合肥工業(yè)大學(xué)校級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目研究總結(jié)報(bào)告

1、.四輪驅(qū)動全向移動機(jī)器人的設(shè)計(jì)項(xiàng)目研究總結(jié)報(bào)告摘要：我們設(shè)計(jì)的四輪驅(qū)動機(jī)器人的系統(tǒng)主要由Mecanum全向輪、避震機(jī)構(gòu)、伺服驅(qū)動模塊和上位機(jī)等組成，整個系統(tǒng)采用鋰電池供電。機(jī)器人采用四輪驅(qū)動方式，全向輪是整個設(shè)計(jì)的核心部分，是實(shí)現(xiàn)全向運(yùn)動的前提?？刂葡到y(tǒng)主要由PLC控制直流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)是PC機(jī)，通過操作PC機(jī)上的軟件，傳遞信息至PLC，PLC控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)動。上位機(jī)并將機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)等信息顯示出來。關(guān)鍵詞：四輪驅(qū)動；Mecanum輪；全向移動；機(jī)器人一、 項(xiàng)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(zhǔn)備及方案初定（2014.6至2014.8）準(zhǔn)備

2、和查閱相關(guān)資料和文獻(xiàn)，確立明確的思路，制定明確合理的實(shí)驗(yàn)規(guī)劃。合理調(diào)整好組內(nèi)部的分工,認(rèn)真討論項(xiàng)目的實(shí)際執(zhí)行方案和征求指導(dǎo)老師意見，對項(xiàng)目的具體事宜進(jìn)行必要的分析。主要完成的工作是組員楊焱麟和朱同雄學(xué)習(xí)了CATIA三維繪圖，組員王力學(xué)習(xí)了VC+上位機(jī)編程，組員李劍學(xué)習(xí)了西門子S7-1200PLC和51單片機(jī)的編程及應(yīng)用。小組并和老師討論了初步的方案。 第二階段：機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)組裝和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（2014.9至2015.3）對所用電機(jī)功率和電池容量等進(jìn)行必要計(jì)算，并據(jù)此購買型材、電機(jī)、減速器、鋰電池等，進(jìn)行機(jī)加工和組裝，基本搭建出機(jī)器人的底盤平臺。根據(jù)方案要求設(shè)計(jì)機(jī)器人的控制系統(tǒng)和上位機(jī)界面。

3、第三階段：準(zhǔn)備答辯驗(yàn)收（2015.4至2015.5）認(rèn)真總結(jié)在本次項(xiàng)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(bào)告、參加結(jié)題答辯等。二、 項(xiàng)目所取得的成果1. 四輪驅(qū)動移動機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1) 輪系設(shè)計(jì)本課題采用的全向輪為Mecanum輪，可以實(shí)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(jī)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(jī)輪轉(zhuǎn)向力轉(zhuǎn)化到一個機(jī)輪法向力上面。依靠各自機(jī)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(jī)輪自身的方向。在它的輪緣上斜

4、向分布著許多小棍子，故輪子可以橫向滑移。小滾子的母線很特殊，當(dāng)輪子繞著固定的輪心軸轉(zhuǎn)動時，各個小滾子的包絡(luò)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(yùn)動靈活，是很成功的一種全方位輪。有4個這種新型輪子進(jìn)行組合，可以更靈活方便的實(shí)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(jī)實(shí)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(shí)現(xiàn)全向移動。例如當(dāng)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(jī)器人就可以直接橫向往右移動。 2) 底盤、減震系統(tǒng)設(shè)計(jì)由于機(jī)器人采用四輪驅(qū)動系統(tǒng)，想要機(jī)器人運(yùn)動，必須引入減震系統(tǒng)，來解決機(jī)器人四輪著地的問題。常見的減震系統(tǒng)是汽車

5、的懸掛系統(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(shè)計(jì)的小噸位承載機(jī)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(jī)器人的底盤結(jié)構(gòu)，這樣在機(jī)器人運(yùn)動過程中，會保證四輪同時著地。2. 機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1) 運(yùn)動控制系統(tǒng)概述運(yùn)動控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能是直流伺服電機(jī)閉環(huán)調(diào)速和上位機(jī)和下位機(jī)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(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制，通過以太網(wǎng)和無線路由器實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)的通信，實(shí)時處理上位機(jī)發(fā)送的運(yùn)動控制信息，讓機(jī)器人按照預(yù)定的要求進(jìn)行

6、運(yùn)動。直流伺服電機(jī)憑借著其良好的調(diào)速特性，在機(jī)器人的控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，同時伴隨著各種新型直流伺服電機(jī)的出現(xiàn)，應(yīng)用比例也逐漸增加。2) 直流伺服電機(jī)控制模塊為了提高電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性，實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，單獨(dú)的電機(jī)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(jìn)PID控制算法，利用DA模塊輸出模擬電壓對電機(jī)的速度的進(jìn)行控制，能起到很好的效果。控制系統(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(jī)的轉(zhuǎn)速，由光電編碼器檢測出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，將實(shí)際值和理論值進(jìn)行比較，經(jīng)過數(shù)字PID運(yùn)算后，更新輸出到各個電機(jī)的模擬電壓值，以達(dá)到對電機(jī)的實(shí)時控制。直流伺服電機(jī)伺服控制器PLC上位機(jī)光

7、電編碼器 3) 上位機(jī)上位機(jī)是采用VC+6.0軟件編程來實(shí)現(xiàn)的。上位機(jī)主要是采集直流伺服電機(jī)編碼器數(shù)據(jù)，進(jìn)行運(yùn)動學(xué)方面的計(jì)算，得出機(jī)器人的實(shí)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(jī)與PLC是通過串口通訊，PLC先采集光電編碼器的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，通過串口發(fā)給上位機(jī)，在上位機(jī)軟件中有相應(yīng)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(yùn)動分析設(shè)計(jì)出來的處理函數(shù)來進(jìn)行的。在本項(xiàng)目中，我們經(jīng)過處理后得到的是機(jī)器人實(shí)際運(yùn)動方向與正前方的夾角 ，通過 參數(shù)可以將機(jī)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、成三維的圖形。軟件除了可以檢測并且顯示機(jī)器人實(shí)時的位姿，還可以通過窗口上的按鈕來實(shí)現(xiàn)用電腦手動控制機(jī)器人的運(yùn)動。在這個上位機(jī)平臺的基礎(chǔ)上我們還可以添加一些接口程序來實(shí)現(xiàn)游戲手柄的控制或者飛行搖桿的控制，因?yàn)闀r間有限我們暫時沒有加上。三、 項(xiàng)目中的不足1. 未能解決移動機(jī)器人在進(jìn)行轉(zhuǎn)彎時四輪差速的算法問題移動機(jī)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(shí)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(jī)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(jī)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(dǎo)致我們

9、可供參考的資料較少，未能完成這一算法的研究。2. 沒有設(shè)計(jì)出遙控手柄等無線方式操縱移動機(jī)器人的方法很多移動機(jī)器人均可以采用無線手柄進(jìn)行遠(yuǎn)程的空竹，因我們的上位機(jī)采用筆記本電腦開發(fā)，電腦控制移動機(jī)器人就必須使用網(wǎng)線將電腦與PLC連接起來，操作移動機(jī)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(jìn)行遠(yuǎn)程的控制。四、 總結(jié)和收獲 在這次做項(xiàng)目中，我們真的受益匪淺。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，并不是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，老師一步步教我們?nèi)プ觯亲鲆粋€我們從未接觸過的東西。我們學(xué)習(xí)知識，獨(dú)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(xí)實(shí)際的有目的的假設(shè)，我們做