（载运工具运用工程专业论文）轮式物料搬运机器人系统开发研究.pdf

摘要 y7 4 1 2 3 7 本沦文研究的是轮式物料搬运机器人的方案设计。该机器人奉体由非 完整约束轮式移动载体和空间开链操作臂构成，可以输出四个机械自由 度，与具有同样功能的固定基座搬运机器人相比，具有更大的= 作空间和 负载车重比。 文中首先论述了近年来工业搬运机器入和移动机器人技术研究的发 展状况，接着在此基础上对轮式物料搬运机器人进行了系统分析，然后提 出了各个功能模块的实现方案。这些模块包括移动载体、操作臂、控制系 统、无线通讯模块等。最后，用机器人样机进行了搬运模拟物料的功能实 验，验证了设计方案的可行性。 本文对物料搬运机器人的移动载体和控制系统进行了重点研究。通过 结构选型分析，采用了改进的( 2 ，0 ) 型移动载体，并列该载体进行了运动 分析，建立了航位推算的数学模型，进而确定了机器人系统的控制方案。 在这一控制方案中完成了元器件选型、接口电路和程序设计、系统集成等 工作，并基于分层多智能体系统思想编制了控制软件。 关键词：轮式物料搬运机器人移动载体操作臂多智能体系统 s t u d y o nt h es y s t e mo f aw h e e l e dm a t e r i a l c o n v e y i n gr o b o t a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，aw h e e l e dm a t e r i e l c o n v e y i n gr o b o t i sp r o p o s e d t h e r o b o ti sc o m p o s e do fa no p e nc h a i n i n gm a n i p u l a t o ri n t h ev e r t i c a la n da n o n h o l o n o m i cm o b i l e c a r r i e ri n t h eh o r i z o n t a l ，w h i c h c a r l o u t p u t s f o t t r 疗e e d o m sw i t hl a r g e rw o r k s p a c ea n dr a t i oo f l o a dt or o b o tw e i g h tc o m p a r e d w i t hb a s ef i x e df o u rf r e e d o mc o n v e y i n gm a n i p u l a t o r s f i r s t l y ，t h er e c e n td e v e l o p m e n t o fi n d u s 订mc o n v e y i n gr o b o ta n dm o b i l e r o b o ti sr e v i e w e d s e c o n d l n t h es y s t e ma n a l y s i sf o rt h ew h e e l e dm a t e r i a l - c o n v e y i n gr o b o t i sc a r r i e do u t ， t h i r d l y , t h ep r a c t i c a ls c h e m e s f o ra l lt h em o d u l e si n c l u d i n gt h em o b i l e c a r r i e r ，t h em a n i p u l m o g t h ec o n t r o l s y s t e m ，t h e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n m o d u l e ，e t o a r ed e s i g n e d f i n a l l y ，a ne x p e r i m e n t i s p e r f o r m e dt o v a l i d a t et h ef u n c t i o n so ft h e m a t e r i e l c o n v e y i n gr o b o t t h er e s e a r c h e sa r et h ee m p h a s i z e do nt h em o b i l ec a r r i e r a n dc o m r o l s y s t e m a ( 2 ，0 ) n o n h o l o n o m i c c a r r i e ri s a d o p t e d ，a n d e l e c t r o c i r c u i t sa r e d e s i g n e d a n d p r o g r a m m e db a s i n g o nm a s k e y w o r d s ：w h e e l e dm a t e r i a l c o n v e y i n gr o b o t ，m o b i l ec a r r i e r ， m a n i p u l a t o r , m u l t i a g e n ts y s t e m 1 1 选题意义 1 1 1 课题由来 第一章绪论 “木牛流马”的故事流传已近两千年，讲的是渚葛亮发明的一种自动 装置。这种装置可以不用牲畜做动力，而是使用类似弹簧的装置来提供动 力，帮助蜀军运送战略物资。这虽然只是个传说，但是却体现了人们对于 能够搬运物品的自动化装置的向往。 世界上第台可用的物料搬运机器人产生在1 9 4 7 年。当时美国橡树 岭国家实验室正在研究核燃料，为了防止x 射线对人体产生伤害，必须 有一台机器来完成像搬运和核燃料的处理这样的工作。之后不久的时间 里，各个发达国家纷纷将工业与机器人进行结合，并将机器人进行工业化， 进行批量生产，使机器人正式走向应用。 搬运机器入与一般的机器人一样也经历三个主要进程l jj ： 第一代搬运机器人主要特征是示教再现型，具备各种遥控操作器。 第二代搬运机器人的主要特征是带有传感系统，可以离线编程。这种 传感系统使得机器人具有视觉、触觉等功能，可以完成最精密的元件检测、 装配、物料的装卸等。 第三代搬运机器人的主要特征是具各自治能力。它不仅具备感觉功 能，而且根据这些感觉，它还有一定的决策及规划能力：能根据人的命令， 按所处环境自行决策，规划出行动。目前尚处于开发之中。 三代物料搬运机器人具有这样一个共同特点：操作臂的基座被固定在 地板上( 参见图1 - 1 ) 。这就决定了它们只能在有限的工作空间内完成操作 任务。另外，由于采用串联机构作为操作臂，使得负载与机器人机体重量 的比值很小，而且运动误差会通过各个关节被不断累加，导致操作臂精度 下降，这些情况极大的限制了物料搬运机器人的应用。 第一章绪论 图1 ，1 四自由度芯片搬运机器人 例如图l 一1 中所示的芯片搬运机器人是用于贴片元件搬运和定位的 四轴运动工作台及控制系统，具有机械4 维自由度：配有x 、y 轴紧密机 械定位平台可实现x 、y 轴方向的微调，上下( z 轴向) 可自由调整，同 时。角可自由旋转。不难看出，在工作空唰十分有限的情况下，用于搬运 质量很小的芯片的串联机构机器人还是要使用很大的机体重量和驱动能 量才能满足工作要求，这种情况在工业搬运机器人的应用中非常普遍。 与串联机构作机器人操作臂相比，并联机器人刚度好，负载能力强， 关节阳j 误差不累积，控制精度高。但是这种机器人增加了机构支链数目， 控制算法复杂，运动空间更小口j 。 研制一种可以增加负载车重比值，并且极大拓展工作空间的机器人来 突破上述限制是生产发展的客观要求。本文论述的轮式物料搬运机器人在 这方面进行了探索。后面的章节中将对其研制过程中的关键问题进行展 开，并通过实验证明了方案的可行性。 1 1 2 选题背景 搬运机器人不但能够代替人的某些功能，有时还能超过人的体力能 力。可以2 4 小时甚至更长时间连续重复运转；还可以承受各种恶劣环境。 因此，搬运机器人是人体局部功能的延长和发展。 2 1 世纪是敏捷制造的时代，搬运机器人在敏捷制造系统中应用广泛。 这种机器入作为柔性制造单元( f m c ) 中最重要的柔性工具之一，它可 以安装在中央刀库中实现刀具交换；也可以安装在夹具站，实现央具的 交酱或移动机床主轴箱体。虽然使用搬运机器人可以减少随行工作台和托 盘的动作，使得制造业自动化系统中的物料、运储子系统更加灵活，但是 2 北京变通人学坝1 j 学位论文 轮j 物料搬运帆器人系统开发哳究 一般工业搬运机器人只是固定在基座上的操作臂，只能在特定的工作空间 内执行操作任务，这明显是对柔性制造单元柔性产生的限制。 分析制造业自动化系统的物料、运储子系统的构成可知，这一子系统 一般由毛坯与刀具准备工作站、传送带、有轨小车、自动导向小车、自动 化仓库、搬运机器人、托盘站等组成。传输带主要是从传统的机械式自动 线发展而来的，现在应用仍较普遍，可靠性、高制造成本低是其主要优点。 运输小车的结构变化发展很快，形式也多式多样。大体上可以分为无轨和 有轨两大类。有轨小车有的采用地轨，像火车的轨道样。也有的采用天 轨，或称高架轨道，即是把运输小车吊在两条高架轨道上移动。无轨小车， 又因为它的导向方法的不同，而分为有线导向、磁性导向、激光导向和无 线电遥控等多种形式。自动物流系统的发展初期，多采用传送带及有轨小 车，随着控制技术的成熟，采用自动导向的无轨小车越来越多。 自动导向小车主要是指将导向轨道理设在地面之下，由小车自动识别 轨道的位置并按照中央计算机的指令在相应的轨道上运行的无轨小车。这 种自动导向小车系统主要由运输小车、地板设备及系统控制器等三部分组 成，本身具有较高的柔性，只要改变一下导向程序就可以很容易地改变修 e 和扩充移动路线。 无论搬运机器人操作臂还是自动导向小车，功能太过单一。不利于自 动化系统的集成，且两种设备的缺陷已经很难通过自身的改进来弥补。而 如果将搬运机器人加载到自动导向小车上，或者说是将减少了机械自由度 数目同时缩短了连杆长度的串联机构操作臂加载在移动载体上，则会减少 物料、运储予系统的工作环节，增加这一子系统的流畅程度，提高制造业 自动化系统的灵活性。 1 1 3 目前研究情况 轮式物料搬运机器入的研究属于移动操作机器人研究的范畴。我们将 具有移动功能、搬运功能和操作功能的一类机器人统称为移动操作机器 人。下面主要引述参考文献【4 1 中介绍的，和轮式物料搬运机器人系统j f 发研究相关甚至相同的课题，以此来介绍近十年来国外轮式物料搬运机器 人的研究情况。 美国c a r n e g i e m e l l o n 大学的c a r r i k e r 等( 1 9 8 9 1 9 9 0 ，1 9 9 1 ) _ l f f 究了移 第一章绪论 动操作机器人移动和操作问的协调规划问题。美国橡胶岭国家实验室的 p i n 等( 1 9 9 0 ，9 2 ，9 6 ) 研究了移动操作机器人的冗余分解问题。c a r l f o m i a 大学的s e r a j i ( 1 9 9 3 ，9 5 ) 研究了移动操作机器人的协调和运动控制问题， c h u n g 等( 1 9 9 8 ，9 9 ) 研究了移动操作机器人的建模、鲁棒控制问题。 p e t m s y l v a n i a 大学的y a r n a m o t oa n dl i ( 1 9 9 4 ，9 5 ，9 6 ) 研究了移动操作机器 人的协调控制问题。n e wm e x i c o 大学的c o i b a u g h 等( 1 9 9 8 ) 研究了移动操 作机器人的鲁棒控制问题。s t a n f o r d 大学的k h a t i b 等( 1 9 9 5 ，9 6 ，9 9 ) 对多 移动操作机器人系统进行了研究。 英国c a m b r i d g e 大学的d u b o w s k y 和h o o t s m a n s ( 1 9 8 9 ，1 9 9 l ，1 9 9 2 ) 对移动操作机器人的稳定性、控制进行了研究。s h e m e l d 大学的c h e n 等 ( 1 9 9 5 ，9 7 ) 和m o r r i s 等( 1 9 9 8 ) 研究了移动操作机器人的运动规划问题。 法国的p e r r i e r 等( 1 9 9 6 ，9 7 ，9 8 ) 和f o u l o n 等( 1 9 9 8 ，9 9 ) 研究了移动操作 机器人的协调规划问题。德国的m i k s c h 等( 1 9 9 2 ) 和瑞典的n i l s s o n 等( 1 9 9 9 ) 研究了柔性移动操作机器人的控制问题。希腊的p a p a d o p o u l o s 等( 1 9 9 9 ) 研究了移动操作机器人在力作用条件下的任务规划，t a n n e r 等( 1 9 9 8 ) 建立 了多移动操作机器人协同处理一个可变形物体时的动力学模型。 我国对轮式物料搬运机器人的研究论文还很少。据最近中信所局域网 上的消息i s l ( 2 0 0 4 4 ) 称：由沈阳新松机器人自动化股份有限公司研制成功 的中国首批拥有自主知识产权的激光导引搬运机器人，日前投入运行，这 表明中国在这项技术上已达到国际先进水平。与传统的电磁、光学和惯性 导引方式的机器人相比，激光导引方式具有自动探测、自动寻址，停止精 度高，自主性强，智能化程度高，适应性、灵活性强，安装成本低，运行 可靠性高等优点。激光导引搬运机器人已在山东潍坊柴油机厂和上海文新 报业集团投入使用。这批机器人目前主要用于无人车间的物资搬运工作， 由于设计了激光导航和激光测距技术，机器人定位准确；由于设计了激光 扫描非接触式防碰撞装置，机器人在搬运过程中的安全可靠性得以保证。 另外，这批机器人运行速度快，对环境没有特殊耍求，在无需特殊装修的 普通地面上就可以完成前进、后退、转弯、平移、自旋等多种方式操作； 同时还可以自动充电，保证连续2 4 小时正常工作。机器人每台每次运送 能够轻松完成1 吨重纸卷或1 5 吨重柴油发动机的输送任务。在山东潍坊 柴油机厂，5 台机器人在一个车间内组合起来轮流接续运行，通过总控室 的计算机管理监控系统，实现了集中调度，大大提升了车间物料输送的自 北京交通人学坝_ + 学位论文 轮式物科搬运机器入系统开教研究 动化水平。据介绍，激光导引搬运机器人在机械、电予、能源、交通、物 流、纺织、医药、食品、冷冻、图书自动配送等行业都具有广阔的应用前 景。 1 2 轮式物料搬运机器人 本课题研究的轮式物料搬运机器人由轮式移动裁体和操作臀组成，操 作臂安装在移动载体平台上，如图1 2 所示。整个系统的自由度等于5 ， 是移动载体的自由度2 与操作臂的自由度3 之和，而系统输出的机械自由 度为4 ，故轮式物料搬运机器人系统属于冗余系统。冗余自由度对灵巧操 作，奇异性避免以及在散乱环境中运动十分理想。同时，移动载体可在地 面上运动，这极大的扩大了操作臂的工作空间和灵活程度：具有几乎无限 大的工作空间，高运动冗余，并同时具有移动和搬运功能正是这种机器人 的优点。 移动载体和操作臂的组合在带来以上优点的同时，也产生了许多特有 的问题，如如何协调移动载体的移动和操作臂的操作，如何规划它们的运 动以及如何控制它们，而这些特有的问题都与轮式物料搬运机器人的特点 有关。 图1 - 2 轮式物料搬运机器人样机 此外，由于轮式物料搬运机器人在地面运行的时候车轮会受到非完整 约束1 6 i ，这使得对它的研究必须建立在非完整系统基础上。 第一章绪论 1 3 论文研究的主要内容 结合轮式物料搬运机器人样机的研制和开发，本论文主要研究以f 几 个方面的问题： l 、轮式物料搬运机器人整体分析与设计规划 机器人是典型的机电一体化装置，必须采用系统的观点，立足全局， 对机器人的各功能模块进行合理划分，优化系统配置，综合分析机、电。 软、硬件各自特点，实现功能互补。在对轮式物料搬运机器人样机整体结 构和性能综合分析的基础上，整体规划机器人机械结构形式、驱动装置、 传动系统、控制功能，并对其他控制功能模块进行系统的分析。 2 、轮式物料搬运机器人运动分析 运动学建模与分析是机器人控制和运动规划的基础，选择合理的分析 方法对自动载体、操作臂进行运动分析，能为驱动电机速度和位置控制奠 定理论基础；操作臂动力学分析有利子驱动关节力和力矩控制，为臂上关 节电机的选型提供理论依据。因此，本论文将对该机器人进行运动分析。 3 、轮式物料搬运机器人控制器研制 控制系统是机器人的神经中枢，其蚀能的优劣直接决定机器人的c 作 性能，同时影响和制约研制成本和开发周期。 本文通过对控制系统硬件主控计算机选型、控制结构实现形式、控制 模块功能分解等方面的分析，研究开发了具有开放式结构的机器人控制 器。而且设计过程中基本实现模块化，系统由多种功能模块组成，各模块 完整而单一。这样建立起来的系统，不仅性能好、开发周期短而且成本较 低。模块化还使系统开放，易于修改、重构和添加配置功能。 控制器软件设计采用了多智能体分层控制思想，并针对机器人的结构 化运行环境实现了控制方案。 4 、人一机无线通讯模块设计 机器人可靠运行并不是说每一次机器人的运行都是成功的，而是说运 行出错的时候机器人能够自我保护且不破坏周围环境，可能的情况下要能 够在运行出错时向操作者发出求救信号。因为考虑到这一点，故专门设计 人一机之间的无线通讯模块。在必要的时候机器人可以由自动运行模式切 换到人工控制模式。 第二章轮式物料搬运机器人系统 2 1 引言 本课题的任务是研制轮式物料搬运机器人样机，实现在结构化的平面 环境f 详见第七章) 中将一个体积为4 0 4 0 x 4 0 c m 3 ，质量为2 4 k g 的模拟物 料从a 点搬到空间跨度比较大的b 点，要求机器人具有4 个输出的机械 自由度，可实现自由调烂模拟物料空间，y ，z 轴坐标，同时绕z 轴0 角可 自由旋转基本特征是同时具有移动载体和操作臂，其研究涉及多个方面， 首先，要考虑移动方式和搬运操作臂机构；其次，必须考虑驱动器的控制， 以便机器人达到期望的行为：第三，必须考虑导航或路径规划。 对于轮式移动载体，要以速度和角速度为输入建立非完整约束系统才 能进行运动分析。而搬运操作臂则和一般的固定基座机器人操作臂一样， 是机器人的执行机构，它是一个空间开式运动链p l 。结构上是由手部、臂、 腰和机座以及驱动器和传动机构等组成。操作臂的结构型式采用直角坐 标。驱动器作一维转动或移动。 在明确的功能要求、技术指标以及运行环境地图条件下，轮式物料搬 运机器人模型可以确定，并为之选择合适的任务规划、路径舰划和导航方 法。有了这些前提，方可进行设计控制系统硬件、软件的设计。 2 2 轮式物料搬运机器人的功能 轮式物料搬运机器人应具备如下功能： 1 移动功能：通过本体移动实现物料远距离搬运。 2 导航与定位：能够自主按照设置的路线运行，并且获得位置知识。 3 搬运功能：搬运模拟物料从a 地到b 地。 4 路径规划：离线状态下，操作者为机器人在结构化的环境中寻找出无 碰撞路径。 5 避障功能( 扩展功能) ：机器人应该具有定的感受、适应外界环境变 化的能力，尤其是应能检测出明显的障碍物，自动调用避障策略。 6 无线通讯功能：有数据传输功能，有效距离1 5 米。 7 第二章轮式物料搬运机器人系统 7 报警功能：根据运行结果，报告紧急情况的发生。 2 3 主要技术指标 初步确定机器人的。些技术指标如f ： 外形设计：不大于1 2 0 0 x1 2 0 0 x1 2 0 0 删州3 具有机械4 维自由度：可自由调整模拟物料空间，y ，z 轴坐标，同时 绕z 轴毋角可自由旋转。 动力源：电池 行走最高速度：大于1 5 m s 机身重量：小于1 5 k g 搬运重量：2 , 4 k g 提升模拟物料高度：大于5 0 0 m m 搬运周期：在距离大于l o m 的两点间完成一次搬运小于3m i t t 2 3 轮式物料搬运机器人的组成 2 3 1 功能分解 为了实现上述的主要功能和主要技术指标，可将轮式物料搬运机器人 的功能体系分为：移动载体、操作臂、计算机控制系统、传感器系统、通 讯系统等。结构功能示意图如图2 - i 所示。 图2 - 1 轮式物料搬运机器人按功能分解的结构示意图 8 1 2 3 4 5 6 7 8 北京交通夫学坝i 学位论文轮式物料搬运机器人系统开发研究 2 3 2 功能分配 本小节对轮式物料搬运机器人本体、操作臂、移动载体、计算机控制 系统、传感器系统、通讯系统进行分析，并确定各功能模块的选择方案。 本体与操作臂 机器人的本体用于安装操作臂、移动载体、各种传感器、计算机控制 系统、无线通讯模块和移动载体。 操作臂的功能是抓取、提升、承载、摆放模拟物料，改变物料在竖直 平面内的位置，故操作臂采用平面串联机构。 计算机控制系统 计算机控制系统是轮式物料搬运机器人的核- 匹，包括硬件系统和软件 系统等。它主要包括移动载体的控制，操作臂运动的控制，以及传感器信 号、无线通讯信号的处理。 传感器系统 传感器系统隶属于整个机器人控制系统，是整个机器人的感觉器官， 负责探测现场环境以及检测机器人本体的运动。传感器系统包括检测机器 人运动的传感器和实现机器人可扩展功能所需的传感器。下面主要介绍实 现基本作业用的各种传感器。 1 行进距离检测：编码器，采用积分增量思想，具有较好的短期精度： 2 偏转角度检测：陀螺，测量旋转角速度，无需外部参考，适于短时间 的精确定位； 3 起点、终点摆放台检测：微动开关，反馈是否接触摆放台侧壁信息： 4 物料抓取检测：微动开关，检测物料是否被有效抓起； 5 ( 可扩展功能) 突出的障碍物检测：采用超声波传感器行进路径上有无 障碍物； 6 ( 可扩展功能) 运行环境白色引导线检测：采用颜色传感器识别白线信 息，利用白线导航； 无线通讯模块 用在机器人严重脱离行进路线、不能自行纠偏的情况下，报警，等待 操作者借助红外遥控器的指挥： 移动载体 移动载体执行轮式物料搬运机器人的移动功能。常见的移动载体有轮 第一章轮式物料搬运机器人系统 式、履带式和足式行走机构，此外还有各种轮、履和腿混合式结构。 1 轮式 轮式移动载体一直是平坦地面上运动的最有效的工具。它具有能高速 稳定的移动、能量利用效率商、机构和控制简单等优点，缺点是移动场所 限于平面，且一般情况下需要一定的转弯半径，因而造成灵活性下降。 轮式移动载体依据车轮的数量可分为l 轮、2 轮、3 轮、4 轮及多轮 机构。单轮和双轮主要是进行直立稳定移动控制问题的基础研究，丽不着 眼于移动机器人的实用化问题。从高速移动时加强稳定性的观点出发，多 数采用的是四轮机构。五轮以上的机构有较大的稳定性，适合子台阶、阶 梯或三维弯曲路面等非平地状态的移动。全方位车轮机构是目前常用的轮 式机构，具备全方位移动功能，操作灵活，特别适合干窄小空间中的移动 作业。 按照所用轮子的类型和驱动方式，轮式移动载体可分为五大类，e 1 1 ( 3 ， o ) ，( 2 ，0 ) ，( 2 ，1 ) ，( 1 ，1 ) 和( 1 ，2 ) ，其中前面的数字表示移动度( d e g r e e o f m o b i l i t y ) ，后面的数字表示转向度( d e g r e eo fs t e e r i n g ) 。轮式机器人在地面 上滚动时，会受到非完整约束，这是由轮子的运动本质决定的，即轮子在 地面上做无滑动的纯滚动。尽管非完整系统类别与轮式平台的类型有关， 但所有轮式平台都是非完整的【6 l 。 2 履带式 为了改善车轮对松软地面和不平坦地面的适应能力，履带式移动机构 被广泛采用。履带式移动机构有以f 特点：支承面积大，接地比压小，适 于松软和泥泞地面作业。机动性好，爬坡、越沟等性能好。履带不易扪滑， 牵引附着能力好。履带运动方式在不平地面上的机动性很差，转弯不便， 转向时能耗较大。 3 足式 足式行走机器人即所谓的步行机器人。步行机器人不仅能在平地上而 且能在凹凸不平的地面上行走、跨越障碍、上下台阶，具有独特的优越性 能。但是，要控制它的步行和不倾倒有很大的难度，目前实现上述功能的 机器人很少。四足机器人普遍存在控制复杂和步行速度低、步幅小等缺点， 实用化的成果则更少。 显然，本课题所研究的机器人主要在平面的环境中运行，选用轮式移 动载体最为合理，即采用两轮独立驱动i 8 l 的方式，通过控制两个驱动轮的 1 0 北京交通大学坝i j 学位论文 轮式物料搬运机器入系统开发磷究 速度，使车体跟踪不同的轨迹曲线。这种结构方式的优点是转向灵活，当 两轮速度值相同，方向不同时，车体可以原地回转。两驱动轮( 2 ，o ) 型移 动机器人是三轮式移动机器人的典型。这种机器人由两个在同一轴线的固 定轮作为前轮，分别独立驱动轮，移动度为2 ，后轮是两个偏心转向轮， 转向度为0 ，作用是使车体更加稳定，进行运动分析的时候可抽象为两轮 连线中点的一个偏心转向轮。 2 4 轮式物料搬运机器人控制的关键问题 2 4 1 智能系统体系结构 机器人的智能系统是具有信息密集、多层次的信息与知谚 表示方式、 与环境交互车富多样、信息与知识分布存储等特点的系统。其体系结构方 面的研究工作很多都采用了“感知一动作”结构控制思想或传统a i 符号 主义思想 9 1 。 本课题采用后一种思想对机器人智能系统体系结构1 进行探索，设计 了分层多智能体控制系统。 2 4 、2 运动规划 对于轮式物料搬运机器人在无滑动运动的假设下，移动载体的轮予 与地面接触点的瞬时速度为零，为纯滚动运动，这时机器人可以向前或向 后做直线、旋转运动，但不能横向运动，系统受有制约其速度的非完整约 束，自由度为2 ，控制输入为驱动线速度和转向角速度。 根据任务规划的需要，轮式物料搬运机器人至少要有5 个输入自由 度，而输出自由度数为4 ，是一个冗余系统。如何处理机器人的冗余对其 性能的发挥有很大的关系。这种情况下，机器人可以有两种运动方式：( 1 ) 移动载体和操作臂同时运动，即移动载体运动的同时操作臂也进行运动： ( 2 ) 移动载体和操作臂分别运动，即移动载体首先运动到操作臂的有效 工作空间内( 粗运动) ，然后操作臂再进行操作( 细运动) 。本文研究轮式 移动操作机器人在第二种方式下运动时的情况。 第一章轮式物料搬运机器人系统 轮式物料搬运机器人的另外个特点是强不确定性。它的不确定性主 要来自两个方面：一个方面是移动载体平台与操作臂的相互耦合作用而引 起的模型的不精确，另一方面来自动态的、非结构化的环境，使轮式物料 搬运机器人受到很多意想不到的干扰。轮式物料搬运机器人运动时，操作 臂和移动载体平台间是相互作用的，这种作用不仅表现在运动学方面而且 还表现在动力学方面，这使得轮式物料搬运机器人的建模非常固难。轮式 物料搬运机器人在不同的环境中，环境对它的作用也不相同的而且轮子 与地面间的接触参数也是不确定的，尤其在不规则路面上运动时。 高运动冗余，非完整性和强不确定性是轮式物料搬运机器人的重要特 征，使轮式物料搬运机器人的运动规划和控制变得更加复杂和困难。 路径规划是轮式物料搬运机器人运动规划的一个重要问题。它的目标 是在环境中为机器人寻找一条无碰撞、可达目标的路径。对于轮式物料搬 运机器人，基本在无障碍的结构化环境中运行，运动基本不受限制，运动 规划问题可以通过在自由位形空间内计算一条路径加以解决，这样的一条 路径与工作空间内的一条可行的自由路径相对应。 2 4 3 跟踪控制 跟踪控制是轮式物料搬运机器人运动控制是个非常实际的闻题。分 为轨迹跟踪控制和路径跟踪控制两种。在轨迹跟踪控制中，移动机器人要 求跟踪的期望轨迹是以时间关系曲线图给出的，而在路径跟踪控制中，期 望轨迹是由方便的几何参数来描述的。当要求机器人必须在个特定的时 间内到达一个特定的点时，轨迹跟踪控制是必需的：当要求机器人以一个 期望的速度跟踪一条由几何参数给出的路径时，路径跟踪控制是合适的。 轮式物料搬运机器人跟踪控制采用的是路径跟踪控制方式。 2 4 4 导航和定位 在移动机器人的应用中，需要精确的位置知识。有关位置的测量，可 分为两大类“”i ；相对和绝对位置测量。使用的方法可分为7 种：鼋程计、 惯性导航、磁罗盘、主动灯塔、全球定位系统、路标导航和地图模型匹配。 其中前两种属于相对位置测量，也称为航位推算。 t 2 北京交通大学硕l 学位论土 轮式物料搬运机器人系统开发研究 轮式物料搬运机器人的导航和定位主要采用了航位推算和路标导航 相结合的方法，以编码器和陀螺仪采集的信息作为航位推算信息、两个模 拟物料摆放台的位置信息作为路标导航信息。具体实现方法将在下文中进 行阐述。 2 5 航位推算 d r ( d e a d r e c k o n i n g ) 系统，即航位推算系统。航位推算的方法是一 种自主式的定位方法，能够在短时间内实现连续的寓精度定位，在这个定 位方法中，利用航向和距离传感器测量位移矢量，从而推算出车辆相对与 起始位置的坐标岬1 ，【| 4 | 【”1 。车辆在t 时刻的坐标为： j = x o 十【v ( t ) c o s 8 ( t ) d t ( 2 - 1 ) y = y o 十【v ( t ) s i n o ( t ) d t ( 2 - 2 ) 其中，v ( t ) 表示系统在t 时刻的速度；c o s 0 ( t ) ，s i n 0 ( t ) 】分别表示系统在t 时刻的速度和运动方向与x 坐标轴的正向所成的夹角。 对于离散系统，将( 2 1 ) 、( 2 - 2 ) 进行离散化，得到如下航位推算公式： k l x ( k ) = x o + s ( i ) c o s o ( i ) ( 2 3 ) 忙n 一j y ( k ) = y o + s ( i ) s i n o ( i ) ( 2 4 ) 其中的s ( i ) 表示第i 到第i + 1 个采样点之间系统的位移，日( f ) 表示在第i 个采样点时系统的运动方向与x 轴正方向的夹角。 通过上面的公式( 2 3 ) 、( 2 - 4 ) 可以看出，只要知道了系统在每一个采样 点的运动方向和在两个采样点之怄j 走过的位移，就可以推算出系统目前所 处的位置。但是，如果推算中的某一步存在误差，那么这个误差将累计下 去，并且随着时间的推移这个误差被逐渐的放大，最终会导致系统的错误。 所以航位推算中如果存在误差，将使系统只是在短时间内保持高精度1 。 航倪推算的原理图如图2 2 所示： 蚺一：章轮式物料搬运机器人系统 2 6 小结 图2 - 2 航位推算原理图 本章主要研究成果如下： 1 对轮式物料搬运机器人进行了功能分析。明确了样机研制过程中的技 术指标。 2 ，耳j 功能分解的方法研究了轮式物料搬运机器人的系统组成。列举出了 各功能模块的实现方法，并在进行分析比较后选取了实现方案。 3 明确了物料搬运机器人研制过程中控制方面的关键问题，主要涉及四 个方面：智能系统体系结构、运动控制、跟踪控制、导航和定位，最 后专门分析了航位推算方法。 3 1 引言 第三章结构设计 机构设计是机器人设计的基础，设计可靠性高、功能完善、承载能力 大、具有良好扩展性的运动机构是进一步进行轮式物料搬运机器人系统研 究的前提和基础。 本章将重点阐述移动载体及其负载机械臂的机构设计与运动分析，为 控制器的研制做好准备。 图3 - l 轮式物料搬运机器人效果图 参考文献 6 】中，c a m p i o n 根据机器人的移动自由度瓯和控制自由度 艿。将移动机器人分为五种类型： 表3 - 1 轮式移动机器人分类 移动自由度瓯 32211 控制自由度正 001l2 每以类以( 民，瓯) 表示，这里，为系统的速度向量张成的空间的维 数，正表示系统可以独立改变方向的车轮的个数，并且满足条件： l 瓯3 ，o 正2 ，2 瓯+ 坑3( 3 - 1 ) 其中，( 3 ，o ) 对应于全方位( o m n i d h c t i o i l a 】) 轮式移动机器人，( 2 ，o ) 第三章站构设计 对应于两轮驱动移动机器人，它是目前最普遍的研究对象，本文的研究工 作都是以( 2 ，0 ) 结构的移动载体为研究对象的。 3 2 移动载体 3 2 1 方案设计 3 2 1 1 车底架 如图3 2 所示，移动载体分别采用固定方向轮作为驱动轮，偏心转向 轮作为支撑轮。移动载体的转动中心在其单轴对称结构的对称轴与两驱动 轮中轴连线的交点上。 采用这一轮系的优点在于： ( 1 ) 同一时刻可以保证两个驱动轮和至少一个支撑轮着地，不会出现驱动 轮悬空的现象。 ( 2 ) 同一时刻至少3 个起支撑作用的轮子着地，从而稳定支撑物料搬运机 器人，使其保持直立状态。 ( 3 ) 采用驱动轮前置的，避免了驱动轮起始误差和自锁。 ( 4 ) 转动中心在两驱动轮中心线与对称轴交点上，使得里程数据的处理方 便简洁。 ( 5 ) 可以原地换向，实现转弯半径为o ，降低对工作空间的要求。 ( 6 ) 只有两个驱动轮需要实施独立控制，控制量比采用全方位轮系少。 图3 - 2 车底架示意图 北京交通大学硕上学位论文轮式物料搬运机器人系统开发研究 3 2 1 2 链传动 为了保证机器人抓取模拟物料后不至于倾覆，故在机器人布局设计过 程中将驱动电机、驱动器及其他控制设备安装在车体尾部，起到重心后置 的作用。 因为驱动电机装在车底架尾部电机轴与驱动轮轴距离较远，所以要 采用适用于远距离传动的方案，带传动和链传动可以满足要求。 链传动是属于带有中间挠性件的啮合传动。与属于摩擦传动的带传动 相比，链传动无弹性滑动和打滑现象，因而能确保准确的平均传动比，传 动效率较高；又因链条不需要像带那样张得很紧，所以作用于轴上得径向 压力较小：在同样使用条件下，链传动结构较为紧凑。同时链传动能在高 温及速度较低的情况下工作”。 可见，链传动更加适合在轮式物料搬运机器人中采用。 链传动的主要缺点是：在两根平行轴问只能用于同向回转的传动；运 转时不能保持恒定的瞬时传动比；磨损后易发生跳齿：工作时有噪声：不 宣在荷载变化很大和急速反向的传动中应用。 3 2 2 结构设计 本小节设计的公式、参数及其图表均可在参考文献【1 7 、 中查到，由于篇幅所限在此不再声明出处。 驱动轮设计 设计原则：要求机器人行走快速准确，机体具有一定的强度和刚度 尽量减轻重量，满足相关技术指标。 采用铝合金作为驱动轮的材料，其结构设计成腹板式结构。 目3 - 3 驱动轮 蚓3 - 4 驱动轴 第一= 章结构设计 驱动轮直径：d = 1 2 0 r a m驱动轮内径：d 。= 1 2 r a m 为了改善驱动轮与地面的摩擦性能，增大两者之间的摩擦系数，在驱 动轮的轮缘上粘合橡胶材料。 驰动轴和连轴器 取d 。= l o m m ，经校核满足设计要求。 连轴器选用弹性套柱销联轴器j 下通公司的s t l 4 1 0 型联轴器。 支撵轮 选用偏心转向轮。 底盘框架 图3 - 5 偏心转向轮 表3 - 2 偏心转向轮技术参数 负载5 0 您 轮径 5 0 ，h ，h 总高 6 2 m m 偏心距2 5 m m 图3 - 6 底盘框架 其中纵向外廓l i = 5 0 0 m m ，横向外廓l 2 = 6 0 0 m m ，偏心转向轮安装 距离l 3 = 5 0 0 t r i m ，框架内侧距离l 4 = 5 6 0 掰用。 链传动的设计( 以下全为滚子链传动) 已知条件： 1 传递功率j d = 1 5 0 w ： 2 = 1 三动链轮转速托= 从动链轮转速n ，= 1 0 0 r p 州： 3 要求中心距离约为两链轮分度圆直径之和的2 5 倍，可调； 4 中，t l , 距为a = 4 3 5 m m ； 5 两班制工作。 选取主动轮齿数( 圆整) ：。= 1 9 ，从动轮齿数z ：= z 1 。 计算链长( 圆整) l 。= 1 2 8 节。 1 8 北京交通人学坝_ 上学位论文轮式蚴科搬运机器人系统开发研究 计算节距( 圆整) p o = 8 r a m 。 根据圪和n 。查单排滚子链的额定马力表，选取牌号n o 8 0 1 i n 节距的 滚子链，见图3 7 。 利用式进行强度校核： s 。= 等列 ( 3 _ 2 ) 式中： s 。链的抗拉静力强度的计算安全系数； 鼻，。单排链的极限拉伸荷载，单位为k n ； ”链的排数； k 。工作情况系数； f 链的紧边工作拉力，单位为k n 。 带入数值可得：屯 4 ，故安全。 图3 7 链传动设计 阔3 - 8 测速轮机构设计 测速轮机构 测速轮机构上装有测量机器人行进路程的编码器，当测速轮相对地面 发生转动时，与之同轴的编码器转动轴也发生同步转动，从而采集转角信 息。这种信息经控制系统加工后转化为路程信息，进而转化为机器人定位 信息。 设计测速轮机构的时候要注意以下事项：首先，测速轮要始终接触地 面，随车体的运动而旋转，但不能与地面发生打滑韵现象：其次，测速轮 工作时，转动半径不能发生变化；再次，测速轮轴的轴线应该与驱动轴轴 线在同一个竖直平面内，这样利于对坐标进行测量、计算，也利于对驱动 轮实行即时控制调整；最后，测速轮要遵从重量轻、惯性小的原则。 第三带结构设计 设计测速轮直径d = 5 0 r a m ，机构设计见图3 - 8 。 3 2 ，3 移动载体运动学分析 本小节及下一小节将对轮式物料搬运机器人移动载体进行运动学及 动力学分析，为了研究方便且不失一般性，作如下假定： 机器人是在平面上运动； 移动载体关于其纵向轴线对称； 机器人本体、所有车轮和系统运行表面均为刚体； 车轮与运行表面始终保持点接触，接触点与车轮中心的连线始终垂直 于运行表面； 车轮在运行平面做纯滚动运动： 车轮是无滑动的。 3 , 2 3 1 移动载体的构型 y 圈3 - 9 ( 2 ，o ) 型移动载体示意图 上图所示的典型的两轮驱动移动载体是由具有两个同轴的驱动前轮 和两个作为支撑轮的偏心转向轮组成的。轮式物料搬运机器人采用两个偏 心转向轮作为支撑轮是为了保证机器人车体可以顺利跨过起点物料摆放 台，因其只是可以沿任意方向移动而不对移动载体产生任何阻力和约束作 用，不具有输入自由度，故理想条件下其运动特性可以等同于纵向轴线上 2 0 ! ! 室塞望查堂坚主兰垡笙墨 丝些丝垫燮垩塑堂叁墨篓茎! 燮 。个相同的偏心转向轮，故运动分析过程中将两个舵轮简化为一个等效的 偏心转向轮。 用三维状态向量q 表示小车在惯性坐标系 0 ，x ，y ) 中的位姿a g = 工。，y 。，卯 ( 3 - 3 ) 这里，( t ，儿) 表示小车的参考点c ( 也即小车的重心，这里以其作为参考 点) 在惯性坐标系中的位置，0 表示坐标系 q ，x 。，y t 幂d 惯性坐标系之间的 央角。 设移动载体主动轮半径为r ，偏心转向轮半径为r ，偏心距离为e ，d 表示点c 到点q 的距离。 3 2 3 2 移动载体运动学分析 具有n 维系统状态的非完整移动机器人模型一般可以出具有非完整 约束的广义力学模型来描述2 0 l i l 2 i 】： m ( q ) q + ( 碍，尊) 日十f ( 磅) + g ( 碍) + f j = b ( q ) r a7 ( q ) 丑 ( 3 _ 4 ) 彳( g ) 寸= 0 ( 3 - 5 ) 其中肘( q ) 彤”为系统惯性矩阵，k ( 譬，! ) r “”为与位置和速度有关的 向心力和哥氏加速度，f ( q ) r “分别为与速度和位置有关的动静摩擦项 和重力项，占( g ) r ”为输入系数矩阵，f r 为控制输入向量， 爿( q ) r ”和五分别为约束矩阵和约束反力，z d 为未知有界扰动项，式 ( 3 5 ) 为非完整的m 维运动约束。 选择一满秩矩阵 s ( q ) = h ( g ) ，s n - m ( g ) 】 ( 3 - 6 ) 为a ( q ) 零空间的一组基，即有 彳( g ) s ( g ) = 0( 3 - 7 ) 则存在v = ”l - ，。1 表示新的速度控制输入向量，使得非完整约束式( 3 5 ) 可以写成 寸= s ( q ) v( 3 - 8 ) 对于图3 - 9 所示的移动载体，其非完整约束体现为机器人只能沿着驱 第= 章结构设计 动轮轴线的法线方向运动，即车轮与地丽之间为纯滚动、无滑动。如果以 图上c 点作为参考点，系统受到约束 夕。c o s 0 一曼，s i n 0 一d o = 0 ( 3 - 9 ) 浚约束是非完整的，参考文献 2 2 】用反证法证明了这一点。 4 ( g ) = ( 一s i n o c o s o 一矗)( 3 1 0 ) s ( 譬) = k e r ( a ( 口) ) = s i n 目d c o s o ( 3 - 1 1 ) l 01 j u ：f ”1 = ( 3 - 1 2 ) 可得到移动载体的运动学模型 刚：秘- d 7 s i s n 嘴o 、 p 其中v ，和v ，分别为移动载体的线速度和角速度【2 “。 结论：式( 3 1 3 ) 说明了轮式物料搬运机器人的移动载体是可以通过两 个驱动电机进行运动控制，并且可以输入平面内沿x 、y 轴方向，以及绕 空f 日jz 轴方向3 个机械自由度。 参考文献 2 6 】、 2 7 1 、 2 8 】采用坐标变换的思想，将同心转向车轮等效 为一个平面运动副和一个转动副，通过瞬时重合坐标系，将车轮的运动表 示为与其位置无关的量，利用坐标变换为基本工具，以轮式移动机器人的 固定参考点表示每个车轮的运动速度，联立所有车轮的速度方程求得整个 机器人的运动速度与车轮运动的关系。对于某一具体形式的机器人，首先 通过坐标变换方法计算各车轮的雅可比矩阵，然后构造该机器人的运动学 方程、反向运动学方程、驱动运动学方程阻及反向驱动运动学方程，最后 根据所构建运