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1、全向轮移动机器人的设计和控制050308225 Alex.Wang摘要这篇论文介绍一个全向移动机器人作为教育学习。由于它的全向轮设计，这种机器人拥 有有各个方向移动的能力。这篇论文主要提供了一些关于常用的和特殊的车轮设计，以及全 向轮机械设计方面和电子控制方法：远程控制、自动导航寻迹和自动控制的方法。1、引言移动机器人在工业和技术方面应用的重要性正在日益的增加，在无人监控值守、检查作 业、运输运送领域已经得到了广泛的应用。一个更加紧俏的市场是移动娱乐机器人的开发。作为一个全自动的移动机器人，其中一个主要的应用需求是它的空间移动能力，同时能 够避免障碍物并且发现去下一站的路径。为了能实现这种任务
2、，能够引导机器人移动的功能 如定位、导航必须为机器人提供他当前位置信息，这就意味着，它要借助于多个传感器，外 部的状态参考和算法。为实现移动机器人能够在狭窄的区域移动并且避开障碍物，必须具备良好的移动性能并 得到正确而巧妙的引导，这些能力主要取决于车轮的设计。关于这方面的研究正在持续不断 的进行，以改善移动机器人系统的自动导航能力。本篇论文介绍一种全方向的移动机器人作为教育之用。采用特殊的 Mecanum 轮设计， 使这种机器人拥有全部方向的移动能力。论文目前提供一些关于传统的和特殊的车轮设计、 机械结构设计以及电路和控制方法、远程遥控、线性跟踪(LINE FOLLOW)、自动控制方面的 信息
3、。由于这种机器人的移动能力和它各种控制方法的多样选择性，本章中讨论的机器人可 以作为一个非常有趣的教育性平台。这篇论文是一项在Robotics Laboratory of the Mechanical Engineering Faculty,”Gh. Asachi” Iasi 理工大学研究成果的总结报告。2、全方向移动能力“全方向”这个术语是用来描述一个系统在任意的环境结构中立刻向某一方向移动的能 力。机器人型运动装置通常是为在平坦的平面上移动而设计的，运行在仓库地面、路面 LAKE、 桌面等。在这种二维的空间，一个物体有三个自由的维度，能够在各种方向之间转换并且能 够以物体的重心为中心进行旋
4、转，但是很多传统的车辆不能独立地控制每个方向的度数。传统的车轮不能够向平行于轮轴的方向移动，这种所谓的非完整的限制车轮阻止了车辆 使用侧向滑动，比如小汽车，向垂直于行驶的方向移动。虽然它能够在一个二维的空间基本 达到每个位置和方向，但需要复杂而巧妙的引导和复杂的路径来完成。这种情况在人工操作 和自动驾驶的车辆上都是存在的。当一个车辆没有完整性的限制(holonomic constraints)，它可以在任何方位驶向每一个 方向，这种能力就是被广泛熟知的全向移动能力。全向移动装置在常规的(non-holonomic)的平台上拥有非常大的优势，伴随像汽车一 样的阿克曼(车)转向驾驶盘或者不同的驾驶
5、系统，在狭窄的区域移动。它们可以在狭窄的小 道上横行或斜行、原地转向或者沿着复杂的轨道移动。这种机器人可以在有固定或者活动的 障碍物以及狭窄的小道等复杂环境中轻松的完成任务，这种环境通常可以在工厂车间、办公 室、仓库以及医院等地方发现。灵活的材料处理和运动，加上实时的控制已经成为现代制造 业一个基本的部分。自动引导的移动装置(VGA)在灵活的制造系统中用来移动和调节部 件而得到了广泛的应用。全向移动装置发展的未来是更进一步的提高这种结构的有效性，并且增加一个可以测试 车辆特殊的机动性的地面行驶平台。全向移动装置根据移动性能而排列的车轮可以分为两类 常规的车轮设计和特殊的车轮设计。三、车轮设计1
6、、传统的车轮设计传统的用于拥有全向移动能力的机器人的车轮设计可以分为两个类型，脚轮(casterwheels)和方向轮(steering wheels)。与特殊的车轮配置相比，它们拥有更好的路面适应能力 并且能更好的承受地面的不规则(irregularities)。但是，由于他们非完整的特性而并不拥有 真正的全向性，因为当遇到沿着一个不连续的弯道移动时只有很有限的时间让转向马达驱动 车轮以重新适应那个设计好的弯道 在大多数应用中这个过程通常所需的时间比整车辆的动 力学快的多。因此，可以认为他是可以实现零半径轨迹运行的并且保留了全方位这个术语的 称号。大多数包含传统轮子和近似全方位的移动机构，至
7、少是将两个独立控制和独立驱动的 轮子组合在一起的。活动的小脚轮(Castor wheels)或者是传统的方向轮(steered wheels)可以用 来实现这种近似的全方位移动能力。2、特殊的车轮设计特殊的车轮是基于活动有效的牵引力在一个方向，而允许被动移动在另外一个方向这样 的概念而设计的，因此在拥挤的环境中拥有了更大的灵活性。这种设计中包含了普通的车轮、Mecanum(Swedish)轮和球形轮这种机械结构。一般的车 轮结构在转向中提供了一种限制性的和非限制性相结合的移动能力。这种机械装置在车轮的 直径外围安装了多个小滚轮，这样的车轮可以正常的转动，同时可以在平行于轮轴中心线的 方向自由的
8、滚动。车轮可以完成这种动作是因为小滚轮和车轮旋转时的中心轴线是相垂直安装的。当两个 或者更多的这种车轮安装在运载平台上，他们这种限制性和非限制性相结合的移动为全向移 动能力提供了可能。Mecanum(Swedish)轮在设计上和普通的轮子非常的相似，除了它周围有很多按角度均分 镶嵌镶嵌的小轮，如图1所示。这种结构把一部分沿轮子旋转方向的力转化成了垂直于轮子 旋转方向的力。这种平台构造由四个车轮组成，就像一辆小汽车那样。由于每个轮子不同的 旋转方向和转速，四个车轮各自受的力所形成的合力是一个矢量，这就为移动装置转向任一 方向提供了可能。另外一个特殊的车轮设计是球形的车轮机械结构。它使用一个由马达
9、和变速器驱动的活 动圆环来通过摩擦力将能量从小滚轮传递到球形轮上，这样球形轮能够立刻的向某一方向旋 转。四、Mecanum Wheel的结构设计更为常见的全方位轮的设计是 Mecanum 轮,由一个在瑞典 AB 公司的工程师 Bengt Ilon 于1973年发明。车轮由一个轮轴携带一些和轮轴圆周呈45度角的能自由移动的小滚轮组成。 小滚轮的轴线和主轮轴线间的夹角理论上可以是任意的值，但是在 Swedish 轮中通常是呈 45 度角。边缘呈一定角度的小滚轮将一部分沿轮子旋转方向的力转化成了垂直于轮子旋转 方向的力。根据各个轮子的旋转方向和速度，这些力的合力形成了一个新的矢量指向需要的 方向，因
10、而能够让移动平台自由地沿着合力矢量方向移动而不需要改变车轮的转向。图 4-1 Mecanum Wheel小滚轮的形状正如全方位轮的轮廓在图1 中所示。我们可以通过削割圆柱得到小滚轮的形状，（具有外部直径的车轮），在同一个平面里的角度（小滚轮和轮轴线的角度）Y=45这种模型符合方程：R 是轮子外部的半径长度R2如果小滚轮的长度Lr比轮子的外部半径R小很多，那么小滚轮的形状就和一个以2R为 半径的圆环差不多。为了使轮子的外形轮廓是圆形的，小滚轮的最小数量应该计算出来（如图4-2）。图 4-2 轮子的设计参数根据图4-2,如果小滚轮的长度参数Lr确定了，那么可以得出小滚轮的数量n,2兀n =（2）其
11、中：（L 串二 2arcsin r一（3）（2 R sin y 丿如果我们假设小滚轮的数量n是知道的，同样我们可以得出小滚轮的长度：.甲.兀sinsinL 二 2 R2 二 2 R nr siny siny轮子的宽度为：.兀sinl = L cos y = 2R w rsiny本文中已知Y=45，可得:L = 22 R sin rn4)5)6)兀/ = 2 R sin（7）wn小滚轮既不具有驱动能力也没有感知能力。这种设计的关键优势是，尽管单个轮子的转动只由主轮轴驱动，每个轮子可以沿着多种轨迹方向伴随着一些摩擦力实现运动学上的移动 而不是仅仅的向前或者向后运动。一个 Swedish 全方位轮拥
12、有三个方向的自由度，包括轮子的转动、小滚轮的转动和伴随着垂直于轮面的轴通过与地面的接触点时转动而产生的滑动（如图 4-3）。在全方位轮中， 车轮的速率可以分解为有效活动的方向和被动的方向两个部分。活动有效部分的方向是和与 地面相接触的小滚轮轴线相重合的，而被动部分的方向是和小滚轮的轴线相垂直的。图 4-3 Mecanum Wheel 的自由度五、电子学控制功能设计正如我们前面提到的，可以使用一种命令系统让这种机器人实现远程控制，也可以让它沿着轨迹运动或者使用一种超声波传感器自动避让障碍物实现自动导航。倉能竺sS亘！T 亠nls一;s1 BKXM-K-td HM XX E-K-图 6-1 控制系统为了接收图 6-1 中控制系统提供的信号，或者是探测障碍物并且控制马达运行，基于 PIC16F876 微控制器的芯片主板放置于机器人使用（如图 6-2）。NRF24GJ2DIR. J+5V” . GNUVideo-iinnjrijMecinumWhre：V1pi-TiriiimW hedPrawi/rSiippIv Module占A| 1 户冒f rnnvTlH 一 /or kigk3郎匚科DIR_2MmwiniWh CMAm inwluhlzI 血图 6-2 电子芯片主板
