝杠螺母可用总行程 230mm,可实现搬运平台绕转轴±30 °摇摆,升降机构上下行程为 300mm。 控制硬件采用工控 机 WAFER-LX2、3 个伺服电机和两个直流电机。采用所开发 的样机, 完成了此小型室内搬运机器人的室内搬运与行走实

段汝元:20 万 t/a 焦炉煤气制甲醇工艺技术概述

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3

结语 伴随着日益严重的能源危机, 新型的清洁能源不断的得

[1] 兰世广, 蹇守华. 20 万 t/a 焦炉气制甲醇装置试车生 产[J]. 天然气化工, 2010, 35: 61-63. [2] 王景超, 张善元, 等. 焦炉煤气制取甲醇合成原料气 技术评述[J]. 煤化工, 2006, 34(5): 27-29. [3] 李东志. 焦炉煤气制甲醇的工艺与探索[J]. 河北化工, 2010, 33(4): 45-46. [4] 李厚强. 焦炉煤气制甲醇的应用[J]. 河北化工, 2009, 32(8): 36-38. [5] 冯元琦, 李关云. 甲醇生产操作问答[M]. 北京: 化学 参考文献 工业出版社, 2008: 360-361.

到认可。本着废弃物再利用的理念,变废为宝,作为清洁、 环保的焦炉气制甲醇工艺已逐步得到人们的认可。 本装置充 分借鉴和吸收了国内已运行的多套甲醇装置的经验和教训, 进行了有针对性的改进和优化。 本装置具有工艺先进、 技术 成熟可靠、能耗低、三废少、产品质量高、连续运转周期长 等特点。

(上接第42页)

(2)对机器人运动学进行了分析,为小型室内搬运用 移动机器人的运动控制打下了基础; 在此基础上, 搭建了小 型室内搬运用移动机器人的控制系统; (3)制作了小型室内搬运用移动机器人的样机,并进 行了室内搬运与行走实验,验证了所制作机器人的主要功 能。

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