Mecanum轮式移动机器人的机电一体化设计外文翻译资料

 2022-08-10 04:08

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Mecanum轮式移动机器人的机电一体化设计

1. 绪论

Mecanum车轮是1975年在瑞典设计的,使用其中的四个车轮可在不需要常规转向系统的情况下为车辆提供全向运动(Muir&Neumann,1990;Dickerson&Lapin,1991;Braunl,1999;美国海军,2002年;Lunze&Schmid,2002年)。车轮本体由一个轮毂组成,轮毂上带有许多围绕轮毂圆周成45°角的自由转动的辊子。辊子的形状使得轮的侧面轮廓呈现圆形。然而,车轮打滑是Mecanum车轮的通病,尤其在机器人侧向移动时,因为只有一个辊子与地面单点接触。这种严重的打滑妨碍了在Mecanum机器人上使用最普遍的航位推算法,即使用旋转轴编码器(Everett,1995年和Borenstein等,1996年)。为了解决该问题,视觉航位推算被用作滑动弹性传感器(Giachetti等,1998;Nagatani等,2000和Kraut,2002)。该技术还用于光学鼠标中,它利用车载摄像机连续捕获下方地面的图像,并使用机器人上的图像处理硬件来确定当前帧相对于前一帧移动的速度和方向,因此可以计算某参考点的速度和方向。但是,使用单个摄像头或光学鼠标进行视觉航位推算无法提供机器人导航和运动控制的所有三个自由度位置信息。固定线路跟踪是最简单可靠的解决方案,但也是十分有限,即沿着机器人要追踪的路径,在地面上标记条物理线(Everett,1995; Borenstein等,1996)。对于设置在固定位置完成预定任务的机器人,此方案有效,但对于具有全向功能的科研机器人,这个方法比较守旧,但是可行。

本文介绍了最近在新西兰梅西大学完成的一个研究项目。这项研究始于一个现有的全向平台,该平台由箱形的铝制底盘、四个汽车车窗升降器电机和四个Mecanum车轮组成(Phillips,2000年)。 该项目的目的是为平台提供可编程的运动控制,以适应指定的各种机器人行为。为实现路径跟踪行为,安装了两个光学鼠标进行位置反馈,用以实现闭环控制和导航航位推算,并与三菱M16C/62微控制器接口编程实现机器人行为,还提出了一种笛卡尔坐标的闭环控制方法,用于控制机器人的x、y运动和旋转运动。

由于这是一个集机械、电气和软件开发为一体的项目,因此采用了机电一体化设计原则。不同的领域是协同发展的,因此可以观察和管理学科之间的相互作用。这也意味着三个核心学科都需要发展到一定程度,然后才能进一步研究其中一个领域。尽管在实际上可以使用其他方法独立开发核心领域,但是协同方法往往更有效。即使采用了这种并行设计方法,也应在假定其他部分已经完成到一定水程度的情况下,在各章节中讨论发展领域,并在必要时进行参考。

2. 机器人底盘

机器人底盘的原始结构(Phillips,2000)包括一种“悬架”形式。底盘每个角上的电机和车轮总成安装在在一个轴上,使其与底盘之间围绕纵轴有一个自由度。 如图1(a)所示,没有设计用于限制或控制这种自由度的机构,一旦装配好,就留下一个自由运动的关节。之后,通过一条细管将两端的两侧组件连接起来,以试图限制并有效地防止关节的运动。并增加了一对弹簧,以试图进一步加强装置。

图1.原始平台及改进

对系统进行了一些考察,很快就发现绕自由轴的运动是完全被不希望的,因为它会使轮毂的侧面弄坏地面。这种形式的运动也会影响麦克纳姆轮的运动,因为产生的侧向力矢量将直接作用于“悬架”。当轮子旋转时,它将改变当前的接触面,从而改变系统的动力学。使用原型驱动器板对该平台进行的早期测试发现,此临时解决方案不合适,因为仅在短时间运行后便崩溃了。该机器人以前在室内水平地板上使用,例如铺有地毯的表面,因此无需考虑悬挂问题(Braunl,

1999年)。随后将电动机和车轮组件垂直焊接到底盘上,以提供可靠、牢固、低成本且快捷的解决方案。图1(b)显示了修改后的机箱。

其他硬件修改如下:将电子设备安装在底盘顶部的支座上; 安装了透明的聚碳酸酯盖,以封闭电子设备并提供额外的安装空间,但仍允许通过开口端触及电路和插头;将液晶显示器(LCD)拧紧到盖子的内表面,电源和程序开关置于盖子的侧面;并在机器人平台下方安装了18Abull;h密封铅酸电池。 测量了主要物理性能,并在表1中列出。

表1.机器人平台物理参数

车轮

底盘

整体

直径

150mm

463mm

543mm

宽度

75mm

260mm

460mm

质量

1.94kg

203mm

218mm

转动惯量

5.46times;10^-3kgmm2

质量

12.15kg

质量

19.91kg

辊子数量

9

转动惯量

0.223kgm2

电机扭矩

8.16N.m

3. 电机驱动

该机器人使用了四个旧的汽车车窗升降电机来驱动Mecanum车轮。驱动单元分别由一个12V直流电动机驱动,电机又与一个独立的蜗杆减速器相连,输出齿轮通过橡胶垫驱动器连接。减速器确保了电机为驱动机构驱提供充足的转矩。这些便宜电机的一个缺点是:大电流的需求要有大容量电池。为电机驱动器板制定的规范如下:

(1)该电路应与用于每个车轮速度控制的单个逻辑电平PWM输入信号和用于每个车轮电动机旋转方向的单个逻辑电平输入线兼容。

(2)电路应能够在高PWM载波频率(16 kHz或更高)下工作,以提供无声操作。

(3)该电路需要四个独立的H桥驱动器。

(4)每个H桥驱动器电路必须能够在12V DC下提供3A的连续电流。

电路设计的理想方法是使用有适当额定值的专用电机驱动器集成电路(IC),好处显而易见,紧凑、简单并且能直接连接微控制器接口。但对专用IC的可用性和价格进行的调查显示,这些选件过于昂贵,该项目所需的数量以及资金限制,直接购买不可取。为推动该项目的进一步发展,替代方案的构想是,在Vero板上构造一个原型四极MOSFET和继电器H桥驱动器电路,。每个H桥电路均由一个逻辑电平N通道45Amp功率MOSFET(PHB 45N03LT)和一个双极双掷(DPDT)继电器组成。并使用信号晶体管将继电器与逻辑电平信号连接起来。肖特基二极管跨接在电机输出两端,以捕捉由于电机线圈的感应特性而在MOSFET高速开关期间产生的瞬态电压尖峰。图2显示了单个H桥的示意图,并在原型板上构建了该电路的四个副本。

图2. 单原型H桥示意图

测试证明,该电路设计性能良好,在高达20 kHz的开关速度和电机满载的情况下,MOSFET并未超出其承载能力而过热。但是,需要关注的一个地方是,继电器作为机械部件容易磨损。在大电流的条件下高速(超过10Hz)切换,磨损会大大增加。尽管该项目中有所不同,因为继电器的状态仅在电动机通过零速和改变方向时才应切换。因此,在继电器开闭时不应有电流流过。对电路设计的更改是,加入充电插孔和分压器,以提供电池状态供项目后期使用。然后开发了电路的印刷电路板(PCB),是使用已有的设备制造的,这种做法在长时间内都是可取的。

4. 微控制器

为了使现有机器人具有一些智能功能,某种形式的车载处理器必不可少。微控制器结构紧凑,具有许多内置的硬件功能(例如计时器和UARTS),如定时器和uart,具有大量数字I/O线路,并且满足低功耗要求,因此非常适合应用在本项目中。该项目对微控制器基本要求是,能够产生四个独立的频率大于15 kHz的PWM信号,并且在这些高频下至少具有8位分辨率。其他一般要求是:能高速操作以确保可以实时处理环境数据,具有用于复杂算法的大型RAM和ROM,具有至少四个连接传感阵列的10位模数转换器(ADC)和30多个数字I / O线连接LCD显示器等外围设备。之所以使用三菱M16C / 62,是因为它在实验室中有现成的并且满足上述要求。

表2. M16C/62微控制器的引脚分配

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接头

针数

功能

1B/1C

VC

Mouse 1, 2 amp; LCD 5V DC

2A

97

Battery voltage signal

5A

88

LCD data - DB0 (pin 7)

6C

87

LCD data - DB0 (pin 8)

6B

86

LCD data - DB0 (pin 9)

6A

85

LCD data - DB0 (pin 10)

7C

84

LCD data - DB0 (pin 11)

7B

83

LCD data - DB0 (pin 12)

7A

82

LCD data - DB0 (pin 13)

8C

81

LCD data - DB0 (pin 14)

8B

80

LCD function – RS (pin 4)

8A

79

LCD function – R/W (pin 5)

9C

78

LCD function – E (pin 6)

9A

76

Mouse 1 PS/2 bus – clock

10C

75

Mouse 2 PS/2 bus – clock

10B

74

Mouse 1 PS/2 date – clock

10A

73

Mouse 2 PS/2 date – clock

25C

28

Motor driver signal – PWM_1

25B

27

Motor driver signal – DIR_1

25A

26

Motor driver signal – PWM_2

26C

25

Motor driver signal – DIR_2

26B

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