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作者:許博爾(2007-02-28);推薦:徐業良(2009-05-06)

遠端臨場機器人之全向輪行走平台組裝與測試

本文將介紹第六代遠端臨場機器人(Telepresence Robot for Interpersonal Communication, TRIC)之全向輪(Omni-directional wheel)行走平台組裝與測試的詳細流程,包括全向輪行走平台的尺寸規格、所需材料、組裝方式、以及全向輪行走平台的控制和測試。

1.     全向輪行走平台規格與所需材料

1.1  全向輪行走平台原理簡介

全向輪行走平台是以三輪驅動,與一般差速轉向相較,有無迴轉半徑和可朝任何方向行走等優點,而缺點則是控制較為困難。圖1為全向輪行走平台示意圖,為求控制上的便利,三輪的夾角均為120度,且至圓心的距離均等長,利用基本運動學原理可推得全向輪行走平台運動之三輪速度關係。沿著Y方向行走時三輪之速度關係如式(1)

        ,                                                                                    (1)

沿著X方向行走時三輪之速度關係如式(2)

                                                                                             (2)

原地旋轉時三輪之速度關係如式(3)

                                                                                                    (3)

1. 全向輪行走平台原理示意圖

1.2  全向輪行走平台規格

全向輪行走平台的材料除擴充層為透明壓克力以方便施工外,其餘均為鋁合金材料,而該結構可分為兩層(圖2),分別是底盤與擴充層,底盤裝載有驅動馬達、輪軸、全向輪、電池、與控制全向輪行走平台的PIC_PROTO,同時具支撐架,支撐其上的擴充層。尺寸方面,底盤與擴充層的半徑皆為125mm,全向輪安裝後整體半徑增至169mm(圖3),整體高度則為165mm,其中輪胎半徑為25mm。馬達是採用12V的直流馬達,其詳細規格如表1

1. 12V直流馬達規格表

減速比

定格扭力

定格轉速

定格電流

無負荷轉速

重量

1/100

4kg-cm

51rpm

mA

60rpm

126g

2. 全向輪行走平台結構等角視圖

3. 全向輪行走平台上視圖

1.3  全向輪行走平台所需材料

2為全向輪行走平台組裝所需之材料表、表3則是全向輪行走平台之材料。一般採買螺絲時需告知商家螺絲直徑與長度,而電池的購買除需注意其形式(如鉛酸、鋰鐵等)外,也需注意其電壓與電容量,電池的容量單位一般為安培小時(Ah),以表列電池容量4Ah為例,代表該電池以4安培放電能夠持續1小時,另外充電電池亦常以C-rate值來表示其充放電電流大小,1C所代表的電流即為電池之容量,若一電池容量為4Ah放電電流為1C,表示電池以4A電流放電一小時,若為2C時表示電池以8A的電流放電半小時。

除備妥表2之材料外,亦須配合工具1.5號與4號內六角板手及十字螺絲起子方可開始組裝,下段即針對組裝流程進行詳細說明。

2. 全向輪行走平台組裝所需之材料表

螺絲

名稱

代號

圖示

規格

數量

半圓頭內六角螺絲

S10

M610

6

銀白色

S12

M612

3

半圓頭內六角螺絲

S16

M616

6

內六角螺絲

SS10

M610

4

十字盤頭機牙螺絲

S3

M35

6

止付螺絲

 

S_5

 

M35

9

止付螺絲

S_10

M310

6

螺帽

 

M6

4

墊片

 

內直徑6mm,外直徑19mm

3

3. 全向輪行走平台之材料

全向輪行走平台之材料

名稱

代號

圖示

規格

數量

擴充層

 

直徑250mm,透明壓克力

1

支撐架

 

200mm

3

底盤

 

直徑250mm

1

連結座

 

 

3

輪軸

 

40mm

 

馬達

 

60rpm4kg-cm

3

全向輪

 

外直徑50mm

3

鉛酸電池

 

12V4Ah

1

PIC_PROTO

 

 

1

2.     全向輪行走平台組裝流程

本節將依序分為本體結構(底盤、支撐架、擴充層)組裝及動力源(直流馬達、輪軸、全向輪、電池)組裝進行組裝流程說明。

2.1 本體結構組裝

如圖4所示,將支撐架、底盤、連結座疊合後,以2支半圓頭內六角螺絲S10R1R2鎖定,其餘兩處也依序鎖上,接著再將擴充層由R3R42支半圓頭內六角螺絲S12鎖上。假使支撐架、底盤、連結座於鎖定之過程中無法完全密合時,可旋轉支撐架或連結座(無法密合處)使其密合後,再繼續鎖緊。需注意的是全向輪行走平台內所有的內六角螺絲均用4號內六角板手完成鎖緊之動作。

4. 本體結構組裝示意圖

2.2 動力源組裝

組裝馬達之前,請分別先將4支內六角螺絲SS104個螺帽鎖於底盤上的長條型滑軌上,之後將電池平放於四組內六角螺絲之間,調整位置並加以固定;注意初始將SS10與螺帽鎖於滑軌上時不必鎖緊,可方便調整位置,而位置調整完畢需固定時,可先固定三處SS10之位置,之後再將電池裝上以最後一處鎖緊即可(圖5)。

5. 電池固定螺栓

完成電池固定後,即可鎖固馬達與連結座,馬達與連結座之相對位置為傳動軸較靠近地面,如圖6所示。

6. 傳動軸與連結座之相對位置

最後,以止付螺絲S_5鎖入輪軸孔R5中並露出部分(作為插銷,約2mm),如圖7,若不確定露出之部分是否足夠卡住全向輪帶動其旋轉,可於鎖入R5後,將全向輪套入測試。

7. 輪軸之插銷

在鎖入R6前,先將輪軸套入馬達之傳動軸,且鎖入R6之止付螺絲S_5需固定於傳動軸的平面上(圖8),而後以S_10鎖入R7R8中,加強輪軸與傳動軸的固定。特別提醒在進行輪軸與傳動軸固定時,必須小心止付螺絲崩牙。

8. 輪軸與傳動軸固定

完成輪軸與傳動軸的固定後,把全向輪套入,再將S12結合墊片鎖於R10上(圖9),如此將三輪之輪軸、傳動軸、全向輪依序固定及完成全向輪行走平台的整體組裝,如圖10

9. 全向輪組裝

10. 全向輪行走平台組裝完成圖

3.     全向輪行走平台測試流程

本節敘述全向輪行走平台組裝完成後之測試,測試項目包含有前進、水平左右移動、旋轉30度等項目。全向輪行走平台是由PIC_PROTO為控制核心,其功能相似於PIC_SERVER,但無網路功能,因此透過PIC_PROTO4組馬達驅動埠即可控制全向輪行走平台。

11PIC_PROTO前段的程式碼,1~21行為馬達PWM控制與I2C初始化設定,其詳細內容可參考「PIC_SERVER教材(4)—近端馬達控制」和「PIC_SERVER教材(14)PIC單晶片I2C通訊簡介與實例」,其中馬達PWM控制的部份可參考ex_8_pwm_motor(路徑為C:\YZ_PIC\Samples\Beginner\ex_8_pwm_motor),36~53行則是馬達行走控制的副程式,其控制原理乃由第一段所推得之3個式子。

11. PIC_PROTO程式碼前段

12PIC_PROTO的主程式碼與I2C接收程式碼,130~171用於I2C接收與呼叫驅動馬達之副程式,全向輪行走平台可前進、後退、向右平移、向左平移、與旋轉45度,而主程式173~182行的功能則在等待I2C命定的下達。

在測試時,需注意馬達驅動IC(L293D)之溫度,必要時可加裝風扇協助散熱,且不可將PIC_PROTO直接至於底盤上,須於其底部加裝絕緣層,以防短路。

12. PIC_PROTO程式碼後段