一种全向移动机器人的实现

一种全向移动机器人

的实现

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机械电子学

学院：机电工程学院

专业：机械设计及理论

班级：研1501 学号：

姓名：鹿昆磊

指导教师：李启光

日期： 2016年5月13日

一种全向移动机器人的设计

摘要:轮式机器人作为移动机器人中的重要分支之一,由于其承载能力强、定位精度高、能源利用率高、控制简单等优点，长久以来一直受到国内外研究人员的关注。移动机器人的研宄涉及到控制理论、计算机技术和传感器技术等多门学科。因此,对轮式移动机器人进行研宄具有一定的意义。本文对四轮独立驱动和转向移动机器人的机械结构设计、运动学以及控制程序设计进行了分析研宄。

关键词：移动机器人；四轮独立驱动和转向；

As one of the important branch of mobile robotics, wheel mobile robot has long been paid attention to by the research people at home and abroad for its high load ability, positioning accuracy, high efficiency, simple control, etc. Mobile robot has close relation to many technologies such as control theory, computer technology, sensor technology, etc. Therefore, research on the mobile robot has important significance.

KEYWORDS: Mobile Robot; Four Wheel Drive and Steering;

0 前言

机器人技术的发展对人类社会产生了深渊的影响。首先,机器人被使用在那控需要重复劳动的场合,它不仅能够很好的胜任人类的工作,还可以更有效、快捷地完成工作任务。其次,在一些危险、有毒等场合,机器人也被用来代替人类去完成相应的工作。最后,机器人被运用在那些人类暂时无法到达的地方,例如深海、空间狭窄等地方。

陆地移动机器人大致分为轮式移动机器人、腿式移动机器人、履带式移动机器人、跳跃式移动机器人等几种。其中轮式移动机器人以其承载能力强、驱动和控制简单、移动方便、定位精准、能源利用率高、现有研宄成果较多等良好的表现更受科研人员热捧,许多科研人员纷纷加入其中作进一步研究、探索。

本文使用45度麦克纳姆轮，四轮独立驱动形式工作，在平面内可以实现3自由度运动，它非常适合工作在空间狭窄、有限、对机器人的机动性要求高的场合中[1]。

1 工作原理

单独的麦克纳姆轮无法实现全方位移动，需要多个( 至少4个) 才能组成全方位移动平台。因此，有必要对全方位移动平进行运动学分析，以便为全方位移动平台控制算法提供理论依据。

图1是一种麦克纳姆轮，典型的采用4个麦克纳姆轮的全方位移动平台如图2所示，图中车轮斜线表示轮缘与地面接触辊子的偏置角度，滚子可以实现2自由度的运动，一个是绕车轴旋转的运动和一个绕滚子轴向的旋转运动。

以移动平台中心O点为原点建立

全局坐标系, 相对地面静止;

是车轮 i中心。在平面上，全方位移动平台具有 3 个自由度，其中心点O

速度车轮绕轮轴转动的角速度是，车轮中心的速度是，辊子速度是。

图1 麦克纳姆轮

图2 典型的全方位移动平台车轮布置图

当电机驱动车轮旋转时，车轮具有2个运动，一是以普通方式沿着垂直于驱动轴的方向前进，二是与地面接触的辊子绕其自身轴线旋转。以轮1为例，车轮中心在全局坐标系中的速度

（1）

另一方面，车轮固接在移动平台上，由全方位移动平台整体速度可得

（2）

由式（1.1）和（1.2）可得

（

3

）对于其他3个车轮可以得到同样的方程组。联立方程组可得如下的关系式：

（4）J为系统逆运动学方程雅克比矩

阵。根据机器人运动学原理，当系统逆运动学雅克比矩阵列不满秩时，系统中存在奇异位形，使系统的运动自由度减少!对于本系统的车轮配置构型，( 角是锐角，因此J矩阵中各元素均不为零，所以总有rank（J）

=3，即该系统总是具有全方位运动的能力!

对于Mecanum四轮全方位运动系统，逆运动学方程J反映4个轮转动角速度与系统中心速度的映射关系，因此逆运动学方程 J的性质也反映了系统的运动特性。

2 车轮速度的控制

2.1 电机速度控制

由式（4）可知，要实现机器人任意方向的运动，就必须控制各个车轮的速度，以下是对4个电机的速度和电流的控制。

随着电子器件的发展,市场上有很多运动控制器,它们不仅可以控制电机的转矩,亦可控制电机的转速(需要配备相应的驱动放大器和编码器)。机器人采用控制电机转速的运动控制器。故可直接由机器人的运动学模型得出控制器,而无需考虑机器人的动力学模型。

图3是L298N驱动模块。ENA是使能端，IN1、IN2是电机速度控制信号输入端，OUT1、OUT2是电机接线端。表格1是输入端与电机运行状态的对应关系图，是对电机转向的控制。

图3 L298N驱动模块

表1 电机运行状态

PWM（Pulse Width Modulation）进