一种具有物流搬运功能的六轮全地形机器车设计＊

安启航，张 雷，高文俊，马 跃，李卫国

（1.太原理工大学工程训练中心，山西 太原 030024；2.太原理工大学机械与运载工程学院，山西 太原 030024）

物流搬运机器人作为人类社会中完成搬运任务的利器，承载着定位、导航、移动、避障等多项功能，并于20 世纪50 年代就已出现，半个多世纪以来在工业生产、仓储物流等领域发挥了举足轻重的作用[1]。然而在实际应用过程中，大多数的物流搬运机器车的工作环境均为工厂车间中的平整地面，许多机器人依赖于环境中的光电磁信号引导，这对大型和重型的搬运设备尤其重要；但对小型搬运车而言，这种控制方式会制约其灵活性，特别是一些针对野外勘探等非平整地面工作环境、开放式环境等情况而设计的设备，依靠现场信号引导几乎是无法实现的，因此物流搬运要想被应用到更加广阔的领域，在复杂地形环境下可靠地发挥作用，必须与全地形机器人相结合。

全地形移动底盘的结构主要有轮式越野底盘、履带式底盘和轮履复合式底盘[2]等，而在轮式月球车移动底盘这一方面又在轮系、悬架、车体上衍生出了多种车体结构[3]。在这类车体的控制方面，虽然近年来视觉导航、Slam 技术取得了较大的发展，但在控制鲁棒性、算力要求及在移动机器人的适配上，仍面临诸多问题，尚待进一步研究[4]。基于此，针对具有多功能的全地形机器人底盘研究其遥控控制仍然是重要的技术手段。本文基于探索者平台，借助三维建模软件SolidWorks和多体动力学仿真软件ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）设计了一种摇杆悬吊式悬架的六轮式全地形机器车，并以支持Arduino 语言的Basra 单片机和NRF 无线模块为主要控制器，设计了一套手柄控制的遥控系统，可通过2 个PAD 摇杆和2 个按键，简单灵活地实现对装载有舵机级联机械手臂的六轮式月球车的运动控制。

1 六轮式机器车的结构设计

本项研究所设计的遥控机器人的预期任务如下：能够顺利稳定地在无线信号控制下爬上有一定斜度（30°左右）的窄桥，夹取工件并走下窄桥；能够顺利进入有一定高度限制（约300 mm）的方形管道，在管道内夹取工件并将工件带出；能够进入塑胶草地夹取工件并通过障碍；能够夹取台阶（每级高约50 mm）上的工件并翻越台阶。因此，所述机器人必须具备全地形的攀爬能力，轮子与地面之间的摩擦力需要适当增大。所以本研究设计了一种摇杆悬吊式悬架的六轮式机器车，采用橡胶作为轮胎的材质。为了保证车辆在抓取工件时具有较为灵活的抓取动作，经研究决定采用3 个舵机级联形式的机械臂。经装配，其三维模型及实物图如图1 和图2 所示。

图1 全地形机器车在SolidWorks 软件中的三维模型图

图2 全地形机器车的实物样机图

在全地形机器车的越障能力方面，本文使用ADAMS 软件进行了动力学建模。ADAMS 软件是由美国机械动力公司开发的优秀机械系统动态仿真软件，广泛应用于航空航天、汽车工程、工业机械等领域。该软件允许用户方便地对虚拟样机进行静力学、运动学和动力学的分析，并具备开放性的程序结构和多种接口，可以与三维机械建模软件、CAE（Compnter Aided Engineering）软件、数据分析处理软件以计算机图形交换格式文件或其他文件进行并行设计与联合仿真，还可通过参数化模型对虚拟样机进行试验优化设计[5]。在实物试验中，本样机所采用的电机均为永磁式单叠绕组的小功率电机，自带一个减速器；在ADAMS 的试验优化设计中，出于简化结构提高运算速度的考虑，机器车的上层结构被化简为一个质点，仅保留了车辆的主要悬架结构和各车轮的几何特征，其动力学仿真简化模型如图3 所示。

图3 全地形机器车的动力学简化模型

试验优化主要对车轮的3 个直径展开研究，设定障碍为斜坡和台阶的组合障碍，由机器车依次通过。涉及到的设计参数主要有前置、中置、后置橡胶轮的3个直径，实物试验中车轮的直径被进行了多次的试验和调整，最终将其在简化模型中的迭代初始值依次取为95 mm、45 mm、65 mm。考虑到在试验的摩擦系数设定下，车轮直径变小可能导致车辆整体在翻越台阶障碍时出现卡住的情况，且在多次试验中发现减小的车轮直径并不能提高车辆的越障速度，故设定其绝对增量范围区间为[0 mm，15 mm]，试验优化所采用的优化算法为序列二次规划优化算法（OPTDES-SQP），车辆速度的迭代优化曲线如图4 所示。

图4 车辆速度的迭代优化曲线

试验结果表明，增大车轮的直径对提高越障速度有非常显著的作用。在迭代过程中，除前置大轮外，中置轮和后置轮均在3 次迭代过后就达到了设定的最大增量，越障速度整体提升了17.5%。

随后该模型被放入ADAMS/Insight 软件中采用Interactions 数学模型进行参数解析分析，得到如表1所示的结果。

表1 （续）

表1 ADAMS/Insight 中的参数拟合结果

表1 中的数据表明，参数拟合模型的结果十分良好，此数学模型能够较为真实地反映3 个车轮直径对越障时间影响的解析关系；并且该结果也表明，增大车轮直径确实能够提高机器车的越障性能。

2 六轮式机器车的控制系统设计

在机器车的控制上，试验使用的方法是使用Birdman 手柄进行远程遥控，并在Bigfish 扩展板上堆叠NRF24L01 无线模块用于串口数据发送，采用1 个上位机+1 个下位机的联合控制方法，其中手柄作为上位机，核心控制板Basra 及其扩展板Bigfish 作为下位机，所使用的控制器实物图如图5 和图6 所示。

图5 无线串口模块NRF24L01 与Birdman 手柄

图6 核心控制板Basra 及其扩展板Bigfish

上位机的任务是将Birdman 手柄上来自2 个PAD摇杆的电位器取样数据源源不断地发送到下位机中，告知下位机该执行什么样的指令；下位机应能够对上位机发送的指令流进行分割和提取，过滤掉不需要响应的数据，提取出指令单元，提取完成后要迅速做出响应。2 个摇杆各具有水平和竖直共计4 个电位器，每取样一次都将向串口发送一组最小指令单元，它由4个0～255 的数值组成，并以固定字母（如K）作为数据头以便下位机进行指令流分割；当控制器上的按键被按下并触发中断时，最小指令单元可能在随机位置被加入特殊字母（如A），当下位机检测到这些字母时应自动触发中断，执行中断动作（具体为舵机机械臂动作状态和机械手爪动作状态的循环切换），执行完毕后继续接收新的数据，重复指令流分割和指令执行的过程。

下位机在执行指令的过程中，其主要控制目标是舵机机组和直流电机机组。为了能够对各机组都进行方便快捷的模块化控制，应在下位机建立指令系统，它应分为2 层：①底层指令系统应当包括单个舵机以指定速度旋转的基本运动函数、整个机械臂（舵机机组）的宏观动作函数、机械手爪的夹紧控制函数等，还应包括对直流电机的 PWM （ Pulse Width Modulation）转速调节函数、车辆整体的动作函数（包括前进、后退、刹车、转向、前进中左右转、后退中左右转、原地左右转）等函数；②顶层指令系统应当面向串口数据流进行编写，使其能够直接接收经过分割与解析的上位机最小单元指令，并依指令调用底层指令系统的各项函数，以实现对整机的控制。上位机与下位机的部分程序流程图如图7—图9 所示。

图7 上位机主函数主要程序结构图

图8 下位机中直流减速电机的顶层指令系统

图9 下位机中舵机的顶层指令系统

3 结束语

六轮式全地形机器车的应用非常广泛，它具有在多地形环境下执行复杂任务及机器人集群工作的潜力。本文将物流搬运理念与全地形机器车相结合，使用SolidWorks 软件进行了被动适应型摇杆悬吊式悬架的结构设计，基于探索者硬件平台搭建了实物样机，进行了大量的实物试验，最后将它抽象成多体动力学模型，使用Adams 软件结合实践经验对橡胶轮直径大小进行了解析分析，得到了描述橡胶轮直径大小对越障时间影响的数学模型。随后本文对机器人控制系统进行了设计，提出了上位机最小指令单元和下位机双层指令系统的概念。实践表明，将该控制方法与经过优化设计的被动型悬架结构相结合，能够简单高效地满足实际的越障需求和工件抓取搬运的需求。