摘要：文章介紹了第45屆世界技能大賽中使用最為廣泛的三輪移動機器人，具體分析了輪系選擇到控制實現的整個過程，實踐表明，該套控制系統具有良好的運動控制精度，并在比賽應用中滿足了高速、精確的底盤運動控制要求，為全國參賽院校提供了較好的參考。

作者簡介：章安福（1986—），男，漢族，籍貫江蘇宿遷，本科，職務：專業帶頭人，職稱：高級講師，研究方向：電氣自動化、機器人、智能控制。

1   項目背景與任務分析

第45 屆世界技能大賽移動機器人項目的任務是基于現實工廠的自動化裝配場景設計的，要求機器人能夠在虛擬工廠場景中完成將1 個零件從零件庫到裝配工作站的自主拾取、自主移動、自主裝配的自動化過程。移動機器人需要通過讀取命令板上的信息，將所要求的零件裝載至指定零件架，運送到指定的工作站。通過對虛擬工廠的簡單分析，初步確定機器人移動系統的基本要求，如圖1 所示。

虛擬工廠的零件架與工作站位置固定，使用全向運動的移動系統能夠靈活且精準到達，移動機器人可以通過巡線確定左右位置，通過測距傳感器確定前后位置，因此可以初步確定全向運動的移動系統作為移動機器人的移動結構。

2   底盤選擇與搭建

2.1 移動機器人底盤選擇

縱觀歷屆世賽，移動機器人項目的典型移動系統有兩電機實現的差動控制系統、三電機實現的全向控制底盤和四電機驅動全向控制底盤（表1）^[2]。在第45 屆世界技能大賽移動機器人項目的任務中，由于整個任務要求機器人具有靈活移動的同時使用盡可能少的電機，三電機實現的全向移動系統能夠在2 m×4 m 的虛擬工廠中自由全方位移動，快速、精準地到達命令欄、零件庫、零件架區域、工作站區域前方，同時能夠滿足虛擬工廠內10° 斜坡的移動要求，完成任務比兩電機驅動底盤更加靈活，比四電機驅動的底盤具有相同靈活性，同時減少了1 個電機的使用。經對比分析，最終選擇了三電機驅動的底盤作為搭建原型。

2.2 移動機器人底盤搭建

2.2.1 輪子選擇

全向移動的移動機器人底盤設計一般采用全向輪和麥克納姆輪2 種。麥克納姆輪承重能力大，摩擦力大，常用于4 輪底盤設計。全向輪的特點是靈活快速，原點旋轉更精準，常用于3 輪底盤設計。考慮到套件資源因素，同時也希望機器人擁有快速移動能力，最后選擇使用3 輪全向輪底盤（圖2)。

圖2 全向輪

2.2.2 底盤的制作與裝配

在移動機器人項目提供的套件中，U 型通道的尺寸無法滿足于我們的底盤支架大小，因此將原有的U 型通道加工為長度160 mm 的U 型通道。底盤使用3 條U型通道以60° 內角分別連接底部的電機座（如圖3）。

圖3 底盤裝配

頂部后面裝有2 路超聲波傳感器，右則裝有1 路紅外傳感器，右前方裝有1 路紅外傳感器，前方底部裝有4 路QTI 傳感器，中間放置1 個陀螺儀。底盤使用2 塊電池，分別放置在后方兩側，最終完成的機器人如圖4所示。

圖4 底盤機構

3   底盤控制研究與實現

三輪全向移動底盤具有良好的運動性。3 個輪子互相間隔120° ，每個全向輪由若干個小滾輪組成，各滾輪的母線組成1 個完整的圓。機器人既可以沿輪面的切線方向移動，也可以沿輪子的軸線方向移動，這兩種運動的組合即可以實現平面內任意方向的運動。

建立世界坐標系x′o′y′，機器人坐標系xoy。移動底盤自身的角速度為ω，中心到輪子的距離為常數L，順時針為角速度正方向，各輪子速度為Va、Vb、Vc，移動底盤在自身坐標系下的分速度為Vx、Vy，夾角θ1=π/3，θ2=π/6，α 是兩個坐標系的夾角。運動模型如圖5 所示。

圖5 運動模型

經分析可得如下關系式：

以矩陣方式表示如下：

以上是機器人在自身坐標系下的運動學方程，實際應用中還需要轉換為世界坐標系，圖5 中機器人自身坐標與世界坐標的夾角為α。假設機器人在世界坐標系的速度和角速度為： Vx′ 、Vy′ 、W。

可以推出：

因此，可以推出機器人相對于自身坐標系下的速度與機器人相對于全局坐標系下的速度之間的變換關系為一個旋轉矩陣：

因此兩個坐標系的變換可寫成：

再代入最開始的矩陣得到：

通過此方程即可以將場地的速度與輪子的速度連接起來，根據這個算法將輪子的速度計算出來，由此可以控制電機的轉速，從而控制輪子的運動^[3]。

坐標移動方式可分為相對坐標移動與絕對坐標移動，相對坐標移動是以機器人自身作為坐標運動的中心向任意方向運動；絕對坐標移動是以運動空間中的某一個點作為坐標運動的中心向任意方向運動。

程序上的實現是通過LabVIEW Robotics Steering 模塊提供的移動機器人運動學解算算法。通過配置輪式結構實現快速搭建框架。不需要學習移動機器人運動學中枯燥乏味的算法就能實現對不同輪式結構的機器人驅動。

3輪全向輪運動框架的配置需要切換到程序框圖，右擊彈出函數面板（如圖6）。myRIO ? Robotics Algorithms ? Steering ? Configure，調用編寫搭建運動模型所需的函數。用myRIO 自帶的快速VI 編寫，這樣會更加方便快捷。

進入配置頁面，配置移動機器人運動框架模塊可以創建不同的運動框架（圖7），例如：兩輪差動模型[4]、三輪全向輪、四輪全向輪等。

圖6 調用配置框架快速VI

圖7 配置框架

不同轉向類型配置欄里的選項也會不一樣， 這里以User Defined（ 用戶定義）類型進行說明，分別有Wheel Type（輪子類型）、Wheel Name（輪子名稱）、X position（輪子X 坐標）、Y position（輪子Y 坐標）、WheelRadius（輪子半徑）、Gear Ratio（ 齒輪比） 和Frame Angle（輪子夾角）。這里顯示配置輪子的數量，不同的轉向類型輪子數量也不一樣，右下方的3 個按鈕可以對輪子進行添加、刪除、復制等。點擊不同輪子可以進行輪子的配置，在調用的畫面中會顯示輪子的布局以及每個輪子的大小與角度等。對于3 輪全向移動系統的配置，轉向類型選擇User Defined（用戶定義），旋轉單位選擇Degrees（度），再在輪子列表中添加兩個輪子，變成3 輪全向移動系統。

配置完底盤控制框架后，我們將配置框架、逆運動學解算、正運動學解算以及電機速度環連接起來。正運動學通過電機編碼器解算出當前機器人在機體坐標系下的矢量速度；逆運動學負責解算設定機體坐標系下的速度，得到每個輪子電機的矢量速度，從而實現3 輪機器人底盤的運動控制（圖8）。

圖8 程序

參考文獻：

[1] 丁力,吳洪濤,李興成,周宇.移動機器人的最優軌跡跟蹤控制研究[J].機械設計與制造,2020(02):271-274.

[2] 宗光華.機器人的創意設計與實踐[M].北京:北京航空航天大學出版社,2004:330.

[3] 牟學剛,朱勁,蔣平.三輪全向足球機器人結構設計與系統模型研究[J].機械與電子,2006(5):38-41.

[4] 黃永志,陳衛東.兩輪移動機器人運動控制系統的設計與實現[J].機器人,2004,26(1):40-44.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年5月期）

關鍵詞： 移動機器人 底盤 運動控制 202105