大牵引载荷小型轮式移动机器人系统设计-AGV吧

大牵引载荷小型移动机器人是一种可在狭窄空间作业的能牵引大载荷车辆、动物、人员以及危险品等的移动机器人。该机器人可采用轮-履结合结构形式，也可全轮结构形式，具有较大的牵引负载自重比，在狭小空间具有灵活的机动性。它的研制具有实际意义，具体有以下应用场合。

航天大部件车间及厂区运输应用：航天大部件体积、质量大，目前在车间及厂区的运输主要依靠吊车及特种车辆，输送工序复杂，效率低下。而小型牵引机器人体积小、质量轻、可方便车间布置，可通过遥控该机器人牵引大部件车辆，方便灵活地在车间及厂区转运。

动物牵引应用：在养殖行业牲畜已逐步采用大型屋含集中养殖的形式，动物质量与冲击性都很大，屋舍地面环境具有一定坡度与缝隙，且动物行走空间狭小，传统人工方式具有随意性大、人员劳动强度大、需多人配合工作等问题，因此，需要小型牵引移动机器人实现养殖行业动物的自动牵引。应急救援应用：当车辆出现故障失去动力且道路环境拥挤时，可将小型牵引机器人遥控至事故现场，牵引故障车辆进行应急处理，该功能不仅可应用于日常交警的事故处理，也可应用于军方作战需要。

伤员救护应用：战场上当伤员失去行走能力时，可通过简易小车放置伤员，并通过小型牵引机器人得伤员运送到后方。特殊处置应用：配合简易机械手，可进行危险品抓取、取证等扩展功能。

对此，国内外学者开展了研究。哈尔滨工业大学学者山研究了基于DSP的小型移动机器人控制系统，在满足机器人性能指标情况下，以质量轻、体积小的原则，完成了移动机器人的结构设计和实现。北京理工大学学者2-针对危险环境移动机器人应用需求，采用嵌入式控制系统和遥控/半自主工作方式，研制了一种具有越障能力的小型轮履复合式移动机器人。也有学者采用行星轮传动机构设计了一种越障和壁障能力的小型移动机器人，适合复杂地形。西安理工大学学者根据物流系统需求，选用合理的驱动元件控制器，研制了一种小型重载AGV(Auto-mated Guided Vehicle)。北京交通大学学者以环境适应能力与越障能力为设计指标，开发了具有高越障性能、质量轻、体积小的小型地面移动机器人。加拿大SWINERobotics公司针对畜牧养殖业开发了一种适合在狭窄空间运行的移动机器人，并推向了市场。

文中针对某行业相关设计任务特殊要求，借鉴国外公司产品外形结构，自主研制了一套具备大牵引载荷的小型轮式移动机器人系统，包含轮式驱动方式及牵引力确定、小型紧凑结构设计、驱动控制设计、以及无线通讯控制设计等，完成了系统集成和实际应用。

1 设计任务要求

某行业需求的牵引移动机器人实际工作环境俯视图如图1所示，其中场地最大坡度5°，水泥地板漏缝25mm，通道宽度900mm。移动机器人的牵引物高约1000m，宽约700mm，质量约250kg。

机器人设计的主要技术要求如下：外形尺寸不大于长640mm×宽620mmx高1150mm；自身质量约230kg；能在水平的水泥路面或柏油路面拖动1辆自身质量2t的机动车；可以在原地围绕自身中心自旋转，可以实现在900mm宽的直角通道顺利转弯；可以爬坡坡度5°，地面有25mm的缝隙时不会阻碍机器人运行；可以越过不高于80mm高的台阶且不得翻车；电池容量可连续工作8h。

2 移动机器人系统设计

移动机器人系统主要包括车身结构系统、电机驱动系统、运动控制系统、无线通信系统及供电系统等。

2.1轮式驱动方式及牵引力分析

为了实现重载牵引机器人原地自转的要求，需要设计一种合理的全方位移动机构。目前，比较常用的机构有全轮偏转式与麦克纳姆式。其中，全方位轮式结构是在普通四轮的基础上，增加一套俪转装置。而麦克纳姆轮通过在轮毅外缘分布被动的辊子实现全方位运动。该装置行驶震动较大，且加工成本较高，难以满足牵引机器人的工作环境要求。

近年来，研究人员参照坦克履带差速转向提出了一些新型的全方位运动机构，履带式全方位移动平台，适用于引导车的全方位行走系统等。两种方案的共同点在于将多轮运动转化或近似转化为双轮运动。双轮结构可以通过两轮的等速反向旋转实现原地自转，但是难以保证平台的稳定性。履带式全方位移动平台，用履带将多个轮子进行连接，保证了稳定性，而全方位行走系统则在两个主动轮的基础上增加若干从动轮，以保证整体平台的结构稳定性。

参考上述机构的原理，文中采取如下设计：（1）采取四轮结构，均为主动轮，由两台低压直流伺服电机驱动；（2）每一侧的两轮采用链传动连接，并由电机提供动力。这样的设计在四轮结构满足稳定性的基础上，通过链传动转化为双轮运动，因此可以实现原地自转的要求。同时，这种方案由于四轮全驱，因此越障能力强。

为保证机器人能在水平的水泥路面或柏油路面拖动1辆自身质量2t的皮卡，以此计算电机的功率及牵引力范围。

做如下假设：