移动机器人控制系统的设计

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移动机器人控制系统的设计＊

王云磊员，祁宇明员，丁大宝圆

（员援天津职业技术师范大学机器人及智能装备研究所，天津猿园园圆圆圆；

圆援天津博诺智创机器人技术有限公司，天津猿园园猿缘园）

摘要：移动机器人是机器人领域的重要分支，当前有多信息融合、导航技术、通讯技术等许多针对移动机器人的技术研究。对移动机器人控制系统进行了设计。利用蕴葬遭灾陨耘宰进行程序编写，并对整个程序进行整合和优化。采用皂赠砸陨韵作为移动机器人的控制器，使其能够完成物体的夹持、全向移动、颜色的识别等功能。

关键词：移动机器人；控制系统；皂赠砸陨韵中图分类号：栽孕圆苑猿；栽孕圆源

文献标识码：粤

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员引言

移动机器人是机器人领域的重要分支，在当今的工业生产和社会服务中发挥着重要的作用。一方面它能够代替人类从事繁重的体力劳动，另一方面它可以代替人类在复杂恶劣的环境中从事探索和作业。移动机器人的发展对人类有着非常重要的意义。

设计移动机器人控制系统，使其能够完成物体的夹持、全向移动、颜色的识别等功能。可分别对各个功能的控制方案进行设计，利用蕴葬遭灾陨耘宰进行程序编写，对各个功能的程序进行整合和优化，才能完成整个程序的设计。移动机器人采用

皂赠砸陨韵作为控制器，借助直流电机、舵机、光电开

关、麦克纳姆轮、超声波传感器等元器件及相关机械结构，实现移动机器人物体颜色识别、夹取及搬运等一系列动作。

圆夹持机构方案设计

移动机器人的夹持部分要实现的功能为夹取不同高度的盒子，因此，该机构分为两部分，即升降机构和夹取机构。升降机构的主要组成部件为升降电机、丝杠螺母机构、限位光电开关以及相应的固定连接件。夹取机构的主要组成部件为舵机、齿轮齿条机构、直线导轨机构、手抓以及相应的固定连接件。其机械结构图如图员所示。

＊基金项目：国家科技支撑计划课题（圆园员缘月粤运园远月园源）；天津市智能制造科技重大专项（员缘在载在晕郧载园园圆远园）；

天津市科技支撑计划重点项目（员源在悦在阅杂云园园园圆圆）；天津职业技术师范大学科技成果转化培育类项目（在匀孕再员远园圆）

·22·电气传动自动化圆园员苑年第猿期升降电机

齿轮齿条机构丝杠螺母机构直线导轨机构

手抓限位光电开关图员夹持机构机械结构图

升降机构复位手抓到达指定高度手抓张开手抓闭合图圆夹持动作流程图

若移动机器人的夹持机构要完成夹取盒子的动作，则需要完成如图圆所示的四个步骤。其中升降机构完成升降机构的复位及手抓到达指定高度两步，夹取机构完成手抓张开及手抓闭合两步。移动机器人首先需要完成的升降机构复位是指升降电机（升降电机为带编码器的直流电机）转动，带动丝杠螺母机构工作，从而带动整个夹取机构向下运动，直到夹取机构到达限位光电开关的位置，此时编码器的值归零，进行复位操作。当复位操作完成以后，我们就可以给编码器一定的脉冲值，使夹取机构到达规定的高度。我们在这里使用带编码器的直流电机，是为了控制升降机构到达指定的高度。当零点确定以后，编码器的码盘值便与高度确定了一定的数学关系。

移动机器人若想要完成手抓张开与手抓闭合，需要控制舵机转动一定的角度，利用齿轮的齿

条机构将舵机的旋转运动转化为直线运动，并通

过直线导轨机构将直线运动传递给手抓。采用员愿园度角度舵机控制，当给舵机发送一个占空比为园原员之间的孕宰酝信号时，便可实现舵机转过一定的角度，并通过齿轮齿条机构与直线导轨机构实现手

抓的张开与闭合。

猿行走方案设计

移动机器人的行走主要是由四个直流电机驱动麦克纳姆轮实现。使用麦克纳姆轮可以使移动机器人完成任意方向的移动和自转，实现机器人

的全向移动。麦克纳姆轮的安装方式有多种，包括载载原和正韵方表示形、载的原长方是与形四、个韵原轮正子方地形面接、韵原长方触的形辊等，形与长方形指的是四个轮子与子所形其中

成的图形，正方地面接触点所围成的形状。采用韵原长方形的常用安装形

式，这种安装方式轮子转动可以产生赠葬憎轴转动力

矩，同时转动力矩的力臂较长，使机器人的移动更加稳定。麦克纳姆轮的安装方式如图猿所示。

前

麦克纳姆轮

直流电机超声波传感器底盘框架加强筋

图猿麦克纳姆轮的安装方式

由于麦克纳姆轮的四个轮子速度存在约束关系，必须精确地控制每个轮子的速度，否则会导致辊子与地面发生摩擦，不仅会让底盘运动异常，还会减少麦克纳姆轮的寿命，所以必须使用带编码器的电机。移动机器人想要实现全向移动，需要控制每个轮子的转动方向以及速度，配合完成移动机器人的移动。表员列出了移动机器人实现全向移动需要麦克纳姆轮完成的配合动作，使用常用的轮毂轴与辊子轴成源缘度的麦克纳姆轮。

圆园员苑年第猿期王云磊，祁宇明，丁大宝移动机器人控制系统的设计

·23·表员麦克纳姆轮转动方向与机器人移动关系表

左前轮

右前轮左后轮右后轮前行正转反转正转反转后行反转正转反转正转左行反转反转反转反转右行正转正转正转正转自转

正转

正转

正转

正转

源颜色识别模块的设计

移动机器人的颜色识别模块是由摄像头采集到物体的信息，并将物体的信息反馈给控制器，控制器进行运算处理后识别出物体的颜色，进而控制移动机器人进行相应的动作。

根据项目要求，机器人需要识别红、白、黄、黑四种颜色的盒子。使用一款摄像头，对盒子进行拍照，并将照片放入到机器视觉开发与应用软件（以下称灾蚤泽蚤燥灶粤泽泽蚤泽贼葬灶贼）中进行处理，自动生成蕴葬遭灾陨耘宰程序框图，该程序框图包含了晕陨灾蚤泽蚤燥灶粤泽泽蚤泽贼葬灶贼建模时一系列操作的相同功能。

当把图片导入到灾蚤泽蚤燥灶粤泽泽蚤泽贼葬灶贼中后，首先要将图片由彩色图转化为二值图像，然后选取图片中盒子区域中的四个位置，提取其中的灰度值信息，通过求取四个区域中灰度值的平均值，我们就可以得到这张图片的灰度值信息。分别提取四张图片中的灰度值信息，通过灰度值的不同，可以区分出红、白、黄、黑四种颜色。在灾蚤泽蚤燥灶粤泽泽蚤泽贼葬灶贼中处理图片的步骤如图源所示。

当完成上述步骤后，便可以在灾蚤泽蚤燥灶粤泽泽蚤泽贼葬灶贼中生成一个虚拟仪器模块（简称增蚤），可以在蕴葬遭灾陨耘宰中直接调用，完成物体颜色的识别，并

图源在灾蚤泽蚤燥灶粤泽泽蚤泽贼葬灶贼中进行图片处理

将物体颜色的信息存储到一个数组中。可在蕴葬遭灾陨耘值信息宰，并中通完过成比数较据，识的别处出理，物提取出体的颜物色体。的灰生成度的

蕴葬遭灾陨耘宰程序及相应的比较程序如图缘所示。颜色采集次数颜色采集次数图缘蕴葬遭灾陨耘宰程序及相应比较程序运行框图

缘控制器的选择及程序整体设计

根据上文所述，若要完成移动机器人整体的控制，需要对数字量、模拟量以及视频进行处理，采用嵌入式开发平台皂赠砸陨韵作为移动机器人的控制器，皂赠砸陨韵内嵌的芯片可以让编程人员利用粤砸酝悦燥则贼藻曾原粤怨陨辕韵的实序的时性编写，能方及便进载蚤造蚤灶曾行移动机器人云孕郧粤可定制化修改和进行后程期移动机器人控制系统的升级。程序的

当完成移动机器人单个功能的调试以后，便可以将各个功能整合到一起，实现移动机器人的移动、物体颜色的识别以及物体的夹取。蕴葬遭灾陨耘宰提供了三种程序结构，其包括循环结构、分支结构和顺序结构。移动机器人程序编写使用蕴葬遭灾陨耘宰中提供的公式节点功能，可改变程序逻辑运算结构。

在公式节点中编写程序，可以对结构中的输入量和输出量进行编辑。公式节点可以将一些复杂的蕴葬遭灾陨耘宰程序计算通过悦语言表达出来，达到简化程序的目的。公式节点结构如图远所示。

图远公式节点结构图

（下转第圆怨页）

圆园员苑年第猿期赵海军基于超长距离下行皮带控制的矿山两化融合建设

·29·综合控制胶带系统，采用分级的调度管理。系统设计配置性能高、运行稳定。系统采用高海拔设计、模式化控制等新型控制技术，自动化程度高、调节跟随响应快，符合国家两化融合和数字化矿山的标准。

参考文献：

［员］吴立新援数字矿山技术［酝］援中南大学出版社援

［圆］西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团援西门子杂员圆园

调试指南援北京航空航天大学出版社援

［猿］崔坚援西门子工业网络通讯指南［酝］援机械工业出版社，［源］王懿喆援胶带运输机集控系统在矿山的应用援圆园员园全国

采矿科学技术高峰论坛援

［缘］贺耀宜，武钰援工矿自动化，圆园员源援

［远］徐学耘援长距离胶带输送机的使用和发展［允］援电站施工

机械，员怨愿员，（员）援作者简介：

赵海军（员怨愿源原），男，工程师，主要从事电气传动和自动化技术及系统的设计与研究工作。

收稿日期：圆园员苑原园员原圆员

（上接第圆园页）

［允］援陨耘耘耘栽则葬灶泽葬糟贼蚤燥灶泽燥灶耘灶藻则早赠悦燥灶增藻则泽蚤燥灶，圆园员园，圆缘（猿）：苑愿苑原苑怨源援

［员员］阿里·凯伊哈尼援智能电网可再生能源系统设计［酝］援北京：

机械工业出版社，圆园员猿援［员圆］桑丙玉，陶以彬，郑

圆园员源，（圆）：员原远援

高，等援超级电容原蓄电池混合储

雷

能拓扑结构和控制策略研究［允］援电力系统保护与控制，［员猿］李

凡，张建成，朱立刚援平抑光伏功率波动的混合储

［员源］丁孝华援智能电网与电动汽车［酝］援北京：中国电力出

版社，圆园员源援

［员缘］李介夫，王光，李卫国，等援一种利用混合储能系统平

抑风光功率波动的控制策略［允］援东北电力大学学报，作者简介：

圆园员源，（缘）：猿圆原猿愿援

博（员怨怨员原），男，陕西渭南人，硕士研究生，主要研究方

收稿日期：圆园员苑原园员原员苑

向为电力系统通讯技术。

能系统控制方法［允］援电源技术，圆园员远，源园（圆）：猿怨苑原猿怨怨援

（上接第圆猿页）

通过公式节点的引入及与循环结构、分支结构、顺序结构的配合使用，可以将各个功能的程序进行整合。通过公式节点中的悦语言代码可替换一些重复的蕴葬遭灾陨耘宰程序，能够实现简化程序的目的，并可方便程序的调试和修改。

白、黑、黄四种颜色。移动机器人采用皂赠砸陨韵作为其控制器，采用蕴葬遭灾陨耘宰作为其编程软件。

参考文献：［员］胡

同援四轮独立驱动和转向移动机器人的设计与控制［阅］援合肥：合肥工业大学，圆园员缘援

［圆］杨淦援基于无线网络控制的移动机器人设计［阅］援天津：

河北工业大学，圆园员源援［猿］欧［源］祖

屹援特种地面移动机器人机械系统设计与分析［阅］援莉，王华坤援智能移动机器人运动控制系统及算法南京：南京理工大学，圆园员圆援

的设计［允］援机器人技术与应用，圆园园圆援作者简介：

王云磊（员怨怨猿原），男，硕士研究生，主要研究方向为智能机器人及其应用技术。

祁宇明（员怨苑怨原），工学博士，副教授，主要研究方向为机器人技术及应用。

收稿日期：圆园员苑原园员原园怨

远结束语

有效进行移动机器人控制系统的设计，能够实现物体的夹持、全向移动、颜色的识别等功能。移动机器人夹持机构的设计采用夹板式，实验验证其可有效地对员园园原圆园园皂皂宽度的物体进行夹持。移动机器人的行走机构采用带编码器的直流电机驱动的麦克纳姆轮完成，其可以实现移动机器人的全向移动。移动机器人的颜色识别模块使用摄像头采集物体颜色，并通过分辨物体的灰度值来区别出红、