合肥工业大学校级大学生创新训练计划项目研究总结报告

四轮驱动全向移动机器人的设计项目研究总结报告四轮驱动全向移动机器人的设计项目研究总结报告 摘要摘要 我们设计的四轮驱动机器人的系统主要由 Mecanum 全向轮 避震机构 伺服驱动模 块和上位机等组成 整个系统采用锂电池供电 机器人采用四轮驱动方式 全向轮是整个设计 的核心部分 是实现全向运动的前提 控制系统主要由 PLC 控制直流伺服电机实现 上位机是 PC 机 通过操作 PC 机上的软件 传递信息至 PLC PLC 控制机器人实现相应的运动 上位机并 将机器人的运动状态等信息显示出来 关键词关键词 四轮驱动 Mecanum 轮 全向移动 机器人 一 一 项目执行情况项目执行情况 我们的研究工作大致分为三个阶段 这三个阶段是 第一阶段 初期准备及方案初定 2014 6 至 2014 8 准备和查阅相关资料和文献 确立明确的思路 制定明确合理的实验规划 合理调整好组 内部的分工 认真讨论项目的实际执行方案和征求指导老师意见 对项目的具体事宜进行必要的 分析 主要完成的工作是组员杨焱麟和朱同雄学习了 CATIA 三维绘图 组员王力学习了 VC 上位 机编程 组员李剑学习了西门子 S7 1200PLC 和 51 单片机的编程及应用 小组并和老师讨论了 初步的方案 第二阶段 机器人机械结构组装和控制系统设计 2014 9 至 2015 3 对所用电机功率和电池容量等进行必要计算 并据此购买型材 电机 减速器 锂电池等 进行机加工和组装 基本搭建出机器人的底盘平台 根据方案要求设计机器人的控制系统和上 位机界面 第三阶段 准备答辩验收 2015 4 至 2015 5 认真总结在本次项目中所取得的成果和收获 并思考工作中所遇到的问题 填写结题申请 表 撰写研究总结报告 参加结题答辩等 二 二 项目所取得的成果项目所取得的成果 1 1 四轮驱动移动机器人机械结构设计四轮驱动移动机器人机械结构设计 1 1 轮系设计轮系设计 本课题采用的全向轮为 Mecanum 轮 可以实现全向移动 其全方位移动方式是基于一个有 许多位于机轮周边的轮轴的中心轮的原理上 这些成角度的周边轮轴把一部分的机轮转向力转 化到一个机轮法向力上面 依靠各自机轮的方向和速度 这些力的最终合成在任何要求的方向 上产生一个合力矢量从而保证了这个平台在最终的合力矢量的方向上能自由地移动 而不改变 机轮自身的方向 在它的轮缘上斜向分布着许多小棍子 故轮子可以横向滑移 小滚子的母线 很特殊 当轮子绕着固定的轮心轴转动时 各个小滚子的包络线为圆柱面 所以该轮能够连续 地向前滚动 麦克纳姆轮结构紧凑 运动灵活 是很成功的一种全方位轮 有 4 个这种新型轮 子进行组合 可以更灵活方便的实现全方位移动功能 由于我们采用了四轮驱动 即可以控制四个电机实现不同的转动的方向和不同的速度 从 而可以在狭小的空间实现全向移动 例如当左前轮正转 右前轮反转 左后轮反转 右后轮正 转的时候 机器人就可以直接横向往右移动 2 2 底盘 减震系统设计底盘 减震系统设计 由于机器人采用四轮驱动系统 想要机器人运动 必须引入减震系统 来解决机器人四轮 着地的问题 常见的减震系统是汽车的悬挂系统减震 汽车悬架系统采用的减震器多是液力减 震器 对于设计的小吨位承载机器人 如果引入汽车的悬挂系统 面临成本太高和体积过大的 问题 故不宜采取该方案 我们采用了一套简易的悬挂系统 在每个轮子上面采用了两个弹簧 在弹簧的上面再安装机器人的底盘结构 这样在机器人运动过程中 会保证四轮同时着地 2 2 机器人控制系统的设计机器人控制系统的设计 1 1 运动控制系统概述运动控制系统概述 运动控制系统主要实现的功能是直流伺服电机闭环调速和上位机和下位机的通信 控制器 以西门子公司的 S7 1200 PLC 为核心 对四路直流伺服电机进行闭环控制 通过以太网和无线 路由器实现和上位机的通信 实时处理上位机发送的运动控制信息 让机器人按照预定的要求 进行运动 直流伺服电机凭借着其良好的调速特性 在机器人的控制领域得到了广泛的应用 同时伴 随着各种新型直流伺服电机的出现 应用比例也逐渐增加 2 2 直流伺服电机控制模块直流伺服电机控制模块 为了提高电机的运行稳定性 实际设计过程中 单独的电机开环系统是不能满足要求的 课题采用了速度反馈闭环系统 加上先进 PID 控制算法 利用 DA 模块输出模拟电压对电机的速 度的进行控制 能起到很好的效果 控制系统采用了速度闭环控制 PLC 通过输出模拟电压来控制电机的转速 由光电编码器检 测出电机的实际转速 将实际值和理论值进行比较 经过数字 PID 运算后 更新输出到各个电 机的模拟电压值 以达到对电机的实时控制 3 3 上位机上位机 上位机是采用 VC 6 0 软件编程来实现的 上位机主要是采集直流伺服电机编码器数据 进行运动学方面的计算 得出机器人的实时位姿 并且可以在软件窗口上显示出来 提高软件 的可视性 上位机与 PLC 是通过串口通讯 PLC 先采集光电编码器的直流电机转速数据 通过串口发给 上位机 在上位机软件中有相应的接口程序接受传送过来的数据 数据的处理是由根据运动分 析设计出来的处理函数来进行的 在本项目中 我们经过处理后得到的是机器人实际运动方向 与正前方的夹角 通过 参数可以将机器人现在的位姿在软件的主窗口中显示出来 软件窗口中小车的绘制是采用了 OpenGL 类库 这是一种跨平台的 API 可以用来生成三维 的图形 软件除了可以检测并且显示机器人实时的位姿 还可以通过窗口上的按钮来实现用电脑手 动控制机器人的运动 在这个上位机平台的基础上我们还可以添加一些接口程序来实现游戏手 柄的控制或者飞行摇杆的控制 因为时间有限我们暂时没有加上 PLC伺服控制器直流伺服电机 光电编码器 上位机 三 三 项目中的不足项目中的不足 1 1 未能解决移动机器人在进行转弯时四轮差速的算法问题未能解决移动机器人在进行转弯时四轮差速的算法问题 移动机器人在转弯时 前后左右的轮子的转速都是不一样的 要实现差速转向 就必定存 在算法问题 由于一般的汽车都由两轮驱动 少部分汽车也是四轮驱动 但由于汽车的差速都 由机械差速器来完成 所以这方面可供参考的资料比较少 而现在研究的大部分移动机器人都 是采用两轮驱动 四轮驱动的算法也是很少的 所以导致我们可供参考的资料较少 未能完成 这一算法的研究 2 2 没有设计出遥控手柄等无线方式操纵移动机器人的方法没有设计出遥控手柄等无线方式操纵移动机器人的方法 很多移动机器人均可以采用无线手柄进行远程的空竹 因我们的上位机采用笔记本电脑开 发 电脑控制移动机器人就必须使用网线将电脑与 PLC 连接起来 操作移动机器人时必须是在 笔记本电脑上完成 因此无法使用无线的方式进行远程的控制 四 四 总结和收获总结和收获 在这次做项目中 我们真的受益匪浅 创新实验 并不是大学物理实验 老师一步步教我 们去做 而是做一个我们从未接触过的东西 我们学习知识 独立思考 积极创新 使自己的 作品更加完美 而创新意识的锻炼对我们来说又是弥足珍贵的 创新 并不是随意猜测 更不 能偏离主题 他是一种理论练习