移动机器人通用底盘设计与研究

刘恒志

摘要：本文主要研究和设计的对象就是移动机器人底盘，从机械部分和控制部分对底盘进行了设计研究，前期的底盘设计和加工、硬件设备的采购以及各底盘零部件的组合安装等都属于主要的机械部分。实现了对三种不同的全向轮 rotocaster、 mecanum 和 wesn 的不同类型底盘的设计，使其具有了整体运动功能，按照预期，机器人底盘具有4G/5G/Wifi 远程遥控、实时图像传输、室内外自动导航、指定路线巡迹、SLAM 建图、路径规划、自动循迹、智能避障等功能。

关键词：移动机器人;通用底盘;设计研究

一、系统硬件设计

1.组成该底盘的加工零件有铝合金以及自主设计加工的部分零件。2.电动机为运行机构的平行双轮提供了驱动力，将两个万向轮安置在了前后方。3.将固定编码器添加到了主动轮附近，主动轮为编码器轮提供了驱动力，需要注意的是编码器轮的轴度需要与主动轮保持一致。无法考虑电动机内原始的编码器。4.该底盘圆直径最大值450mm。5.根据具体功能确定了需要在哪一位置安装多少数量的感应器，超声波感应器独立安装在了本地盘的两侧，目的是为了对外物距离进行测量，进而进行自动调节。将红外感应器安装在四个方向的目的是为了避障等。6.在选择电动机等元件时，需要对各环节的影响因素进行考虑[1]。

（一）机械系统设计

1.电机选择

由于机器人无法确定移动机器人的正常工作途径，通常都是在室内或者户外进行，因此，机器人的主要驱动能源大多由蓄电池提供，所以，可以采用直流电机来为移动机器人提供驱动力。根据调查得知，由于电机做大需要1.25Nm的转矩，需要不断输出150W以上的功率。如果以最大转矩为标准来选择电机，那么就需要采用尺寸和质量较大的点击。事实上，电机在无需任何翻越一个障碍物时的瞬间旋转矩并不一定需要那么大，这一旋转矩只是瞬间所必须的，而无需长期输出。所以在对电机进行设计和选型的过程中，电机的驱动力转矩必须不得大于或超过它的转矩最高峰值，而且电机只是需要能够不断地输出比爬山时的一台机器人更大的额定转矩，如此不仅使得电机的驱动力能够得到尽量有效地利用，并且避免了不必要浪费的出现。所以，需要选择0.73Nm额定转矩的电机，其转矩峰值、输出功率分别为1.25Nm和150W以上。

在经过各种对比后，我们采用了DTB080242510S型直流无刷电机，其参数如表所示。根据表格得知，其转矩峰值最大为1.25Nm。

（二）驱动部件

驱动部件具有的结构，采用螺钉在后悬挂摆臂上对点击和减速器进行了固定，轮胎中具有与汽车轮胎相似的驱动结构，采用了轮胎中由内外驱动的轮毂和螺栓固定、拧紧。因为驱动输出机和轴之间往往存在较大的扭矩传递比和力矩，所以驱动轮子结构需要直接采用法兰和金属轮毂等传动装置部件，来对其进行传动连接用以固定驱动输出机的轴，此类驱动轮子的连接固定方式，主要是按照普通汽车的驱动轮子结构进行的。

二、底盘通用性设计

（一）模块化设计

机器人底盘属于自身的子模块之一，这一模块系统能够带动机器人的运动。本文按照驱动系统、悬挂系统以及车身框架这四个模块，对通用底盘系统进行了设计。电机以及减速器等都在驱动模块中，通过对各种型号的电机或是对减速比不同的减速器的调换，能够从承载力和速度方面，来改变移动机器人;悬挂系统模块主要具有调节悬架刚度和调节阻尼系数的功能，能够对各种质量的底盘系统进行匹配;电池以及不同的控制板卡等都安放在了车身框架模块中[4]。

（二）系列化设计

移动机器人在室外主要用于巡逻和全地形侦查，所以其功能需要适用于各个施工场合，需要根据不同的路况来对通用迪兰进行设计。我们在组合了各个模块后，快速为机器人设计了一种能够在各种场合应用的移动底盘，全向轮模块中包含了一般的橡胶轮以及WESN全向轮等等;采用了独立四轮、前后轮这几种驱动方式;采用左右对称、交叉对称等形式对车轮进行了配置。

在MECANUM中配置了四轮的全向轮，所有全向轮的中都安装了独立的直流驱动电机，通过对驱动电机的控制，就能够让通用底盘进行平移、旋转以及执行等运行。如果通用底盘需要执行的任务不同，那么底盘也会呈现出不同的承载质量，采用模块化设计底盘，不仅可以通过对其悬架模块的调节来匹配其刚度系数和阻尼系数K和C，还能够在各种路况中应用底盘系统[5]。

三、控制系统

（一）控制系统硬件平台搭建

传感器的线通常有三根，例如电源线和信号表等等，用 io 来标记信号线，对于信号表也进行了制作，能够方便于日后程序的编写。电动机的驱动器是 pwm 输出口 io 的一个连接件，每个电动机的输入和控制都要由2路 pwm 来完成，共有四路。输入口 io 端连接的是一根编码器控制线，能够实现对编码器的脉冲信号进行读写。杜邦线能够同时连接5v 的低电压，24v 的直流电源线上的直流电线尺寸为0.5。目的是为了避免杜邦线路过载发生火灾而引起起火。在进行接线时需要根据常规电器原则。电气原理如图3所示。

（二）下位机控制系统

针对下位机控制系统来说，需要在控制版中编写和存放相应的程序设计，主要涉及到了两部分，分别为驱动所有部分的程序和逻辑循环程序。如下列举了几种较为常见的驱动程序。

1.用于控制和接收超声波的口，每个使用超声波接收控制口所需产生和接收发出的独立的最高电平都应该是10μs以上，接收控制口主要用于控制超声波源的接收和控制输出，定时器在此口电压降低时的值就是本次测距时长，进而能够实现对其距离的计算。如此，通过对周期的反复测量，能够获取到移动测量值。

2.红外线传感器驱动。光电传感器中的红外传感器具有发射功能和接收功能，可以结合要求来调节检测距离。红外传感器的作用相当于继电器，如果有物体接触到红外传感器，线圈中就会产生电流，触电就会出现常开、常闭的现象，进而获取到相应的信号。其主要优势就是可以实现对检测距离的调节。电压、电流以及距离值分别为5VDC、100mA和3-80cm。

3.采用电动机。处于正常工作状态的直流电动机在转子的线圈中只需有一个直流电，那么不管其政府连接在哪边，除了转动方向外，不会对转子做出任何改变，电动机都处于工作状态，只要存在足够的电流和电压。转子转动得越快其电压就越大，扭力越大其电流就越大。由于在电动机上直接计入的电源无法调速，因此无法实现对电压代销的改变，如果将直流电按照若干份进行划分，那么每个周期内的电动机正常工作和不工作的时间分别为半个周期。如此就能够使直流电动机具有不同的速度，我们通常将其称之为脉冲，在单位时间内只需通过对固定脉冲数的输入，就能够保持电动机的转速不变，脉冲数越多，速度越快，脉冲数越少，速度越慢。

而程序的循环需要在特定时刻通过对某个电气元件的驱动来作出规定动作，通过与传感器信号的结合，能够使其具有逻辑关系，进而对程序进行终止或无限循环。

（三）上位机界面设计

首先需要分析界面需求：1.需要有串口能够与下位机通信，所以需要在串口中连接能够与下位机硬件相符的串口号;2.根据用户所需能够掌握具有坐标位置和所指示的目的进行输入权利;3.需要能够暂停和中断执行命令或者上位机的命令;4.上位机操作界面中所有能够实时地显示给下位机的串口数据;5.界面中我们需要看到超声波和红外线之间的运动状态以及它们是否终止;6.需要能够选择行走方式。这一最初界面是讨论和修改后得到的，其从执行过程和执行动态方面对下位机进行了清晰的显示，所以我们对这个界面进行了确定[7]。

结束语：

从设计底盘开始到完成对其的构建等、每个环节都经过了反复考量和反复实踐才完成的，因此底盘具有较强的通用性，有待对其额外功能进行开发。在具有平面移动功能的机器人中，轮式机器人在灵活性和便捷性方面具有显著优势，因此不同类型的轮式机器人可以在各场合得到更好的应用。因此，本文从底盘设计方面，对两轮移动机器人进行了介绍。

参考文献：

[1]胡劲草.室内自主式移动机器人定位方法研究[J].机电产品开发与创新，2006，20（5）：14-18.

[2]王殿君，魏洪兴，任福君.移动机器人自主定位技术[M].北京：机械工业出版社，2013.