0 引言

隨著機器人技術的智能化，機器人在生產生活中發揮著越來越重要的作用［1］。移動機器人是機器人家族中靈活性更好、自主性更強、智能化更高的一員，可以實現自主導航、環境識別、安全避障的功能［2］。全向移動機器人在運動平面上具有前后、左右和自轉的移動能力［3］，因此可以實現轉彎半徑為零的旋轉，或者在保持機器人姿態不變的情況下向任何方向移動。由于獨特的運動性能，全向移動機器人在智能輪椅、物料搬運機器人、巡檢機器人等產品中具有明顯的優越性［4-7］。

目前全向移動機器人的典型運動結構有麥克納姆輪、連續切換輪、同心轉向輪［8-10］等。麥克納姆輪和連續切換輪具有兩個自由度：一個沿輪面切向的主動驅動自由度，一個與輪面切向呈固定角度的隨動自由度。輪體的轉動由電機驅動，輥子在地面摩擦力的作用下被動旋轉，通過控制輪體的旋轉來實現機器人全向移動［11］。但是麥克納姆輪外緣的輥子交替與地面接觸，在滾動過程中輥子不斷受到地面的沖擊載荷，使得輪子在轉動過程中與地面接觸點的高度不斷變化，導致車體振動或打滑［12］。轉向輪組成的全向移動機器人由多個獨立轉向的傳統輪子構成，輪子方向的偏轉和自身的旋轉都由獨立的電機驅動，通過控制輪子的偏轉角度和旋轉速度來實現機器人全向移動［13］。由于輪子朝向的偏轉需要主動轉向結構驅動，因此需要復雜的轉向結構，且機器人在直線運行時，轉向驅動結構成為額外的負載，能量利用率低。

綜合上述問題，本文采用被動同心轉向結構的履帶單元代替主動轉向輪，設計了一種多履帶式全向移動機器人。該機器人不需要復雜的主動轉向結構，且具備履帶式機器人運行平穩、載重能力強等特點。

1 機器人結構設計

機器人由主體和4個差速式履帶單元構成，每履帶單元構成一組被動同心轉向結構，通過角接觸軸承安裝在機器人本體下方。履帶單元可繞偏轉軸±90°偏轉，偏轉角由精密旋轉電位器測量，電位器的旋轉軸通過聯軸器固定在履帶單元的偏轉軸上。由于角接觸軸承可同時承受較大的徑向負荷和軸向負荷，所以履帶單元既可以起到承載機器人本體和負載重量的作用，又能通過履帶運轉牽引機器人水平運動。機器人主體底板采用鋁合金結構，上方承載機器人本體的設備和結構，下方為4個履帶單元。其中側板和支撐結構使用3D打印成型，固定在底板上，主要起支撐和固定作用，圖1為機器人結構三維模型。

每個履帶單元由履帶、履帶支撐輪、驅動電機、電機減速器、測速編碼器、半圓遮光板等組成，圖2為履帶單元結構模型。

2 機器人電路設計與控制流程

2.1 機器人電路設計

機器人使用標稱電壓12 V、容量為31 200 mAh的鋰電池供電，電源管理模塊將電壓穩定為12 V和5 V。機器人采用ROS（Robot Operating System）為控制和通信系統，ROS核心運行在樹莓派3中，機器人底層驅動采用基于mbed開發的NUCLEO-F446開發板，使用UART接口與樹莓派通信，系統通過路由器與PC進行遠程連接與數據傳輸。機器人使用4個雙H橋電路驅動8個直流電機運動，電機驅動可以在控制器的控制下獨立驅動每個履帶單元中的電機運動，偏轉角由電位器測量，通過處理器中的12位ADC進行采集。其電路系統示意圖由圖3所示。

通過機械結構的建模與加工和電路系統的搭建，最終研制出多履帶全向移動機器人，如圖4所示。

2.2 機器人控制流程

機器人每個履帶單元上兩個電機的轉速由固定在電機尾部的測速編碼器測量得到，通過減速比、驅動輪半徑和履帶厚度可以計算出機器人移動速度。兩個履帶的運行速度可以分解為每個履帶單元運動的兩個自由度，一個自由度控制前后運動，另一個自由度控制運動方向。通過對機器人結構分析，設計單個履帶單元的控制流程，如圖5所示。

履帶單元的運動可以分解為直線運動和繞偏轉軸的旋轉，其輸入控制量為兩個履帶的運動速度和偏轉角度。首先測量實際偏轉角度和控制信號中偏轉角度的差，通過偏轉角度PID控制器輸出兩個電機轉速的調整值。每個電機的實際轉速和控制指令中的轉速差疊加電機轉速調整值，輸入到電機轉速PID控制器中，調整每個電機的轉速，電機輸出的轉矩通過減速器傳遞到履帶驅動輪上，通過方向和速度配合來輸出履帶單元的偏轉角度和移動速度，完成單個履帶單元的差速運動。

機器人的每個履帶單元都需要接收機器人控制器的控制信號，而機器人的運動指令是主體的運動速度、方向和主體朝向。因此需要機器人控制器根據運動學姿態結算將機器人主體的指令分解為每個履帶單元的控制指令，通過每個履帶單元帶動機器人主體移動，其控制流程如圖6所示。

機器人具有直行、側移、圓弧運動和自轉等幾種典型的運動方式，如圖7所示。其中直行和側移都屬于平移運動，機器人保持主體朝向不變；自轉運動屬于圓弧運動，此時機器人主體朝向不斷變化。因此機器人的全向運動過程看作是平移運動和圓弧運動的組合。

2.3 機器人運動學模型

通過機器人模型可以將機器人整體的運動速度、運動方向和機體朝3個控制量轉換為每條履帶運動速度和每個履帶單元的偏轉角度，根據機器人整體的控制流程可以控制每個履帶單元運動，從而實現機器人的全向移動。

3 實驗與分析

在研制的機器人上分別進行平移運動和圓弧運動的測試。使用PC端運行的MATLAB程序通過機器人上的無線路由器連接到運行著ROS indigo的樹莓派3和NUCLEO F446控制板，通過ROS命令發布機器人的運動指令話題到機器人端，同時讀取機器人發布的狀態話題上的數據，對機器人履帶的運動速度和履帶單元偏轉角度進行采集。

機器人在進行平移運動時，給定機器人的移動路徑為邊長600 mm的正五邊形，運動速度設置為40 mm/s，機體朝向不變，履帶單元改變偏轉角時的速度設置為20 mm/s，圖8（a）為機器人在100 s正五邊形平移運動中8條履帶的運動速度，圖8（b）為履帶單元偏轉角度隨時間變化的角度值。機器人在進行圓弧運動時，需要根據圓弧的中心點和旋轉角速度，通過姿態計算得到機器人履帶單元的偏轉角度和各履帶的運動速度。給定機器人運動的軌跡為角速度為0.05 rad/s，圓弧半徑為500 mm的圓周。圖9（a）為機器人在100 s圓周運動中8條履帶的運動速度，圖9（b）為履帶單元偏轉角度隨時間變化的角度值。

采集機器人運動過程中的速度和偏轉角度數據，使用航跡推算法計算機器人每個履帶單元中心的運動軌跡，通過每次得到的4個軌跡點擬合出機器人主體中心的運動軌跡，圖10和圖11分別為機器人在正五邊形和圓弧運動時4個履帶單元中心點和機器人中心位置的軌跡圖。圖中Tc表示履帶單元中心點，“x”和“o”分別表示機器人中心點和履帶單元中心點在起始處的位置。

實驗結果表明，機器人能完成在保持機頭朝向不發生變化的情況下向不同方向的移動，機器人每65 s完成一次五邊形平移運動，在機器人改變履帶單元偏轉角度過程中機器人本體保持靜止；機器人在做圓弧運動過程中履帶單元的偏轉角度保持穩定，32 s完成一次圓周運動，每條履帶的運動方向和速度基本不變。

4 結論

本文介紹了被動同心轉向式多履帶全向移動機器人的結構和電路設計、控制流程及實驗測試。由于機器人采用履帶結構，與地面的接觸面積較大，在運動過程中不易出現打滑現象，而且履帶結構比輪式結構有更好的承載能力。每個履帶單元都有轉向和前后移動的能力，所有履帶都能在機器人運行過程中提供驅動功率，同時使用多個較小功率的驅動電機，就能使得機器人整體產生較大的驅動功率，履帶結構在運動過程中不存在震動，且可在地面狀況較差的環境下全向移動。實驗結果驗證了被動同心轉向式多履帶全向移動機器人全向移動的能力，證明了結構設計和控制流程的正確性。