全地形移动机器人机械结构及控制系统设计分析

陈俊超，李国臣

全地形移动机器人机械结构及控制系统设计分析

陈俊超，李国臣

（东莞职业技术学院，广东 东莞 523808）

分析了地形适应、站点识别、路径导航、自动避障四个方面，简要阐述了全地形移动机器人设计的功能需求。从底盘结构设计与机械结构设计两个角度入手，分析了全地形移动机器人机械结构的设计要求，围绕系统整体设计与分支模块设计，研究了全地形移动机器人控制系统的设计思路。

全地形移动机器人；机械臂；底盘结构设计；工业领域

随着现代社会的不断发展，自动化、智能化成为了工业领域变革发展的重要方向，机器人在工业生产中的作用也越来越突出。在此背景下，有必要对全地形移动机器人的机械结构与控制系统设计展开探究讨论。

1 全地形移动机器人设计的功能需求

全地形移动机器人的应用优势，在于“全地形”与“移动”两个部分。一方面，在全地形的应用背景下，机器人具备良好的路面适应能力，可在复杂地形环境下执行标准的任务动作；另一方面，机器人在移动过程中，应保持路线精准，并可实现较高的工作效率与工作质量。基于此，对于全地形移动机器人的结构与系统设计，可总结出以下4点功能需求：①地形适应的需求。即赋予机器人以爬坡、越障、原地转向等运动功能。②站点识别的需求。即保证机器人可在传感系统的支持下，对现场环境的站点信息进行精准采集与识别，从而获取并执行相应站点的任务动作。③路径导航的需求，即保证机器人可根据预设的导航路径，实现由当前点到目标点的顺利移动。④自动避障的需求。即当现场环境中存在无法爬、越的障碍物时，机器人可对其进行快速检测与识别，并灵活避让。满足这一功能需求，既有助于保证全地形移动机器人的运行效率，也有助于为机器人以及现场人员、设施、设备的安全提供保障[1]。

2 全地形移动机器人的机械结构设计

2.1 底盘结构设计

底盘结构是全地形移动机器人机械结构的设计核心，其既承担着机器人的移动支持任务，也是机器人自重以及搬运物质量的负载基础。一般情况下，全地形移动机器人的底盘结构主要由行走机构、传动机构、悬架机构以及其他底盘零部件组成。

2.1.1 底盘行走机构的设计

基于全地形的移动特点与应用需求，底盘行走机构在设计上应兼具稳定的轮式运行能力、灵活的转向能力以及崎岖路面的适应能力。同时，在提出原地转向的要求后，应保证底盘行走机构的最小转弯半径为0，这一设计思路主要与不通车轮的摩擦力作用有关。在同一坐标系中，当底盘前轮产生沿轴的向左摩擦力时，其后轮会同步产生沿轴的向右摩擦力。此时，如果前后轮的摩擦力达到对等，机器人即可实现原地的逆时针转向，顺时针同理。但需要注意的是，如果车轮选用传统的单向橡胶车轮，机器人转向时底盘前后轮会产生较大的滑动摩擦力，进而会对机器人原地转向的灵活性造成很大影响，且极易磨损车轮，不利于底盘结构的应用长寿性。

基于此，使用球形全向轮代替单向橡胶车轮，使滑动摩擦力变为滚动摩擦力，可有效解决机器人原地转向的阻力问题。全地形移动机器人底盘行走机构的主体结构由4个驱动轮、2个全向轮前轮和10个从动轮组成，每个全向轮轮毂的边缘均匀分布5个从动轮，上方驱动结构主要与驱动轮及全向轮轮毂中心连接，各从动轮不具备主动性、独立性的动力支持。当机器人移动时，驱动轮纵向发力，从动轮不转动；当机器人原地转向时，全向轮轮毂发力，使从动轮围绕轮毂轴线进行旋转运动，驱动轮不发力[2]。

2.1.2 底盘传动机构的设计

全地形移动机器人的底盘传统机构主要包括动力系统与传动系统两个部分。其中，动力系统的主体部分为两个直流电机，主要负责机器人移动过程中驱动力发出；传动系统的主体部分为相互咬合、一体联动的齿轮和联轴器，主要负责动力系统所产生作用力的传输与放大。

在动力系统的设计中，主要应根据机器人的质量，以及底盘中各车轮的位置间隔进行电机功率的合理选择，以确保电机发出的作用力可驱动机器人稳定、高效运行；在传统系统的设计中，主要应做好不同等级输出锥齿轮、差速器输出锥齿轮以及联轴器的合理配置，并与左右两侧电机建立连接，以此实现力的有效传递。具体来讲，首先要通过联轴器将直流电机的输出轴与一级输出锥齿轮连接起来，再通过次级锥齿轮、差速锥齿轮的啮合连接，将扭矩传输至悬架机构处。这样一来，便可构成电机、齿轮组、联轴器、悬架、车轮相互配合的作用力传输结构，实现全地形移动机器人的驱动与控制。

在底盘左右两侧电机同向、同速驱动运转时，移动机器人可进行竖向的进退动作；在底盘左右两侧电机反向驱动运转时，移动机器人便可进行转弯动作。在此基础上，如果电机转速相同，机器人就能实现原地转向。

2.1.3 底盘悬架机构的设计

悬架机构与车体、车轮相连，主要包含连杆、摇臂、滑块等构件，是满足全地形移动机器人顺利应对崎岖路面的运动保障机构。当车轮移动时，不同部位的悬架连杆可进行同步的转动调整，以确保所有车轮均可与地面相接触，并形成一定的减震效果。在底盘悬架机构的设计实现中主要应注意以下几个问题：①悬架机构并不是标准、固定的，其连杆数量、摇臂数量、系统构型与底盘车轮的数量、车轮结构的自由度、减震构件的运用等多种因素相关，任何因素发生改变，都会对悬架结构的设计结果产生影响；②在全地形移动机器人的运行过程中，机器人及搬运物的质量会经由悬架机构均匀地分散在各个车轮上。因此，在悬架机构的材料选择上，必须要保证充足的承载力、强度与刚度；③应在保证悬架机构运行平稳的基础上，尽量增加弹性减震构件，以此降低机器人整体在越障、爬坡等过程中的颠簸程度，避免发生车体倾斜、倾倒等负面问题。

2.1.4 底盘其他零部件的设计

2.1.4.1 车体结构的设计

车体即底盘，即上方主体的框架结构，其承担着保护、装载机械臂、行走机构、传动机构、悬架机构、车轮等结构的重要职能。因此，在设计中要注重车体材质、结构的合理选配。结合当前的材料市场来看，将45号钢作为车体底板、侧板、机械臂安装板等关键部位的主要材质，将铝合金作为检修孔面板、装饰板等辅助部位的主要材质，既能达成良好的设计性价比，也有助于减少钢材的用量，从而降低全地形移动机器人的总质量[3]。

2.1.4.2 车头的设计

车头是全地形移动机器人的“头脑”，即软件控制系统的主要安装部位。这一部位对设计中强度、承载力等力学性能的要求较低，只需从空间规模、结构布局上满足各类系统器件的安装需求就可以。

2.2 机械臂结构设计

全地形移动机器人的机械臂结构采用单臂机器人进行安装设计，此类机器人具有基座、肩部、肘部以及3个腕部，共有6个自由度，且可在第3节腕部处安装负载为5 kg左右的夹持结构。将单臂机器人应用到全地形移动机器人的设计当中，既能满足机器人携带一定质量搬运物的工作需求，又可直接应用API函数结构进行程序编制、软件开发与总控系统连接，从而缩减一定的设计工作量，降低软件的设计难度。

3 全地形移动机器人的控制系统设计

3.1 控制系统的整体结构设计

在全地形移动机器人的工作实践中，其需要在磁条介质的支持下，完成运动路线的导航规划、物料拿取与释放的动作控制以及路线中各节点站点的有效识别。同时，为了最大化地发挥全地形移动机器人的应用价值，还应构建针对机器人整体状态的监控机制，实现故障情况下机器人异常信息的及时传输与警报显示，以便相关人员及时进行现场检查与维修处理，使机器人快速恢复性能并重新投入生产工作当中。

基于此，将全地形移动机器人的软件控制系统设为五层结构：最顶层为系统的电脑控制中心，其负责任务程序的输入、动作指令的发出与下层信息的反馈；第二层为多轴运动控制卡，其与第三层相连，实现将系统指令转化为明确的控制信号；第三层为I/O转接板、SS11接口板与PFID读卡器；第四层为指示灯、传感器等元件、机械臂控制器、直流电机驱动器以及ID卡，其中，I/O转接板主要与指示灯、传感器等元件以及机械臂控制器相连，SS11接口板与直流电机驱动器相连，实现第二层控制信号的执行驱动，RFID读卡器与ID卡达成射频连接，直接基于顶层电脑控制中心的预设程序，进行站点及相关任务动作的识别与响应；第五层为机械臂与直流电机，其分别与机械臂控制器、直流电机驱动器相连，支持并控制机器人执行任务动作。

3.2 控制系统的分支模块设计

3.2.1 导航模块设计

这一模块是全地形移动机器人按照设定路线进行移动的基础系统，其主要通过磁导航传感器实现路线信息的采集与响应，具体的信息处理流程为“开始→采集传感器信息→分析传感器信息→移动机器人有无偏离路径→是/否→调整机器人姿态，回到信息采集环节/继续向前运动→接收停止信号→结束”。

3.2.2 机械臂控制模块设计

这一模块以PFID射频读卡器与站点处ID卡的识别互动为基础，实现机器人机械臂对相应物品的拿取与释放控制，具体的信息处理流程为“开始→识别动作信号输入→识别动作信号类型→获得拿取/释放信号→执行拿取/释放动作→判断拿取/释放是否完毕→发送拿取完毕/释放完毕信号→结束”。

3.2.3 识别模块设计

这一模块同样以PFID射频读卡器与站点处ID卡的识别互动为基础，是机械臂动作控制的先决条件，其信息录入流程为“开始→RFID读卡器读取ID卡信息→信息格式检查→格式正确/格式错误→录入卡号并提示/提示卡号错误→选择ID卡功能→存入数据库”，信息处理流程为“开始→RFID读卡器读取ID卡信息→检索、对比数据库信息→确认动作信号→输入动作信号→结束”。

4 结论

综上所述，保障和强化机器人的环境适应能力与路径运动质量，是全地形移动机器人设计的重点。基于机器人技术的不断发展，全地形移动机器人的机械结构设计与控制系统设计在导航、定位、动作执行、环境响应等方面尚存较大的研究与发展空间，可为现代工业生产的质量发展、模式创新提供持续助推。

［1］马芳武，倪利伟，聂家弘.主动悬架轮腿式全地形移动机器人俯仰姿态闭环控制［J］.农业工程学报，2018，34（20）：20-27.

［2］王奉晨.全地形轮式移动机器人设计与性能分析［D］.成都：西南交通大学，2018.

［3］强璐亚，陆袁博，王皖君.全地形机器人小车设计［J］.电子世界，2018（1）：129-130.

TP242

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.12.026

2095－6835（2020）12－0065－02

〔编辑：张思楠〕