一种欠驱动移动机器人运动模式分析

天津比利科技发展有限公司

李艳杰

’马岩1，钟华2，吴镇炜2

'

隋春平2

（1.沈阳理工大学机械工程学院，沈阳110168;2．中国科学院沈阳自动化研究所，沈阳110016）

摘要：介绍了一种欠驱动移动机器人的机械结构。分析了该欠驱动移动机器人在平地行进

模式的特点，提出一种越障控制模式。在该越障控制模式中加入了障碍物高度计算算法，

使得移动机器人在越障过程中的智能控制更加高效。利用VB编写控制程序人机界面，在移

动机器人实物平台上进行了实验，实验结果证明了控制方法的有效性。

关键词：AVR单片机；欠驱动移动机器人；越障模式

中图分类号：TP242文献标志码：A

Analysis of a Underactuated Mobile Robot Moving Mode

LI Yan-jie',MA Yan',ZHONG Hua2,WU2hen-wej2,SUI Chun-ping2

(l.School of Mechanical Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang110168,China;2.Robotics Lab,Shenyang

Institute of Automation,Chinese Academy of Sciences,Shenyang110016,China)

Abstract:The mechanical structure of a kind of underactuated mobile robot was described in this paper.The charac-

teristics of the underactuated mobile robot in the plains traveling mode was analyzed and a kind of obstacle-negotia-

tion control mode was proposed.Due to calculate algorithm of obstacle's height was added to the the obstacle-nego-

tiation control mode,the intelligent control of obstacle-negotiation becomes more efficient.The control procedure HMI

was programmed by VB and the experiment was performed on the mobile robot platform.Experiment results show the

control method was effective.

Key words:AVR SCM;underactuated mobile robot;obstacle-negotiation mode

欠驱动机械系统是一类特殊的非线性系统，该容错控制的作用。因此，欠驱动机器人被广泛应用系统的独立控制变量个数小于系统的自由度个数【l】o于空间机器人、水下机器人、移动机器人、并联机器

欠驱动系统结构简单，便于进行整体的动力学分析人、伺服机器人和柔性机器人等行业。

和试验。有时在设计时有意减少驱动装置以此来增本文以四驱动、八自由度的欠驱动移动机器人加整个系统的灵活性。同时，由于控制变量受限等为实验对象，通过切换驱动器的工作模式来克服系原因，欠驱动系统又足够复杂，便于研究和验证各统不完全可控造成反馈控制失效【2】的缺点。以工控

种算法的有效性。当驱动器故障时，可能使完全驱机作为上位机，通过工控机的RS232串口与AVR

葫系统成为欠驱动系统，欠驱动控制算法可以起到单片机进行无线通讯。通过对驱动器反馈数据的分

收稿日期：2013-01-22：修订日期：2013-02-19

基金项目：国家科技支撑计划项目(2013BAK03801,2013BAK03802)

作者筒介：李艳杰（1969-），女，博士，教授，研究方向为智能机器人控制及机器人学；马岩（1988-），男，硕士研究生，研究方向为嵌入式控制；钟华（1977-），男，博士，副研究员，研究方向为机器人控制及系统集成。

Automation＆Instrumentation2013(9)

一种欠驱动移动机器人运动模式分析

析、计算使得机器人在遇到障碍时能够自动地翻越

障碍，并且可以对正在工作的机器人进行实时监控。1系统硬件设计

移动机器人实物图如图1所示。

图1移动机器人实物图

Fig.l Physical map of the mobile robot

本机器人使用的电机为FAULHABER公司的3257024CR系列直流有刷电机。电机与谐波减速器相连，减速比为l:1000电机输出轴经过减速后与履带轮相连，本履带轮是一种2K-H（即两个太阳轮、一个行星架）的差动机构【3】，根据地面的约束条件履

带轮可能发生的运动情况有：翻转运动、平动以及两种运动复合的情况。履带轮结构如图2所示。履带轮的差动原理是：①当履带轮发生翻转运动时，履带4的速度为O，同时主动轮5、连接带7、联轮6、齿轮8的速度也为Oo此时，经输入轴9输入的力矩通过齿轮10直接施加到联架上，从而带动支撑轴11运动，即履带轮发生翻转运动；②当履带轮发生平动时，履带轮4、主动轮5、连接带7、联轮6、齿轮8的速度不为O，经输入轴9输入的力矩并没有完全施加到联架上，其中的一部分力矩经传动机构被分配到主动轮5上。若施加到联架的力矩不足以使履带轮翻转，则履带轮平动。若施加到联架的力矩大于履带轮的翻转力矩时，则履带轮同时发生翻转

运动与平动。

注：1.从动轮；2．连接板；3．支撑轮；4.履

带；5．主动轮；6．联轮；7.连接带；8．齿轮；9.输

入轴；10.齿轮；11.支撑轴。

图2履带轮结构图

Fig.2Structure diagram of the crawler whee

自动化与仪表2013(9)

2控制系统设计

2.1控制系统总体结构

上位机选择新汉公司的NISE2000无风扇工控机，该工控机配有支持VGA显示的USB接口以及RS232串口，能够满足实验的需求。

控制器选择ATmel公司AT90CAN64单片机，该单片机内部集成了CAN控制器以及UART。控制器通过无线串口接收来自上位机的工控机数据，以此控制电机的动作。

驱动器选择Elmo公司的SOL-WHI10/64E01智能数字式伺服驱动器，支持CANopen DS301，DS305，DS401通讯协议【4】，可通过CAN总线实现与

控制器的快速、同步通讯。该驱动器支持四种工作模式：电流模式（转矩模式）、速度模式、位置模式、高级位置模式。利用驱动器自带的CAN总线收发器，控制器可以接收来自驱动器的数据，如电机的有效电流值、电机轴主反馈位置、电机的工作状态等，根据驱动器返回的数据可以进行进一步的控制处理。控制结构如图3所示。

图3控制系统结构图

Fig.3Structure diagram of the control system

2.2系统软件设计

对电机的控制及采集电机状态是整个软件系

统的核心部分，用于对电机工作状态的设置、监测、

报警等处理。VB的MS C o m m通信控件提供了一系

列标准通信命令的接口圈，它允许建立串口连接，还

可以发送命令、进行数据交换以及监视和响应在通

信过程中可能发生的各种错误和事件，从而可以用

它创建全双工、事件驱动的、高效实用的通信程序。

因此通过MS C o m m控件工控机能够对控制器进行

设置，可以准确、实时地控制车体的运动情况，如电

机模式的选择、电机电流值与速度值的设定等。