基于变形轮的多功能作业机器人控制系统设计

2022-03-26刘帅陈少南李兵

新型工业化 2022年1期

刘帅，陈少南，李兵

（中广核研究院有限公司，广东深圳 518000）

0 引言

目前，我国的破拆工程机械基本上采用人工操作方式，这不仅要求驾驶员具有较高的驾驶水平，而且作业的劳动强度较大。而智能化的多功能作业机器人由于其安全可靠、工作灵活、劳动生产率高，已经越来越被人所需求。多功能作业机器人的发展与控制系统密不可分，控制系统的优劣直接决定机器人工作性能的高低，因此设计一个智能化且稳定可靠的多功能作业机器人控制系统具有重要的现实与理论意义。

1 基于变形轮的多功能作业机器人控制系统设计总体设计

1.1 控制系统功能

控制系统需要具有以下功能：①智能化程度高：机器人应可以自主作业、自主导航，在人员不干预的情况下满足作业需求；②可靠性高：机器人控制系统可靠性要高，满足机器人恶劣环境下工作需求；③系统抗干扰能力强：由于机器人作业工况复杂且恶劣，需要机器人在强干扰工况下，也可以维持一定的作业及撤离功能。

1.2 控制系统组成

基于变形轮的多功能作业机器人控制系统主要由本地操作端、远端操作端、远端监控端及机器人本体控制端组成。

本地操作端可以实现人工手动操作机器人本体及机械臂运行，完成指定的作业需求。远端操作端可以通过远端监护端配合手动操作端完成作业，除此之外也可以通过发送自主作业的命令，使机器人自主导航、自主作业[1]。

1.3 控制系统的主要原理

基于变形轮的多功能作业机器人控制系统的核心组成部分为：机械臂运动轨迹规划、车体SLAM导航、变形轮形变及运动控制以及远端操作系统设计。

在机械臂运动轨迹规划方面，由于机器人机械臂采用二连杆的结构。我们采有解析法进行求解空间位置。二连杆对应的角位置分别为（φ0+φ）（Ψ0+Ψ），求出各杆杆长a、b、c、d与两连架杆转角之间的关系。

根据坐标系和各杆矢量方向，将各杆分别在X、Y轴上投影得：

将上式两式移项后分别平方相加，消去β，并整理得：

并带入式（3）得：

上式即为二连杆的位置方程，式中共有五个待定参数。根据空间位置及各个臂的长度即可求出机械臂之间的关节角度，并通过装在机械臂上的倾角传感器得到机械臂之间实际的关节角，通过构成闭环控制来自动控制机械臂的空间位置。

在SLAM导航方面，通过激光扫描仪、双目相机及毫米波雷达来获得外部环境信息，基于ROS操作系统来实现车体的自动导航控制[2]。

在变形轮形变及运动控制方面，通过液压比例控制及变形轮位置检测技术，来实现变形轮如图1所示的圆形及三角形的形变。

2 基于变形轮的多功能作业机器人控制系统硬件设计

车体液压控制采用RC控制器，RC系列控制器是德国力士乐公司开发的专用控制器。导航控制选用Nuvo-6108GC，其可靠性好并配有专用GPU可以满足导航控制需求。本地操作端，采用成熟的无线操作技术，并把机器人复杂的操作指令集成化，可以进行简单的操作。远端操作端，通过无线通信实现机器人的远端遥控操作[3]。

3 基于变形轮的多功能作业机器人控制系统主要模块设计

3.1 本地操作模块设计

本地操作模块，主要通过无线CAN的形式来进行设备的操作。通过手持操作终端对设备进行操作，操作终端功能设计。

实际设计使用功能图如图2所示。

通过此操作终端，可以实现机器人变形轮、机械臂及动作作业头的复合动作，并最终实现机器人的本地手动操作。

3.2 车体本地控制模块设计

（1）手动控制模块设计。整车手动控制分为上下车模块，上车模块CM1下车模块CM2，下车模块作为采集端子及通讯转发，上车模块进行液压逻辑控制、导航控制器数据交互及远程数据交互等功能。上下车控制器之间通过电滑环的方式进行数据的交互。

（2）机械臂轨迹规划设计。根据1.3内容，已经清楚机械臂轨迹规划的基本方法。本设计的算法实现是通过Labview中的c接口进行实现。机械臂运行的空间位置，通过车体上安装的激光扫描仪来获取机械臂的目标位置的坐标[4]。

（3）变形轮形变及运动控制设计。由于变形轮在圆形模式下可以高速运行，在三角模式下如果高速运行，会对机器人及轮子本体造成不可逆转的损伤，所以判断变形轮的形态及档位十分重要。现有变形轮鉴于空间及强度的限制，识别变形轮的形变及档位的方式，主要通过油路压力及位置开关。在变形轮的四驱行走控制方面，主要采用的控制方式为：通过液压同步使左侧两个变形轮与右侧两个变形轮分别速度相同，并分别通过装在四个轮子上的编码器读取变形轮速度。并得出左侧均速和右侧均速，通过差动控制的方式，来实现车体转向[5]。