轮式机器人结构与控制设计

（） ， ） ｆ ＝ｖ（ 。因此 ，从上 述逆运 动公式 可 以得 出 ，采 用同步控 制方式 将能 ｆ
产生 使机 器人 产生 直线 运动 。 ３ 控制 系统 的设计 图 示为行 走 机构 的硬 件 系统 方框 图 采用 了 “ Ｓ Ｄ Ｐ＋ＡＲＭ 的双 核控制方 式。Ｄ Ｐ主要负责 触觉 、视 觉和 Ｓ 声音信号 处理 ，ＡＲＭ 主要 负责控制 执行器 和系统人机 交互 。ＤＳ Ｐ将运 算结 果通过 ＩＣ总线送 人 ＡＲ ，然后 Ｄ Ｐ继 续读取 。ＡＲ 从 Ｉ Ｃ总线上 接收 Ｉ Ｍ Ｓ Ｍ Ｉ 了视觉 等系统 传来 的运算 结果 后送 入 Ｓ ＤＲＡＭ 存储 ，按照结 果计 算出各 个 控制单元 的控制量送 人各个 终端执 行器执行 。ＡＲ 继续等待 Ｄ Ｐ传人 下一 Ｍ Ｓ 次 的计 算结果 。如果 ＡＲＭ 需要 调整 ＤＳ Ｐ中的设置 ，也通 过 ＩＣ总线向 Ｄ Ｐ Ｉ Ｓ 传送参 数设置 。两块 Ｆ ａｈ分别作 为 Ｄ Ｐ和 ＡＲＭ 的程 序存储器 ，上电复位 ｌｓ Ｓ 后 ，ＤＳ Ｐ和 ＡＲＭ 各 自从 Ｆ ａ ｈ中读入 启动程序 自举。 ｌｓ
因为机 器 人的 关节 需要 独 立运 动 ，因此 采 用 了两 个 步进 电机 驱动 器独 立控 制两个步 进 电机 。采用 Ｓ Ｃ ４ Ｏ ３ ４ Ｂ Ｘ的 ＧＰ Ｅ端 口和 ＧＰ Ｃ端 口进 行控制 。
科 技 博 览 ｌ １ ９ １
料 掌 论 坛
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图 ｌ 运动 模型 在图 １ 的运动模 型 中，在 机器人 与地面 的运动上 只考虑 了轮子 与地 面之 问的滚动 ，忽略 了滑动 。而在机器 人 自身 的运动上 只考虑 了轮子 在前进 方向 上的运动 ，忽略了轴 向上 的运动 。图 中（ ｗ ， Ｘ Ｙｗ， 为静 止坐标 系，Ｘ， Ｐ Ｏ） （ Ｙ， 为移动坐 标 系，ＰＸ为 机器人 前进 的方 向。轮式 移动机 器人 的正运 动学就 是 利用两 个差 动轮 的速 度来计 算 其位 姿 ，计算 公式 如下 ：
图 车轮 行 走机构
２ 运动学分 析 机 器 人直 线运 动分 析 由于机 器人 的 左右脚 轮 采用 了独 立控 制的 方式 ，即 使用 驱动 轮差 动 控 制 ，当两轮 的转速不 等机器人 将 曲线 行驶 ，保持速度 相等 ，机 器人就 能保持 直 线移动 。通过 对两 个步进 电机转 速控 制 ，就 可实 现机器 人 的前进 、后退 、 转弯 、原 地旋 转等 动作 。建立 机器 人 运动 模型 如图 。
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轮式机器人结构与控制设计
王桃芬 刘京城 （ 重庆 大学重庆 工程 职业技 术学院 重 庆 ４ ０ ３ ） ０ ０ ７
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【 摘 要】 采用 了 。 Ｐ＋ ＡＲＭ ”的双核 控制方 式。 ＤＳ ＤＳ Ｐ主 要 负责知觉 处理 ，ＡＲＭ 主要负 责控制 执行器 。通过 ＡＲＭ 控制 驱动器 ，从 而带动 步进 电动 机 。通过 控制 电机 的转 速和 方式 ，达 到不 同的 运动 效果 。 【 关键 词】 轮式 机器人 机械结 构 控 制系统 ［ 章编号】０ ９ ９ ４ （ ０ ９ ６ （ ）－ １ ９ ０ 文 １ ０ － １ Ｘ ２ ０ ）０ ｂ ０ － ２ １ 【 中图分类号］ Ｐ Ｔ ［ 文献标 识码 】 Ａ
得逆 运动 公式 如下 ：
（） ｆ ＝０ （） ｆ＝ （ｒｆ＋ｖ（ ） 。 【 （） ｆ ， ｆ Ｖ（ ） ） ｃ ｓ ｆ】 ＝Ｖ × ｆ ｄ
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（ ）ｉ ｆ】 ＝０ ｆｓ ） ） ｎ
从逆运动公式可以得出当ｖ（） （） ｚ ＝ ｆ 时，机器人做直线运动。但是， ｔ
值。
现 以安庆 长江 公路大 桥 北塔钢 箱梁 拼装 为例 来分 析主 粱中线 的控 制情 况 。数据为 两次中线通 测工况 间的数据 ，测量工况 为每一 片粱的位置 被调整 到 符合设计要 求以后 。中线监测点 的理论 横桥 向坐标为 ５ ０ ｍ，涓量 成果直 ００
接 以偏差 值给 出 ，正值 表示 偏上游 ，负值 表示偏 下游 ， 单位 为毫米 （ ｍｍ ） 。 北塔 江侧主 梁 中线测 量成 果表
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纵观 国内外服 务 机器人 的 发展 ，可 以发 现服 务机 器人 在 我国具 有 广阔 的市场 空间 。机器 人的发 展从应用 的角度来 看 ， 将越来 越方便使 用 ， 在用 户看 来将越 来越 简单 ， 越来越 可靠 。２ ０世 纪 ９ ０年代 以来 ，机 器人 的结 构和 控制 系统 已经取得 了突破性 的进步 。传统 的机 器人运 动控制器 大部分 是以嵌 入式 单片机 为核 心的 ， 但其运 算速度 和处 理能 力远不 能满足机 器人 控制 系统 飞速 发展的需要 。随着 以电子计 算机和数 字 电子 技术为 代表的现 代高技 术的不 断 发展 ， 尤其是 高性 能的 Ｃ Ｕ芯 片发展速 度极快 ，价 格不断下 降 ，从根 本上解 Ｐ 决了嵌 入式 系统 运算 能力不 足的 问题 ， 并为机 器人 运动控 制 系统的 改进提供 了新的途径 。后 Ｐ Ｃ时代 ，嵌入式 产 品逐渐 占领 市场 。而这些 嵌人式 产品 的 核 心— —高 性能 、低 功耗 、低 成 本的嵌 入 式处理 器 决定 了产 品的 市场 和性 能 。迎宾机 器人主 要的任务是 迎宾 ，用于宾 馆等公共场 合。 本文主要 针对迎 宾机 器人 的行 走机 构即 轮式 结构 ，从机 械 结构和 控制 方式 简要 讨论 。 １机械 结构 车轮式 行走 机构 具 有移动 平稳 ，能 耗 小以及 容 易控制 移 动速 度和 方 向 等优 点 ，机器人 脚用 的是四轮 式 ，四轮 式具有最 基本的 稳定性 ，其主要 问题 是移 动方向 的控制 。为 了获得 较好的机 动性和灵 活性 ，一般采 用双 电机 分别 驱动左 右轮的方 式 ，除此之 外 前后端还 应各有一 个支捧轮 ，起 平衡和导 向作 用。ｌ 【 左右 轮除 否则 前进 和后 退 以外 ，当两轮 的转 速不 同时 ，还可 以实 现 曲线 行走 和原地 旋转 。行 走机 构如 图所 示 。
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Ｊ ６ Ｊ ７
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— ７ ～ ７
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从 上表 可以 看出 ：
作为主粱 中线变形 监测的基准 点 ，应布设 ２个 ，分 别布设在斜 拉桥两 主 墩 河侧的零 号块顶面 ，用来控 制中跨 的主梁 中线。南边跨 或北边跨 的中线控 制 ，则是利 用桥位 区控制网 点来控制 。布设零号 块上 的两 个基准 点时应注 意 点 位 的稳定 性和 不受 花工 的干扰 。
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１ 施 工过程 中 中线 变形 的成 因分析 安庆 长江 公路 大桥 为双 塔双 索面斜 拉 桥 ，即 同一块 箱梁 上有两 根斜 拉 索 ，若两 根拉索 间的索力 （ 长度）控 制的不均 匀 ，有 可能造成 箱梁中线 的水 平错位 ，此外还有 索塔的扭 转变形 、风力和温 度的作 用，也有 可能使 已浇段 箱梁的 中线在水平 方向产生 变形 。由于 １照 的影响 ，使索塔产 生横桥 向的变 ３ 形 。上午 的 １照在 东边 ，塔 东面的混凝 土受热 膨胀 ，塔西面 的混凝土 由于未 ３ 受 到太 阳的直射 ，故温度 比东 面的低 ，所 以塔产 生 由东 向西的变 形。下午 的 情 况与上 午相反 ，塔 产生 由西向东 的变 形。 另外 ，长 江上 的风是 比较大 的 ， 在 悬臂 比较 长 了以后 ，在风 的作 用下 悬臂 会左 右晃 动 。 上述这 些 变形 的结 果 ，是 导 致 中跨 和边 跨 的中 线合拢 困难 而影 响成 桥 线形 ，因 此为及时发 现和调整 此项变形 ，在主梁 施工期 间 ，主梁 中线的变形 监 测也 是监 测的 重要 项 目之一 。 ２ 中线变形 监测的 方法 主梁 中线 在主梁 施工 期 间的变 形监 测 ，拟采 用经 纬仪 视准 线法 进行 观 测 ，通过设置 在东 、西边跨和 中跨上 的三条桥 中线作 为基 准线 ，定期地对布 设 在每个粱段 上的 中线点进行 监测 ，则 不 同观 测周期观 测所得到 的中线点 相 对 于基准 线横 桥 向方 向上的馆 距值之差 值 ，即 为不 同工况 下主粱 中线的变形
｝ 粱段；号 譬 Ｏ（ ｌ江侧）
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安庆长江公路大桥主梁中线变形监测方法与精度分析
夏毓超 李 杰 （ 重庆 交通大学 应用技术学 院 重庆 ４ ０ ７ ） ０ ０４
【 摘 要】 文对大 桥施工 过程 中中线 控制方 法进行 了阐述 并对其 定位 精度进 行 了分析 本 ［ 关键 词冲 线 监 测 精度 ［ 图分 类号】 Ｕ 中 Ｔ 【 文献标 识码】 Ａ 【 文章编号］０ ９ １ Ｘ （０ ９ ６ （ ）－ １ ０ ０ １ ０ －９ ４ ２ ０ ）０ ｂ ０２ － １
式 中：， 两 个驱动 轮之 间的 距离 ， ＝ ； 一 ㈠ ＿ 二丫 ＝ 靶 一 哺 ■ ． ，
ｖ ｔ一左侧驱动电机的速度， ｔ） （
ｖ（ 一右 侧驱 动 电机的速 度 。 ，） ｆ
逆 运动学 是 从已 知机 器人 的运 动轨 迹 或位姿 来 求解如 何控 制轮 子 。理
想状态，当 左右两轮同时以同样速度和方向运动，即 ｆ：Ｖ（） （ ） ｒ ，当初始 ｔ 状态ｘ０， （ 和０ｏ均为０ （） ｙｏ （ ） ） 的情况下， 上公式中带人Ｖ ｔ ＝Ｖ（ 可 在以 ｌ） ｒ） （ ｔ
实际上控 榭系统 Ｃ Ｕ在 同一时捌 只能对 一个步进 电机 进行状 态改变 的控制 ， Ｐ
如果采用步进电机跟随或者独立控髑方式，将使 Ｖ ｔ ｖ ｔ 不等 ， ｔ）和 ４ ） （ 从而
使机 器人 的直线运 动变成 剧烈 的蛇形轨 迹 ，所 以必须设计 一种机 器人直 线运 动时的控制 方式 。本机器 人直线 运动采 用了同步控 制方式 ，即将 控制系统 先 将 ｌ 电机 ＣＬ ＃ Ｋ＋的控 制端 口变成 高电平 ，再将 ２ 电机 的 ＣＬ ＃ Ｋ＋的控 制 端 口变成高 电平 ，然后延 时 ，再将 １ ，２ 电机的 Ｃ Ｋ＋变成 低电平 。这 ＃ ＃ Ｌ 样产 生的 方波控 栅信号 将使 １ 、２＃ 电机的状 态改变 时间 只间隔 几条指 令 ＃ 的执 行时 间。本控制 系统采 用的 Ｓ Ｃ ４ ０ 芯片的 时钟频率 高达 ６ ＭＨｚ ３４ＢＸ ６ ， 几 条 指 令 执 行 时 问 所 产 生 的 延 时 是 非 常 小 的 ， 可 以 认 为 在 同 一 时 刻