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    多轴仓储机器人转向控制研究

      信息来源:   发布时间:2021-12-15  点击数:

    随着物流网技术的发展, 机器人广泛应用于物流领域。目前国内的物流领域对机器人的应用主要集中在从事包装码垛作业和自动化搬运, 而对于物流环节中的重要环节——仓储却有所缺失[1,2]。仓储机器人技术应用已经成为制约我国仓储乃至物流行业快速发展的重要原因之一[3]

    本文将多轴技术应用与仓储机器人, 研制了一台八轴独立驱动仓储机器人, 并以此为平台开展全轮或多轮转向控制方法的研究, 从而提高机器人的运动灵活性和稳定性。

    1 多轴仓储机器人设计

    按照控制和驱动转向机构的方式, 目前车辆上常用的多轮转向系统可分为机械式、液压式、电控机械式、电控液压式和电控电动式等几种类型。电控电动式多轴转向系统具有动态响应快, 无累计误差, 转向控制精度高、抗外界干扰能力强、结构紧凑、体积小、布局方便等优点, 但是其产生的驱动力较小。

    根据仓储机器人的体积小、运动灵活性高的要求, 采用电控电动式转向系统, 八轴独立驱动, 各轴之间、各轴内外侧轮之间无任何机械连接, 结构上相互独立。每个轮子均装有转向舵机和驱动电机, 采用光电码盘测量电机转速。

    Equation Section (Next) 控制系统采用主从控制结构, 主控器按照预定的转向控制策略计算出各轮的理论转角, 实现多轴协调转向运动规划;从控器作为单轮控制器, 实现单轮的转向控制和驱动控制, 根据码盘的反馈信号修正电机转速。

    2 基于阿克曼原理多轴转向二自由度模型

    机器人作为刚体, 在空间中运动具有6个自由度, 建立机器人固有坐标系, 以质心为原点, 机器人前进方向为轴, 垂直于水平面向上为轴, 根据右手坐标系确定轴方向。为了便于研究通常简化为两个自由度, 即假设机器人前进速度不变, 只作平行于地面的运动。简化后的两个自由度为沿轴方向的侧向运动和绕轴在平行于地面的平面内的横摆运动, 此时的机器人可简化为四轮模型。

    假设β为质心的侧偏角, β=v/u;ui为i轮的速度;li为质心到i轮的距离;δi为i轮的转角;FYi为地面对i轮的侧偏力, 产生的侧偏角为θi;当δi较小时, 侧向加速度小于0.4g, 侧偏特性位于线性范围内[4], 有为i轮的轮胎侧偏刚度, i=1, 2, 3, 4。

    对质心运动进行运动学和动力学分析, 将前轮的转角设δ1为输入值, 由阿克曼原理可近似为其中为系数, L1i表示前轴到i轴的距离, 可得四轮模型的二自由度运动微分方程。

     


    3 质心零侧偏角控制算法

    以机器人的质心侧偏角β=0为控制目标, 采用经典PID算法。

    由式 (1) 可以得出, 要想计算纯滚动状态下各轮的转角, 首先必须计算转向中心的位置, 即求出转向中心到前轴的距离L1。机器人处于稳定状态时, 侧向加速度、横摆角加速度侧偏角均为零, 可求得转向中心到前轴的距离L1, 与机器人质量和前进速度有关。

    如式 (1) 所示, 当输入项为前轴转角δ1, 侧向加速度、横摆角加速度均为零时, 此时解出的和为稳态响应结果。由βs=vs/u则可得到侧偏角相对于输入项的稳态增益βss。在上述静态分析的基础上, 对式 (1) 进行拉普拉斯变换, 初始条件为0, 与β=v/u联立可得出侧偏角二阶传递函数。

    4 仿真

    由于转向中心到前轴距离L1是机器人前进速度的函数, 当机器人前进速度一定时, 转向中心位置是确定不变的。在Simulink仿真环境下, 机器人前进速度从0.1m/s以恒定速度增加到2m/s, 结果显示:机器人前进速度增加时, 转向中心到前轴的距离L1也在增加, 且两者呈非线性关系。

    根据推导出来的侧偏角与前轮转角的传递函数, 利用Simulink框图进行仿真, 转角输入为阶跃函数, 以零侧偏角为控制目标, 仿真时进行低速和高速转向对比, 低速选择0.6m/s, 高速选择1.8m/s。结果显示, 低速转向性能较好, 但不管低速还是高速转向, 质心零侧偏角的控制方法均能有效进行控制。

    5 结语

    多轴转向控制技术主动控制转向时的侧向运动, 提高转向机动性和操纵稳定性, 改善转向响应性能。本文研制的移动机器人, 采用电动电控式多轴转向系统, 全轮独立驱动, 基于二自由度模型建立机器人运动微分方程, 并对全轮参与的转向模式进行转向原理分析与控制方法研究, 最后仿真验证了质心零侧偏角控制算法的有效性, 为多轴转向控制技术的深入研究打下坚实的基础, 为进一步的全轮或多轮转向控制算法提供了很好的平台。

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