如何進(jìn)行非完整的約束輪式移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　介紹了一例非完整約束輪式移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)。采用美國(guó)Cygnal公司新研制的C8051F005 單片機(jī)作為機(jī)器人控制系統(tǒng)的CPU 及瑞士MAXON 公司的直流伺服電機(jī)作為雙輪驅(qū)動(dòng)單元，利用非完整約束條件和非完整約束運(yùn)動(dòng)規(guī)劃原理，研制了一例非完整約束輪式移動(dòng)機(jī)器人，該機(jī)器人可跟蹤任意直線、圓弧曲線軌跡等，也可實(shí)現(xiàn)原地零半徑旋轉(zhuǎn)及任意軌跡運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)自主靈活。對(duì)直線及圓弧軌跡進(jìn)行了跟蹤實(shí)驗(yàn)。

　　目前，移動(dòng)機(jī)器人已廣泛用于科學(xué)考察、地質(zhì)勘探、災(zāi)難營(yíng)救等多個(gè)領(lǐng)域，對(duì)人類了解地球、征服自然、探索宇宙具有重要意義。同時(shí)，也是代替人們?cè)谟休椛?、有粉塵和有毒等環(huán)境中作業(yè)必不可少的工具。移動(dòng)機(jī)器人的典型行走形式有輪式、履帶式和腿足式等。

　　輪式移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)是典型的非完整約束機(jī)械系統(tǒng)。利用非完整約束條件和非完整運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的原理，研究開發(fā)新型的具有良好的目標(biāo)軌跡跟蹤和控制性能輪式移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，在機(jī)器人領(lǐng)域下成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。輪式機(jī)器人其實(shí)與車輛極為相似，因此對(duì)于輪式移動(dòng)機(jī)器人的研究以及無人駕駛車輛的發(fā)展都有重大的意義。通過研制一臺(tái)輪式移動(dòng)機(jī)器人AeroAcer ，對(duì)直線及圓弧等目標(biāo)軌跡進(jìn)行了跟蹤試驗(yàn)。

　　根據(jù)需要，AeroAcer 輪式移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)包括：行走驅(qū)動(dòng)部、軀干、手臂及手爪。行走驅(qū)動(dòng)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示，采用兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，并使AeroAcer 的形心和質(zhì)心對(duì)地平面的投影落于兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪軸線上。驅(qū)動(dòng)輪分別由兩套直流伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，提供需要的轉(zhuǎn)速或者力矩;前后對(duì)稱于驅(qū)動(dòng)輪軸線各布置一萬向輪，可任意移動(dòng)而不會(huì)對(duì)AeroAcer 產(chǎn)生阻力和約束作用，這樣，只要分別控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的不同的速度或者力矩，就可以使AeroAcer 按照所要求的方向和速度移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、穩(wěn)定以及跟蹤等控制任務(wù)。驅(qū)動(dòng)輪軸線經(jīng)過底盤的形心的投影，可實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑，同時(shí)也使軌跡規(guī)劃及控制相對(duì)簡(jiǎn)單。另外，驅(qū)動(dòng)輪軸線過質(zhì)心的投影，可大大地提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)的效率。內(nèi)帶減速齒輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定在車架上，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)車輪也分別通過軸架固定在車架上。電機(jī)的輸出軸驅(qū)動(dòng)車輪。連接在電機(jī)上的圓光柵在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生相位上相差90 度的脈沖信號(hào)，通過對(duì)此脈沖信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和運(yùn)算，就可得到AeroAcer 的位置、速度等狀態(tài)量。選用了500 線的圓光柵，即電動(dòng)機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周輸出500 個(gè)脈沖，由于采用33 ：1 的減速齒輪，因此車輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一周圓光柵將輸出33 ×500 = 16500 個(gè)脈沖，具有相當(dāng)高的精度。選擇圓光柵的目的在于：一方面將圓光柵產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)過伺服放大器內(nèi)的頻壓變換得到電機(jī)的速度用于速度反饋以形成速度閉環(huán)，同時(shí)還可以對(duì)脈沖信號(hào)經(jīng)過計(jì)數(shù)、運(yùn)算獲得AeroAcer 的位置和速度，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，節(jié)省了成本。由于直流伺服電機(jī)具有啟動(dòng)力矩大，動(dòng)態(tài)性能好，調(diào)速范圍寬和控制較為簡(jiǎn)單等一系列優(yōu)點(diǎn)［2 ］ 。因此在AeroAcer 中選用瑞士MAXON 公司的直流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)單元，包括帶有減速齒輪的直流電機(jī)、伺服放大器以及用作速度反饋和檢測(cè)的圓光柵。電機(jī)可以工作在速度方式和力矩方式，可以運(yùn)行在由速度和加速度決定的四個(gè)象限，從而可以在該裝置上針對(duì)AeroAcer 的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。其中，伺服放大器根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速或電流調(diào)整輸出到電機(jī)的電壓，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、力矩等。系統(tǒng)所使用的是ADS50/ 5 伺服放大器。