合肥工業(yè)大學校級大學生創(chuàng)新訓練計劃項目研究總結(jié)報告

1、四輪驅(qū)動全向移動機器人的設計項目研究總結(jié)報告摘要：我們設計的四輪驅(qū)動機器人的系統(tǒng)主要由Mecanum全向輪、避震機構(gòu)、伺服驅(qū)動模塊和上位機等組成，整個系統(tǒng)采用鋰電池供電。機器人采用四輪驅(qū)動方式，全向輪是整個設計的核心部分，是實現(xiàn)全向運動的前提?？刂葡到y(tǒng)主要由PLC控制直流伺服電機實現(xiàn)，上位機是PC機，通過操作PC機上的軟件，傳遞信息至PLC，PLC控制機器人實現(xiàn)相應的運動。上位機并將機器人的運動狀態(tài)等信息顯示出來。關鍵詞：四輪驅(qū)動；Mecanum輪；全向移動；機器人一、 項目執(zhí)行情況我們的研究工作大致分為三個階段。這三個階段是： 第一階段：初期準備及方案初定（2014.6至2014.8）準備和

2、查閱相關資料和文獻，確立明確的思路，制定明確合理的實驗規(guī)劃。合理調(diào)整好組內(nèi)部的分工,認真討論項目的實際執(zhí)行方案和征求指導老師意見，對項目的具體事宜進行必要的分析。主要完成的工作是組員楊焱麟和朱同雄學習了CATIA三維繪圖，組員王力學習了VC+上位機編程，組員李劍學習了西門子S7-1200PLC和51單片機的編程及應用。小組并和老師討論了初步的方案。 第二階段：機器人機械結(jié)構(gòu)組裝和控制系統(tǒng)設計（2014.9至2015.3）對所用電機功率和電池容量等進行必要計算，并據(jù)此購買型材、電機、減速器、鋰電池等，進行機加工和組裝，基本搭建出機器人的底盤平臺。根據(jù)方案要求設計機器人的控制系統(tǒng)和上位機界面。 第

3、三階段：準備答辯驗收（2015.4至2015.5）認真總結(jié)在本次項目中所取得的成果和收獲，并思考工作中所遇到的問題。填寫結(jié)題申請表、撰寫研究總結(jié)報告、參加結(jié)題答辯等。二、 項目所取得的成果1. 四輪驅(qū)動移動機器人機械結(jié)構(gòu)設計1) 輪系設計本課題采用的全向輪為Mecanum輪，可以實現(xiàn)全向移動，其全方位移動方式是基于一個有許多位于機輪周邊的輪軸的中心輪的原理上，這些成角度的周邊輪軸把一部分的機輪轉(zhuǎn)向力轉(zhuǎn)化到一個機輪法向力上面。依靠各自機輪的方向和速度，這些力的最終合成在任何要求的方向上產(chǎn)生一個合力矢量從而保證了這個平臺在最終的合力矢量的方向上能自由地移動，而不改變機輪自身的方向。在它的輪緣上斜向

4、分布著許多小棍子，故輪子可以橫向滑移。小滾子的母線很特殊，當輪子繞著固定的輪心軸轉(zhuǎn)動時，各個小滾子的包絡線為圓柱面，所以該輪能夠連續(xù)地向前滾動。麥克納姆輪結(jié)構(gòu)緊湊，運動靈活，是很成功的一種全方位輪。有4個這種新型輪子進行組合，可以更靈活方便的實現(xiàn)全方位移動功能。由于我們采用了四輪驅(qū)動，即可以控制四個電機實現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)動的方向和不同的速度，從而可以在狹小的空間實現(xiàn)全向移動。例如當左前輪正轉(zhuǎn)，右前輪反轉(zhuǎn)，左后輪反轉(zhuǎn)，右后輪正轉(zhuǎn)的時候，機器人就可以直接橫向往右移動。 2) 底盤、減震系統(tǒng)設計由于機器人采用四輪驅(qū)動系統(tǒng)，想要機器人運動，必須引入減震系統(tǒng)，來解決機器人四輪著地的問題。常見的減震系統(tǒng)是汽車的

5、懸掛系統(tǒng)減震，汽車懸架系統(tǒng)采用的減震器多是液力減震器。對于設計的小噸位承載機器人，如果引入汽車的懸掛系統(tǒng)，面臨成本太高和體積過大的問題，故不宜采取該方案。我們采用了一套簡易的懸掛系統(tǒng)，在每個輪子上面采用了兩個彈簧，在彈簧的上面再安裝機器人的底盤結(jié)構(gòu)，這樣在機器人運動過程中，會保證四輪同時著地。2. 機器人控制系統(tǒng)的設計1) 運動控制系統(tǒng)概述運動控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能是直流伺服電機閉環(huán)調(diào)速和上位機和下位機的通信?？刂破饕晕鏖T子公司的S7-1200 PLC為核心，對四路直流伺服電機進行閉環(huán)控制，通過以太網(wǎng)和無線路由器實現(xiàn)和上位機的通信，實時處理上位機發(fā)送的運動控制信息，讓機器人按照預定的要求進行運

6、動。直流伺服電機憑借著其良好的調(diào)速特性，在機器人的控制領域得到了廣泛的應用，同時伴隨著各種新型直流伺服電機的出現(xiàn)，應用比例也逐漸增加。2) 直流伺服電機控制模塊為了提高電機的運行穩(wěn)定性，實際設計過程中，單獨的電機開環(huán)系統(tǒng)是不能滿足要求的。課題采用了速度反饋閉環(huán)系統(tǒng)，加上先進PID控制算法，利用DA模塊輸出模擬電壓對電機的速度的進行控制，能起到很好的效果?？刂葡到y(tǒng)采用了速度閉環(huán)控制，PLC通過輸出模擬電壓來控制電機的轉(zhuǎn)速，由光電編碼器檢測出電機的實際轉(zhuǎn)速，將實際值和理論值進行比較，經(jīng)過數(shù)字PID運算后，更新輸出到各個電機的模擬電壓值，以達到對電機的實時控制。直流伺服電機伺服控制器PLC上位機光電

7、編碼器 3) 上位機上位機是采用VC+6.0軟件編程來實現(xiàn)的。上位機主要是采集直流伺服電機編碼器數(shù)據(jù)，進行運動學方面的計算，得出機器人的實時位姿。并且可以在軟件窗口上顯示出來，提高軟件的可視性。上位機與PLC是通過串口通訊，PLC先采集光電編碼器的直流電機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，通過串口發(fā)給上位機，在上位機軟件中有相應的接口程序接受傳送過來的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的處理是由根據(jù)運動分析設計出來的處理函數(shù)來進行的。在本項目中，我們經(jīng)過處理后得到的是機器人實際運動方向與正前方的夾角 ，通過 參數(shù)可以將機器人現(xiàn)在的位姿在軟件的主窗口中顯示出來。軟件窗口中小車的繪制是采用了OpenGL類庫，這是一種跨平臺的API?？梢杂脕砩?/p>

8、三維的圖形。軟件除了可以檢測并且顯示機器人實時的位姿，還可以通過窗口上的按鈕來實現(xiàn)用電腦手動控制機器人的運動。在這個上位機平臺的基礎上我們還可以添加一些接口程序來實現(xiàn)游戲手柄的控制或者飛行搖桿的控制，因為時間有限我們暫時沒有加上。三、 項目中的不足1. 未能解決移動機器人在進行轉(zhuǎn)彎時四輪差速的算法問題移動機器人在轉(zhuǎn)彎時，前后左右的輪子的轉(zhuǎn)速都是不一樣的，要實現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向，就必定存在算法問題。由于一般的汽車都由兩輪驅(qū)動，少部分汽車也是四輪驅(qū)動，但由于汽車的差速都由機械差速器來完成，所以這方面可供參考的資料比較少，而現(xiàn)在研究的大部分移動機器人都是采用兩輪驅(qū)動，四輪驅(qū)動的算法也是很少的，所以導致我們可

9、供參考的資料較少，未能完成這一算法的研究。2. 沒有設計出遙控手柄等無線方式操縱移動機器人的方法很多移動機器人均可以采用無線手柄進行遠程的空竹，因我們的上位機采用筆記本電腦開發(fā)，電腦控制移動機器人就必須使用網(wǎng)線將電腦與PLC連接起來，操作移動機器人時必須是在筆記本電腦上完成，因此無法使用無線的方式進行遠程的控制。四、 總結(jié)和收獲 在這次做項目中，我們真的受益匪淺。創(chuàng)新實驗，并不是大學物理實驗，老師一步步教我們?nèi)プ?，而是做一個我們從未接觸過的東西。我們學習知識，獨立思考，積極創(chuàng)新，使自己的作品更加完美。而創(chuàng)新意識的鍛煉對我們來說又是彌足珍貴的，創(chuàng)新，并不是隨意猜測，更不能偏離主題。他是一種理論練習實際的有目的的假設，我們