用于藥品分送的移動機器人設(shè)計

摘要隨著社會現(xiàn)代化的快速發(fā)展，人口老齡化日益嚴重，醫(yī)療資源變得十分緊張，醫(yī)療服務(wù)機器人可以幫助醫(yī)護人員分擔工作壓力，減緩醫(yī)療資源緊張的局面，2020年初，CNVID-19爆發(fā)，傳染病的爆發(fā)對醫(yī)療服務(wù)機器人這種無接觸的醫(yī)療服務(wù)需求更加迫切。本文設(shè)計了一個進行用于藥物輸送的醫(yī)療服務(wù)機器人，此醫(yī)療服務(wù)機器人可以承重20kg，直徑500mm，可以進行360°全向移動。本文主要內(nèi)容如下：分析了移動機器人的研究背景和研究目的，老齡化問題帶來的醫(yī)療資源緊張，醫(yī)療服務(wù)機器人具有強勁的市場前景。根據(jù)任務(wù)設(shè)計書分析了移動機器人的設(shè)計需求，確定了移動機器人的總體設(shè)計方案，包括機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方案和控制系統(tǒng)設(shè)計。對移動機器人的底盤進行了運動學和動力學分析，通過數(shù)學計算，得到了移動機器人的正運動學模型和動力學模型。根據(jù)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的總體方案，通過計算對輪胎和電機進行了選型，并對傳動軸、底盤、底盤外殼、櫥柜等零部件進行了詳細設(shè)計說明，簡單介紹了底盤零部件的裝配關(guān)系。根據(jù)控制系統(tǒng)的總體方案，進行底盤控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。對控制單元進行了元件選型，對驅(qū)動單元、感應(yīng)單元、電源單元進行了電路設(shè)計，利用Arduino搭建下位機，與主控系統(tǒng)通信，控制電機；ROS作為主控系統(tǒng)系統(tǒng)，用SLAM的Gmapping進行地圖環(huán)境搭建，AMCL進行導(dǎo)航定位。論文最后對本文所做的工作和研究成功進行了總結(jié)，并對本文設(shè)計的不足之處提出了展望。關(guān)鍵詞：醫(yī)療服務(wù)機器人；藥物輸送；全向移動；Arduino；ROS

AbstractWiththerapiddevelopmentofsocialmodernization,theagingofthepopulationisbecomingmoreandmoreserious,andmedicalresourcesarebecomingverytight.Medicalservicerobotscanhelpmedicalstafftosharetheworkpressureandalleviatetheshortageofmedicalresources.Atthebeginningof2020,theoutbreakofCNVID-19,theoutbreakofinfectiousdiseases,thedemandforcontactlessmedicalservicesbecomesmoreandmoreurgent.Amedicalservicerobotfordrugdeliveryisdesignedinthispaper.themedicalservicerobotcanbearaloadof20kg,500mmindiameterandcanmovein360°omni-directionaldirection.Themaincontentsofthispaperareasfollows:Analyzedtheresearchbackgroundandresearchpurposeofmobilerobots.Themedicalresourcesbroughtaboutbytheagingproblemaretight,andmedicalservicerobotshaveastrongmarketprospect.Accordingtothetaskdesignbook,thedesignrequirementsofthemobilerobotareanalyzed,andtheoveralldesignplanofthemobilerobotisdetermined,includingthemechanicalstructuredesignplanandthecontrolsystemdesign.Thekinematicsanddynamicsanalysisofthechassisofthemobilerobotiscarriedout.Throughmathematicalcalculation,thepositivekinematicsmodelandthedynamicsmodelofthemobilerobotareobtained.Accordingtotheoverallschemeofmechanicalstructuredesign,thetiresandmotorsareselectedthroughcalculation,andthedetaileddesigndescriptionsoftheshafts,chassis,chassisshell,cabinetsandotherpartsareintroduced,andtheassemblyrelationshipsofchassispartsarebrieflyintroduced.Accordingtotheoverallplanofthecontrolsystem,carryoutthehardwaredesignandsoftwaredesignofthechassiscontrolsystem.Thecomponentselectionofthecontrolunit,thecircuitdesignofthedriveunit,theinductionunit,andthepowersupplyunit,theuseofArduinotobuildthelowercomputer,communicatewiththemaincontrolsystem,controlthemotor;ROSasthemaincontrolsystemsystem,usingSLAMGmappingMapenvironmentconstruction,AMCLfornavigationandpositioning.Attheendofthethesis,theworkandresearchsuccessofthisarticlearesummarized,andtheshortcomingsofthedesignofthisarticleareprospected.KeyWords:Medicalservicerobot；Drugdelivery；Omnidirectionalmobility；Arduino；ROS

目錄第1章緒論 11.1研究目的及意義 11.1.1研究背景 11.1.2研究目的 21.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.2.1國外研究現(xiàn)狀 21.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 21.3設(shè)計內(nèi)容 3第2章移動機器人的總體方案設(shè)計 52.1移動機器人的設(shè)計需求分析 52.2移動機器人的機械結(jié)構(gòu) 52.3移動機器人的控制系統(tǒng) 62.4本章小結(jié) 7第3章移動機器人底盤的運動模型建立 83.1移動機器人底盤的運動學求解 83.2移動機器人的動力學分析 103.3本章小結(jié) 11第4章機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 124.1輪胎型號選擇 124.2電機選擇 134.3零部件設(shè)計 144.3.1傳動傳動軸 144.3.2底盤 164.3.3底盤外殼 174.3.4櫥柜 204.3.5底盤裝配關(guān)系 224.4本章小結(jié) 23第5章控制系統(tǒng)設(shè)計 245.1底盤控制硬件系統(tǒng)設(shè)計 245.1.1控制單元 245.1.2驅(qū)動單元 265.1.2感應(yīng)單元 265.1.3電源單元 285.2軟件控制系統(tǒng)設(shè)計 295.2.1軟件控制總體方案設(shè)計 295.2.2接口指令 295.2.3主控制文件 295.2.4電機控制程序 305.2.5編碼器控制程序 305.2.6ROS主控系統(tǒng)軟件設(shè)計 315.3本章小結(jié) 33第6章結(jié)論 34參考文獻 35致謝 36

第1章緒論1.1研究目的及意義1.1.1研究背景六十周歲以上的人口占總?cè)丝诘陌俜种咭陨系牡貐^(qū)就視其進入了老齡化社會，這是聯(lián)合國新的老齡化標準。數(shù)據(jù)顯示2019年年末，我國六十周歲及以上的年齡范圍里，人口數(shù)量達到了兩億五千三百八十八萬人，占總?cè)丝诒戎氐?8.1%，已經(jīng)連續(xù)五年占比均超過15%；六十五周歲及以上的年齡范圍里，人口數(shù)量為一億七千六百零三萬人，占總?cè)丝跀?shù)的比重是12.6%，連續(xù)五年占比超過10%（圖1.1）。持續(xù)增長的老年人群體增大了對醫(yī)療服務(wù)的需求。2019年全國的醫(yī)療衛(wèi)生機構(gòu)總共擁有床位八百九十二萬張，其中城鎮(zhèn)醫(yī)院擁有六百九十七萬張床位，占總床位的78%；鄉(xiāng)鎮(zhèn)衛(wèi)生院擁有一百三十八萬張床位，占總床位的22%。2019年全年接受診療的總?cè)舜芜_到八十五點二億人次，出院人數(shù)達到二點七億人。但僅有執(zhí)業(yè)醫(yī)師和執(zhí)業(yè)助理醫(yī)師三百八十二萬人，注冊護士四百四十三萬人。[1]醫(yī)護人員與病患基數(shù)不對等導(dǎo)致病患享受的服務(wù)待遇下降等問題出現(xiàn)。圖1.12015-2019年中國老年人口增長2014年至2019年，機器人全球市場發(fā)展勢頭迅猛，機器人的全球市場營業(yè)額的平均增長率約為百分之十二，2014-2019服務(wù)機器人的全球市場營業(yè)額的平均增長率約為百分之二十二，高于整個機器人市場的增長速度將近百分之十。服務(wù)機器人的市場營業(yè)額總量也不容小覷，2019年服務(wù)機器人的全球市場總量將達到八百六十億元，占全球機器人市場營業(yè)額的三分之一，2021年的服務(wù)機器人全球市場總量可能突破九百三十億元。我國的醫(yī)療機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度迅猛，2019年我國的機器人市場營業(yè)額預(yù)計可以達到八十七億美元，約占全球機器人市場營業(yè)額的百分之三十。中國的機器人市場也擁有強勁的發(fā)展?jié)摿Γ?014-2019年我國機器人市場營業(yè)額的平均增長率達到百分之二十一。2019年我國醫(yī)療服務(wù)機器人的市場營業(yè)額達到了四十三億元，預(yù)計到2025年，我國智能醫(yī)療機器人市場營業(yè)額將突破百億元，占服務(wù)機器人市場營業(yè)額的百分之二十八點三[2-4]。1.1.2研究目的機器人市場整體營業(yè)額持續(xù)快速增長，服務(wù)機器人市場增長速度也像雨后春筍一樣，人口老齡化問題加劇導(dǎo)致醫(yī)療負擔增重，加速激發(fā)了醫(yī)療服務(wù)機器人的市場需求不斷擴大，醫(yī)療服務(wù)機器人擁有很大的發(fā)展?jié)摿?。藥物搬運機器人可以減輕醫(yī)護人員的工作負擔，讓醫(yī)護人員有更多精力為醫(yī)患提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，并且當傳染?。ㄈ鏢ARS，CNVID-19等）爆發(fā)，藥物搬運機器人可以保護醫(yī)護人員，減少醫(yī)護人員與患者不必要的接觸。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀自20世紀70年代后期以來，醫(yī)療服務(wù)機器人的研發(fā)開始不斷增加，美國和歐洲最先展開了護理機器人的研究。1985年TransitionsResearchCorporation團隊開始研制第一臺HelpMate機器人,1990年步入商業(yè)化。2009年日本的RIKEN團隊開發(fā)了RIBA搬運機器人[5-6]。目前國外的藥物搬運機器人發(fā)展以及比較成熟，2015年Aethon公司研發(fā)并出售一種名為TUG的搬運機器人，目前在美國已經(jīng)有140多個醫(yī)療機構(gòu)配備了TUG機器人。圖1.2TUG機器人1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)研究醫(yī)療服務(wù)機器人相對較晚，2007年開始各高校開始進行醫(yī)療服務(wù)機器人的開發(fā)。目前第四代藥物輸送機器人可以幫助藥房工作人員自動準備靜脈注射器和注射液，提高藥房的工作效率，并將藥房出錯率降到最低。2020年武漢爆發(fā)新型冠狀病毒期間，醫(yī)護人員短缺問題嚴峻，智能配送、醫(yī)療監(jiān)控、消毒運輸?shù)纫淮笈鷻C器人沖上防疫前線，成為人類的好幫手。2020年1月29日，廣東省人民醫(yī)院引進送藥機器人“平平”和“安安”就是賽特智能開發(fā)的藥物運送機器人。圖1.3賽特智能藥物運送機器人總體而言，國外的醫(yī)療搬運機器人商業(yè)化比較成熟，并已經(jīng)開始大營業(yè)額使用。而國內(nèi)醫(yī)療搬運機器人還處于發(fā)展期，實際投入應(yīng)用的并不多，有很大的發(fā)展空間。1.3設(shè)計內(nèi)容本文自主設(shè)計了一個以藥物輸送為主要功能的移動機器人，通過資料的查閱，制定出了以下設(shè)計方案：以四輪全向輪驅(qū)動作為移動底盤，arduino開發(fā)板作為底層控制開發(fā)工具，進行電機的驅(qū)動控制，采用樹莓派搭建ROS系統(tǒng)作為主控系統(tǒng)，利用ROS提供的可視化工具Rviz和Gazebo完成了底盤的導(dǎo)航仿真工作。本文主要工作安排如下:第1章為緒論，通過對移動機器人市場營業(yè)額和發(fā)展?jié)摿Φ恼{(diào)查明確了研究目的和研究意義，并對國內(nèi)外的醫(yī)療服務(wù)機器人研究現(xiàn)狀進行了分析，介紹了本文的主要研究內(nèi)容。第2章為移動機器人的總體方案設(shè)計，對本文要設(shè)計的移動機器人進行了功能需求分析，并確定了移動機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方案和控制系統(tǒng)設(shè)計方案。第3章為移動機器人底盤的運動模型建立，對移動機器人的底盤進行了運動學、動力學分析，計算出了正運動學模型和動力學模型。第4章為機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過計算，對輪胎和電機進行了選型。詳細設(shè)計了傳動軸、底盤、底盤外殼、櫥柜零部件，并進行了校核。第5章為控制系統(tǒng)設(shè)計，對底層控制系統(tǒng)進行了硬件系統(tǒng)方案設(shè)計，設(shè)計了電機驅(qū)動單元、測速單元、電源單元的電路，對控制的元件進行了選型。設(shè)計軟件控制系統(tǒng)的總體方案，利用arduino平臺和ROS進行了底盤控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計。第6章為結(jié)論，闡述了全文得到的主要結(jié)論，并介紹了本文設(shè)計中的一些不足、需要改進的方向。

第2章移動機器人的總體方案設(shè)計2.1移動機器人的設(shè)計需求分析(1)避障功能：從護士站向各病房分送藥品途中可能遇到障礙，移動機器人需要避開障礙，避免損傷公共設(shè)施或者撞到人。(2)尋跡功能：從護士站到指定的病房，移動機器人需要能夠自主根據(jù)目標病房進行軌跡規(guī)劃。(3)定位功能：移動機器人只有知道自身的定位才能完成尋跡，并且自主返回。(4)全方位移動：設(shè)計任務(wù)書要求移動機器人可以進行360度旋轉(zhuǎn)，靈活調(diào)整移動方向。2.2移動機器人的機械結(jié)構(gòu)根據(jù)功能需求分析，機械結(jié)構(gòu)主要需要解決全方位移動和承擔大負載兩個主要問題。本設(shè)計的移動機器人機械結(jié)構(gòu)主要分為兩個部分，一個是可以全方位移動的底盤，另一個是安裝藥品的櫥柜部分。圖2.1移動機器人的機械結(jié)構(gòu)總體布局在移動機器人中，輪式機器人較于兩足機器人擁有更好的靈活性，且結(jié)構(gòu)和控制更為簡單，較于履帶機器人擁有更小的噪音。三輪和四輪結(jié)構(gòu)都可以實現(xiàn)全方位移動。三輪結(jié)構(gòu)的底盤與地面有三個接觸點，穩(wěn)定系數(shù)相較于四輪要差一點，容易發(fā)生側(cè)翻，且本設(shè)計需要承載的重量較大，三輪結(jié)構(gòu)更加容易使移動機器人失去平衡。所以本設(shè)計采用四輪結(jié)構(gòu)。而四輪結(jié)構(gòu)又分為兩輪驅(qū)動和四輪驅(qū)動，兩輪驅(qū)動需要懸掛系統(tǒng)，保證驅(qū)動輪始終與地面接觸，否則當驅(qū)動輪懸空時，移動機器人將無法移動[7]。并且四輪驅(qū)動可以降低對電機驅(qū)動的動力要求，本設(shè)計的移動機器人需要大承載，所以采用四輪驅(qū)動更為適合。四輪驅(qū)動又有三種配置方式如圖2.2所示。圖2.2四輪驅(qū)動配置左右對稱配置前進后退便捷，但轉(zhuǎn)向不夠靈活。十字對稱配置在前后運動及橫向運動時都只需要采用兩個電機，而交叉對稱配置只有在45°方向運動時才只需要兩個電機，其余運動方向都與左右對稱配置相同，需要四個電機同時工作。所以采用十字對稱配置。2.3移動機器人的控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計需求的分析，控制系統(tǒng)主要需要解決移動機器人的避障、定位、尋跡功能?？刂葡到y(tǒng)還需要解決移動機器人的正?？刂埔螅弘姍C的驅(qū)動和速度控制、各元器件的電源供應(yīng)等問題。結(jié)合以上需求，將控制系統(tǒng)分成三個單元進行模塊化設(shè)計。圖2.3控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2.3所示，電源單元分別為驅(qū)動單元、控制單元、感應(yīng)單元提供電力，而控制單元控制電源單元的充電行為，感應(yīng)單元通過傳感器獲取外界數(shù)據(jù)后傳輸給控制單元，控制單元將數(shù)據(jù)進行處理，然后形成控制指令發(fā)送給驅(qū)動單元，控制移動機器人的運動。圖2.4主控系統(tǒng)與底層控制的通信原理圖而控制單元又分為主控系統(tǒng)和下位機，下位機主要進行一些底層控制，與電源單元、感應(yīng)單元、驅(qū)動單元進行直接數(shù)據(jù)傳輸和指令控制；而主控系統(tǒng)主要負責邏輯控制，對下位機接收的數(shù)據(jù)進行邏輯處理，進而根據(jù)數(shù)據(jù)決定下一步指令，再將指令通過下位機傳送出去。ROS為開發(fā)者提供了豐富的函數(shù)庫、可視化工具、消息傳遞和軟件包管理等諸多功能[13]，是當前非常熱門的機器人開發(fā)操作系統(tǒng)，本設(shè)計采用ROS機器人操作系統(tǒng)作為主控系統(tǒng)進行移動機器人底盤的導(dǎo)航仿真。ROS與下位機處理器MCU通過topic話題通信，如圖2.4所示。2.4本章小結(jié)本章對移動機器人的設(shè)計任務(wù)書進行了需求分析，根據(jù)需求分析，設(shè)計了移動機器人的總體設(shè)計方案，經(jīng)過對比確定了驅(qū)動方式和驅(qū)動配置方案，經(jīng)過功能需求分析確定了機械結(jié)構(gòu)的總體方案、控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計。

第3章移動機器人底盤的運動模型建立移動機器人底盤四輪結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)受力以及速度分解情況如圖3.1所示。圖3.1底盤運動分析圖·(x,y,θ)——坐標(x,y,θ)表示機器人在絕對坐標系中的位置·v1,v2,v3,v4[m/s]——表示輪子的線速度·ω1,ω2,ω3,ω4[rad/s]——表示輪子的角速度·f1,f2,f3,f4[N]——表示輪子受到的牽引力·T1,T2,T3,T4[N·m]——表示輪子受到的力矩·vx，vy[m/s]——表示絕對坐標系下機器人的線速度·v，vn[m/s]——表示相對坐標系下機器人的線速度·ω[rad/s]——表示機器人的角速度·Fx，F(xiàn)y[N]——表示絕對坐標系下機器人受到的牽引力·Fv，F(xiàn)vn[N]——表示相對坐標系下機器人受到的牽引力·T[N·m]——表示機器人受到的力矩3.1移動機器人底盤的運動學求解位于(x,y,θ)的機器人的運動模型公式可以表示為：vxt=dxtdtvyt=dytdtωt=dθtdt將式3-1，式3-2，式3-3結(jié)合為矩陣得到式3-4：XR=vxtv式3-4中的vx(t)、vy(t)可以用v(t)、vn(t)代替表示得到式3-5：X0=vtvnXR與X0之間的關(guān)系又如式3-6所示：XR=cos?(θ(t))-sin?(θ(t))輪子的線速度與機器人線速度之間的關(guān)系為：v1t-v3v2t-v4t其中，d為輪子到底盤中心的距離。假設(shè)各輪子的速度關(guān)系為：v1(t)=-v3v2t=-v4則輪子的線速度與機器人線速度之間的關(guān)系可以表達為：v1tv2t令V=[v1(t)vG=[01/2d/21/20S=X0（由式3.12、3.13、3.14可以得到控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)公式：V=G?S（3.15由式3.6和3.11得到底盤的正運動模型：vxtv在主控系統(tǒng)程序控制機器人速度時，通過正運動學模型公式3.16計算出各輪子的速度，再將各輪子的速度發(fā)布給底層控制系統(tǒng)。3.2移動機器人的動力學分析當移動機器人的加速度過大時，地面的摩檫力小于輪子所需的驅(qū)動力，此時輪子將會與地面發(fā)生相對滑動，出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。因此還需要對移動機器人進行動力學分析，避免打滑發(fā)生。根據(jù)牛頓第二定律可以得到以下公式：M?dv(t)dt=FM?dvn(t)dt=J?dω(t)dt=Tt-·M[kg]——質(zhì)量·J[kg·m2]——轉(zhuǎn)動慣量·FBv,FBvn[N]——v和vn方向的粘性摩擦力·TBω[N·m]——相對于機器人旋轉(zhuǎn)傳動軸的摩擦力力矩·FCv,FCvn[N]——v和vn方向的庫侖摩擦力·TCω[N·m]——相對于機器人旋轉(zhuǎn)傳動軸的庫侖摩擦力力矩粘性摩擦力與機器人的速度成正比：FBv(t)=Bv?v(t)FBvn(t)=Bvn?vTBω(t)=Bω?ω(t)其中Bv，Bvn[N/(m/s)]是v、vn和B方向的粘性摩擦系數(shù)，Bω[N·m/(rad/s)]是粘性摩擦系數(shù)。庫侖摩擦力在幅值上恒定：FCv(t)=Cv?signFCvn(t)=Cvn?sign(vTCω(t)=Cω?sign(ωt其中，Cv，Cvn[N]是V，Vn和C方向的庫侖摩擦系數(shù)，Cω[N·m]是ω的庫侖摩擦系數(shù)。機器人的牽引力和旋轉(zhuǎn)力矩與車輪上的牽引力之間的關(guān)系由下列方程描述：Fvt=f1Fvnt=f2Tt=(f1t將公式3.20、3.21、3.22、3.23、3.24、3.25、3.26、3.27、3.28帶入公式3.17、3.18、3.19得到移動機器人的動力學模型：M?dvtdt=fM?dvntdt=J?dωtdt=PID參數(shù)設(shè)定時將運用式3.29、3.30、3.31所組成的動力學模型進行PID調(diào)節(jié)參數(shù)的設(shè)定，精確速度控制，防止出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。3.3本章小結(jié)本章對移動機器人的底盤進行了力學和速度分析，根據(jù)速度分析，進行了一系列的數(shù)學計算，得到了移動機器人底盤的正運動學模型，為控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了依據(jù)。根據(jù)力學分析，利用牛頓第二定律進行了動力學計算，得到了移動機器人底盤的動力學模型。

第4章機械結(jié)構(gòu)設(shè)計4.1輪胎型號選擇全向輪(omniwheels)是國防科技大學海丹等人的一項發(fā)明專利。全向輪運行時，從動輪之間間隙與地作用的效果相似于汽車輪胎上用來增強摩擦作用的紋理，配合從動輪外表面防滑材料的選擇可以使全向輪抓地性能良好，可適應(yīng)條件較差的地面。全向輪在輪轂齒根部這個薄弱環(huán)節(jié)上設(shè)計了加強筋，使輪子結(jié)構(gòu)更為堅固，從而避免了出現(xiàn)由于運動過程產(chǎn)生扭矩力使輪轂齒根斷裂或損壞的現(xiàn)象，延長了全向輪的使用壽命。除此之外，全向輪安裝簡單，并且轉(zhuǎn)向快速，在相同的規(guī)格下?lián)碛懈玫呢撦d能力。[8]全方位輪通?？梢源笾驴梢苑譃?種類型：一種是單盤的全方位輪，一種是雙排的全方位輪。單盤全方位輪的被動輥的單盤，而雙排的全方位輪被動輥有兩個板塊是相互平行。相比單盤的全方位輪，雙排的全方位輪滾筒之間沒有死區(qū)。根據(jù)設(shè)計要求負載20kg，選擇100mm雙尼龍橡膠Omni輪帶傳動軸承滾輪14041。圖4.1100mm雙尼龍橡膠omni輪參數(shù)如下：表4.1100mm雙尼龍橡膠omni輪參數(shù)凈重320g承重20kg直徑4英寸（100毫米）傳動軸向?qū)挾?5mm板數(shù)2滾筒數(shù)18滾子傳動軸承材料球傳動軸承滾筒直徑19mm單個輪的承重是20kg，則四個輪總共可以承重80kg。4.2電機選擇圖4.2底盤受力情況機器人總量35kg，移動速度v=1.5m/s，底盤車輪的半徑R=0.05m，輪子與地面的摩擦系數(shù)μ=0.4機械傳動效率系數(shù)η取0.8。當機器人勻速移動時：F=μ×m×g=0.4×35×9.8=137.2N（P=F×vη=137.2×1.50.8=257.25W當機器人以a=2.5m/s2的加速度進行加速時：F=μ×m×g+m×a=0.4×35×9.8+35×2.5=224.7N（P=F×vη=224.7×1.50.8醫(yī)院有可能出現(xiàn)一些小坡，假設(shè)坡的角度為15°,此時的受力分析如下圖所示：圖4.3底盤爬坡時受力情況F=m×g×sinα+μ×m×g=225.98NP=F×vη=225.98×綜上所述，機器人所需最大牽引力和最大功率為：Fmax=225.98NPmax=423.71W底盤為四電機驅(qū)動，當θ=45°時，單個電機所需最大牽引力和最大功率為：Fmax，=FmaxPmax,=Pmax所需力矩和轉(zhuǎn)速為：M=Fmax,×Rn=v×602×π×R=574r/min根據(jù)計算結(jié)果，可以選用大疆的M3508電機，在提供足夠功率的同時，體積和重量僅為同級設(shè)備的20%。M3508外徑42mm，總長98mm，最大功率為220W，最大輸出轉(zhuǎn)矩為5N·m，符合要求。配合大疆官方的C620無刷電機調(diào)速器。圖4.4M3508電機和C620電調(diào)4.3零部件設(shè)計4.3.1傳動傳動軸按聯(lián)傳動軸器的效率為0.99計算，傳動軸上的轉(zhuǎn)速：n=574*0.99*0.99≈563r/min（4.13傳動傳動軸所受的功率：P=212*0.99*0.99≈208W（4.14傳動傳動軸所受最大轉(zhuǎn)矩：T=5*0.99*0.99≈4.9N?m根據(jù)《現(xiàn)代機械設(shè)計手冊第2卷》的計算公式4.16，計算出傳動軸的最小直徑：dmin=A其中A0根據(jù)材料決定，傳動軸的材料選用45鋼，A0的取值范圍為126～103，本文選取108，所以最小直徑為：dmin=108×30.208563傳動軸的第一段為傳動軸申，根據(jù)《現(xiàn)代機械設(shè)計手冊第2卷》[10]的設(shè)計尺寸，設(shè)計直徑為16mm，長度為25mm。傳動軸的第二段根據(jù)omni輪的傳動軸承配合設(shè)計為直徑21.8mm，長度6.5mm。傳動軸的第三段根據(jù)聯(lián)傳動軸器連接與omni不干涉原則設(shè)計，直徑為16mm，長度20mm。傳動軸的第四段與聯(lián)傳動軸器采用鍵連接，根據(jù)聯(lián)傳動軸器設(shè)計，直徑14mm，長度27mm。傳動軸的草圖如圖4.5所示。圖4.5傳動軸的零件草圖傳動軸用于連接輪子與電機，所以主要受彎矩，進行彎矩校核：校核傳動軸最細的第四段，彎矩計算公式[10]為：WT=πd3其中b=5,t=3,d=14，則彎矩為：WT=3.14×143傳動軸所受的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為：τT=TWT傳動軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為：τT≤[τ許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力[τT]取值為25-45MPa4.3.2底盤底盤1用于承載電機以及底層的控制系統(tǒng)，底盤2用于承載電池。設(shè)計要求直徑小于50cm，考慮到外殼厚度，初訂底盤直徑450mm。假設(shè)兩個底盤都需要承重20kg，底盤所受壓力為：F=m×g=20×9.8=196N（4.22底盤所受載荷近似均布載荷，所以q=FπR2≈1232Pa底盤為等距實心圓板，受力簡化模型如圖4.6所示。圖4.6底盤受力簡化模型所以底盤所受的最大應(yīng)力和最大位移計算公式是：σmax=1.24m2qωmax=0.696qtEm4其中，m=a/t,t為板厚，在此a=r=250mm；E為彈性模量，Q245R的彈性模量為2.09×1011Pa鋼板的最小厚度為3mm，當t=3mm時，σmax=106MPaωmax=5.94×10-4mm許用應(yīng)力計算公式是：σb=ReLnReL是材料的屈服強度，這里選用Q245R，ReL=245MPa；n為安全系數(shù)，按抗疲勞斷裂計算，選值n=1.5。此時，許用應(yīng)力為：σb=163.3MPa（4.σb圖4.7底盤1靜應(yīng)力分析結(jié)果利用SolidWorks中的SimulationXpress工具對底盤1進行受力分析，結(jié)果如圖4.7所示，所受最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力。圖4.8底盤2尺寸草圖底盤2的結(jié)構(gòu)如圖4.8所示，四個?244.3.3底盤外殼設(shè)計要求直徑小于50cm，外殼直徑選擇500mm，高度300mm。設(shè)計任務(wù)書要求整體載重20kg，加上櫥柜質(zhì)量，估算底盤外殼需要載重22kg，所受壓力為：F=m×g=22×9.8=215.6N（4.底盤外殼所受載荷近似均布載荷，所以q=FπR2≈2746Pa底盤為等距實心圓板，受力簡化模型如圖4.9示。圖4.9底盤受力簡化模型所以底盤所受的最大應(yīng)力和最大位移計算公式是：σmax=0.75m2qωmax=0.171qtEm4其中，m=a/t,t為板厚，在此a=r=250mm；材料選用ABS塑料牌號R-101，ABS綜合性能好，沖擊強度大，剛性、表面光澤性和成形加工性能好，摩擦因數(shù)低，耐磨、耐擦傷性好;易于鍍金屬,性能優(yōu)良；受酯、酮和醛類溶劑侵蝕[9]。E為彈性模量，ABS的彈性模量為2×109Pa。當t=20mm時，σmax=322KPaωmax=1.14×10-2mm許用應(yīng)力計算公式是：σb=ReLnReL是材料的屈服強度，ReL=70MPa；n為安全系數(shù)，按抗疲勞斷裂計算，選值n=1.5。此時，許用應(yīng)力為：σb=46.7MPa（4.37）σb>σ圖4.10底盤外殼靜應(yīng)力分析結(jié)果利用SolidWorks中的SimulationXpress工具對底盤進行靜應(yīng)力分析，如圖4.10所示，模型的最大變形是5.67×10-5mm，滿足變形要求。圖4.11底盤外殼尺寸草圖底部為不干涉輪子，開有四個長為100mm的方形通孔，左邊開槽為放置充電器，右邊開槽為放置激光雷達。4.3.4櫥柜底盤為圓形，為了與底盤配合，存放藥物的櫥柜形狀也設(shè)計為圓形，分為三層，每層之間由四個壓桿連接，每層高度為200mm。按每層的最大負載為10kg計算，有四個壓桿，每個壓桿的受力情況為：F=mg4=10×9.84壓桿的穩(wěn)定條件為：n=Fer/F≥nst其中，nst為壓桿的許用穩(wěn)定安全系數(shù)，金屬結(jié)構(gòu)中的壓桿nst取值范圍為1.8-3.0，此處選取nst=2.0。F為工作應(yīng)力，F(xiàn)er為壓桿的臨界應(yīng)力，中等柔度的壓桿按直線經(jīng)驗公式4.29、4.30[9]計算：σc=a-bλ（Fer=σcA其中，a，b為直線公式系數(shù)，材料為Q245R時，a=30400N·cm-2，b=112N·cm-2。A為壓桿的截面面積。λ為壓桿的柔度即長細比。λ=μl/imin其中，μ為壓桿的長度系數(shù)，兩端固定是μ取0.5。imin為壓桿的最小慣性半徑，此壓桿的橫截面為圓形，所以i=d4（4.由式，計算得，壓桿的最小直徑為：dmin=1.6mm為制造方便，取壓桿的直徑為10mm。每層的板厚與底盤板厚一樣是3mm，強度校核滿足要求，櫥柜的具體尺寸設(shè)計圖如圖4.12所示。圖4.12櫥柜尺寸草圖4.3.5底盤裝配關(guān)系圖4.13底盤裝配圖1圖4.14底盤裝配圖2底盤裝配關(guān)系如圖4.13和圖4.14所示，電機通過支架1螺栓連接固定在底盤1，電機傳動軸通過圓柱銷與聯(lián)傳動軸器相連，聯(lián)傳動軸器再通過傳動軸傳遞動力給Omniwheel。底盤1、底盤2、底盤外殼通過支架2螺釘連接固定。4.4本章小結(jié)本章對移動機器人進行了輪胎的選型，選擇了100mm的omniwheel。根據(jù)計算對電機進行了選型，介紹了傳動軸、底盤、底盤外殼櫥柜的零部件設(shè)計，并對傳動軸、底盤、底盤外殼進行了強度校核。簡單介紹了底盤各零部件的裝配關(guān)系。

第5章控制系統(tǒng)設(shè)計5.1底盤控制硬件系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)第2章總體方案設(shè)計中的控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，設(shè)計了具體的底盤控制系統(tǒng)的電路設(shè)計方案如圖5.1所示。驅(qū)動單元即為驅(qū)動電機的電路；電源單元需要完成電量測量電路、降壓穩(wěn)壓電路；感應(yīng)單元即為測速單元，測量電機轉(zhuǎn)速，還有用于定位的激光雷達傳感器；控制單元主要包括復(fù)制底層控制的MCU和負責主要控制的處理器。圖5.1底盤控制系統(tǒng)電路設(shè)計方案5.1.1控制單元Arduino開發(fā)平臺靈活便捷，有很多實際開發(fā)案例，并且有直接與ROS進行通信的ros_arduino_bridge庫，所以本次設(shè)計采用Arduino平臺進行開發(fā)。Arduino目前主要的開發(fā)板有ArduinoMega2560、ArduinoUno、ArduinoNano三款開發(fā)板。此次設(shè)計需要較大的內(nèi)存和較多的接口，經(jīng)過對比，MCU采用ArduinoMega2560開發(fā)板。ArduinoMega2560開發(fā)板是采用USB接口的核心電路板，具有54路數(shù)字的輸入輸出引腳，滿足了四電機驅(qū)動需要大量IO接口的設(shè)計。圖5.1ArduinoMega2560原理圖樹莓派是2012年由英國劍橋大學埃本·阿普頓發(fā)售的世界上最小的臺式機，擁有電腦的所有功能，但體積卻只有手掌大小，非常適合用來開發(fā)移動機器人。樹莓派已經(jīng)發(fā)布A型、A+型、B型、B+型、2B型、3B型、3B+型、4B型等版本。本文選用樹莓派4B型，搭載1.5GHz的64位四核處理器，4G內(nèi)存，搭載主控程序進行路徑規(guī)劃處理時計算速度較快。圖5.2樹莓派4B實物圖樹莓派與Arduino通過RX、TX引腳連接，進行串口通信。5.1.2驅(qū)動單元開發(fā)板要控制電機的轉(zhuǎn)速需要通過電機驅(qū)動板。初步選定采用L298N電機驅(qū)動模塊。電機的電壓為24V，L298N可以承載的電壓3-46V，可以滿足要求。一個L298N可以控制兩臺電機，本設(shè)計為四驅(qū)動，所以需要兩個L298N模塊。圖5.3L298N電機驅(qū)動模塊實物圖兩個IN引腳接入arduino，來控制電機的轉(zhuǎn)向，使能端用來實現(xiàn)pwm調(diào)速。利用兩個穩(wěn)壓二極管進行直流穩(wěn)壓。圖5.3驅(qū)動模塊電路原理圖5.1.2感應(yīng)單元本文采用霍爾編碼器進行測速，霍爾編碼器安裝在電機底部隨電機一起旋轉(zhuǎn)，編碼器輸出有A、B相，因此不僅可以測量速度還可以辨別方向。編碼器自帶上拉電阻，不需要再上拉電阻。圖5.4測速單元電路原理圖激光雷達，是以發(fā)射激光束探測目標的位置、速度等特征量的雷達系統(tǒng)。激光雷達具有分辨率高、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點，非常適合用于移動機器人的底盤定位。2013年成立的國產(chǎn)品牌思嵐科技目前占領(lǐng)服務(wù)機器人激光雷達70%的市場份額，無論是從價格、壽命還是性能上來說都具有領(lǐng)先優(yōu)勢，本設(shè)計選用思嵐科技的RPLIDARS1激光雷達，測距范圍為40m，掃描頻率9200次/秒。圖5.5思嵐RPLIDARS1激光雷達實物圖5.1.3電源單元整個控制系統(tǒng)需要用到5V和24V兩種電壓，所以要求電源模塊要有降壓功能，機器人還需要能夠感應(yīng)電池的電量，從而進行自動充電，所以電源模塊還需要能夠自動檢測鋰電池的電量。電池的電量檢測需要電池管理芯片來完成，德州儀器生產(chǎn)的BQ40Z50芯片可以實現(xiàn)電池電量的檢測。并且由德州儀器根據(jù)BQ40Z50芯片提出的方案BQ40Z50EVM電路板還擁有電池過壓保護和穩(wěn)壓的功能。圖5.6電池電量測量電路降壓電路采用7805穩(wěn)壓芯片搭建，再用兩個電容進行濾波穩(wěn)壓。圖5.724V-5V降壓電路5.2軟件控制系統(tǒng)設(shè)計5.2.1軟件控制總體方案設(shè)計ROS官方針對Arduino和ROS之間的通信推出了ros_arduino_bridge功能包。根據(jù)ros_arduino_bridge功能包的使用說明[11]設(shè)計了軟件控制總體設(shè)計方案如圖5.8所示。圖5.8軟件控制總體設(shè)計方案5.2.2接口指令主控系統(tǒng)通過ROSArduinoLibrary在串行端口上接受單字母命令，對下位機進行控制與數(shù)據(jù)交，包括獲取比特率、設(shè)置接口模式、輪詢傳感器、更新PID參數(shù)、驅(qū)動電機以及讀取編碼器。這些指令保存在頭文件commands.h中。圖5.9commands.h部分代碼5.2.3主控制文件主控制文件controller是下位機文件主要邏輯的編寫，將電機控制、編碼器控制、PID控制進行整合，并對commands.h中的單字母指令進行定義，編寫邏輯。圖5.10主控制文件部分程序5.2.4電機控制程序電機控制程序主要功能為對L298N的引腳進行初始化定義，進行pwm調(diào)速，提供單個電機調(diào)速函數(shù)和整體調(diào)速函數(shù)。電機控制程序流程圖如圖5.11所示，通過判斷速度的正負來決定電機的正反轉(zhuǎn)。圖5.11電機控制程序流程圖5.2.5編碼器測量程序編碼器測量程序主要實現(xiàn)編碼器引腳初始化、并提供讀取各個編碼器的數(shù)值的函數(shù)、初始化編碼器數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)換編碼器數(shù)值。編碼器程序流程圖如圖5.12所示，在初始化引腳后，讀取編碼器的當前讀書，與上次所保存的編碼器讀數(shù)相減得出編碼器的位移，進而計算出輪子速度。圖5.12編碼器測量程序流程圖5.2.6ROS主控系統(tǒng)軟件設(shè)計根據(jù)第二章的功能分析，仿真要完成實時定位、路徑規(guī)劃、導(dǎo)航的功能。利用ROS提供的功能包[12]，設(shè)計主控系統(tǒng)軟件設(shè)計的方案如圖5.13所示，將以上功能需求分為兩部分，SLAM功能包完成定位和建立地圖，navigation功能包負責導(dǎo)航和路徑規(guī)劃。圖5.13主控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計SLAM是SimultaneousLocalizationandMapping的縮寫，同步定位與建圖。SLAM的主要功能是機器人在未知環(huán)境中從一個未知位置開始移動,在移動過程中根據(jù)位置估計和地圖進行自身定位，同時在自身定位的基礎(chǔ)上建造增量式地圖，實現(xiàn)機器人的自主定位和導(dǎo)航[13]。Gmapping算法是目前應(yīng)用最為廣泛的2DSLAM算法，主要是利用RBRF（Rao-Blackwellizedparticalfilter）方法。Gmapping可以實時構(gòu)建室內(nèi)地圖，在構(gòu)建小場景地圖所需的計算量較小且精度較高[16]。本文采用Gmapping算法。注冊slam_gmapping節(jié)點，初始化激光模型參數(shù)和里程計參數(shù)，訂閱/scan話題，接受激光和里程計數(shù)據(jù)，然后通過tf轉(zhuǎn)換接受到的數(shù)據(jù)，并計算出運動模型和觀測數(shù)據(jù)，更新地圖，然后重新更新接受的數(shù)據(jù)，直至最后完成整個地圖的創(chuàng)建。圖5.14Gmapping算法流程圖SLAM的Gmapping已經(jīng)提前為我們提前構(gòu)建好了地圖，之后需要根據(jù)已有的地圖進行定位導(dǎo)航和路徑規(guī)劃。AMCL是用于2D移動機器人的概率定位系統(tǒng)。它實現(xiàn)了自適應(yīng)（或KLD采樣）蒙特卡洛定位方法，該方法使用粒子過濾器根據(jù)已知地圖跟蹤機器人的姿態(tài)。AMCL通過激光和里程計獲得當前位置odom坐標系，通過tf坐標轉(zhuǎn)換計算出當前位置與地圖坐標系map之間的相對位置關(guān)系，不斷計算并修正轉(zhuǎn)換關(guān)系，最后得到正確的位姿[14-15]。navigation框架中將路徑規(guī)劃分為全局規(guī)劃（globalplanner）、局部規(guī)劃（localplanner）兩個部分。全局規(guī)劃是根據(jù)給定的目標位置進行總體路徑的規(guī)劃，在ROS的導(dǎo)航中，首先會通過全局路徑規(guī)劃，計算出機器人到目標位置的全局路線。局部規(guī)劃是在全局規(guī)劃的路線基礎(chǔ)上，根據(jù)附近的障礙物進行躲避路線規(guī)劃。本文的全局規(guī)劃算法采用navigation框架下的navfn功能包中的A*算法實現(xiàn)，局部規(guī)劃利用base_local_planner包實現(xiàn)。如圖5.15所示，紅色的路徑為A*算法計算得到的全局路徑。綠色的路徑為局部規(guī)劃根據(jù)當前定位給出的路徑。圖5.15rviz中的導(dǎo)航路徑5.3本章小結(jié)本章介紹了底層控制硬件系統(tǒng)總體設(shè)計方案，對控制單元、感應(yīng)單元的元件進行了選型，設(shè)計了電機驅(qū)動單元的電機驅(qū)動電路、感應(yīng)單元的編碼器測速電路、電源單元的電量測量電路和降壓穩(wěn)壓電路。設(shè)計了控制軟件系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，詳細介紹了底層控制軟件的接口文件、頭文件、電機控制程序、編碼器控制程序，對基于ROS平臺的主控軟件進行了設(shè)計仿真。

第6章結(jié)論隨著社會現(xiàn)代化步伐的加快，全球人口老齡化問題成為了主