杨桂林
文/胡月
移动机器人是一种在复杂环境下工作的,具有自行组织、自主运行、自主规划等功能的机器人,不仅在工业、农业、医疗、服务等行业中得到广泛的应用,而且在城市安全、国防和空间探测领域等有害与危险场合得到很好的应用。
随着智能制造、电商物流等行业的快速发展,移动机器人市场规模急剧扩大。据英国Interact ﻪAnalysis最新预测,2020年国际移动机器人市场将达到24亿美元,较2019年增长24%,2021年将进一步增长50%。未来移动机器人将迎来爆发式增长,市场空间巨大。然而,国内外厂商的移动机器人产品一般采用差速轮驱动,不具备全向移动能力,机动灵活性差、运动精度低,限制了移动机器人的性能和应用范围。因此,具有高机动灵活性、高运动精度、高智能化程度的智能全向移动机器人技术得到世界各国的普遍关注。
移动机器人要实现全向移动功能,就需要有支持全向移动功能的驱动轮。我们日常所见的各类办公桌椅、购物小推车等底部移动部件均采用脚轮的结构形式,它具有两个运动自由度,即滚轮绕水平轴滚动的主运动和绕竖直轴线转动的转向运动,通过这两个运动配合使主体可以实现直行、侧行、斜行、原地转向等运动,具备在狭小空间内灵活机动的运动能力。
但此类脚轮一般采用惰轮形式,不具备主动驱动能力。如果将此类惰轮进行创新设计,变为主动驱动形式,将会形成具备主动驱动能力的万向脚轮,搭载此类脚轮的平台将具有全向移动能力。但国内外传统的全向移动机器人在底盘驱动方式和定位导航系统设计仍存在一些技术瓶颈,制约了移动机器人行业的发展,亟待突破。
比如,国内外领先的移动机器人厂商,其全向移动机器人均采用麦克娜姆轮驱动,然而这种大轮外缘套装多个小滚轮的驱动型式,其小滚轮与地面无法保持连续滚动接触,接地比压高、摩擦力大、打滑严重,不仅驱动效率低、承载能力差,还容易损伤地面。传统的全向移动机器人主动万向脚轮,存在转向和滚动运动耦合的问题,难于实现精确的解耦驱动控制,脚轮与地面间经常会出较为严重的滑转和滑移,不仅驱动效率低,运动精度也较差。
此外,移动机器人一般面对的是柔性化生产,作业起始点或终点会发生变化,运动路径也会发生相应调整变化,这就需要其对周围的工作环境进行地图构建,并基于构建的地图实现自主定位导航。在移动机器人定位导航方面,国内外移动机器人厂商一般采用磁条、磁带或QR码的定位导航方式,难于实现非结构化作业环境的自主定位导航与运动控制。虽有少量产品采用了激光导航方法,但由于激光传感器受限于环境的反射条件及测量距离,难于实现对大范围及复杂室内环境的精准测量,尤其是在移动机器人频繁转向情况下,激光导航方法的精度低、可靠性差。
中国科学院宁波材料技术与工程研究所精密驱动与智能机器人团队经过多年潜心攻关,发明了用于全向移动机器人的机械解耦式主动万向脚轮和直驱式主动万向脚轮两种脚轮,并在解耦式主动万向脚轮的基础上,研究了全向移动平台的模块化建模理论,并且按照模块化机器人建模和设计流程,研制了智能全向移动机器人标准产品。此款智能全向移动机器人采用了四个主动万向脚轮作为驱动轮,通过运动学算法,可实现四个脚轮的协调控制,进而实现了解耦且具备三个自由度的全向移动功能,可在无需考虑机器人转弯半径的情况下,直接执行0-360度任何一个方向的运动,运动的位置控制精度高。此外,该机器人采用了多信息融合技术,能够实现在车间物流场合的准确定位,定位误差正负10毫米以内,搭载了超声波传感系统用于实现全方位自主避障,并且可通过WiFi实现远程多机协调控制。
这款自主研发的智能全向移动机器人打通了材料-电机设计-电机制造-驱动器设计及制造-运动控制系统研发-机器人系统集成与应用的完整技术链条,突破了传统全向移动机器人技术痛点,促进了移动机器人行业发展。
可以想见,未来以移动机器人为移动平台的移动作业机器人将拥有一个机动灵活、自主安全移动的载体和像人手臂一样灵活、安全的操作臂,还可以和人安全互动、进行情感交流,在社会各个行业为人类服务。现在,我们是把机器人当成我们的工友,但未来,机器人可以成为我们的生活伙伴。