畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）全向輪機(jī)構(gòu)及其控制設(shè)計(jì)

1、東南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告題目全向輪機(jī)構(gòu)及其控制設(shè)計(jì)mecanum輪的研究與研制機(jī)械工程院（系）機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)學(xué)號(hào) 02001433 學(xué)生姓名指導(dǎo)教師起訖日期設(shè)計(jì)地點(diǎn)摘要隨著機(jī)器人技術(shù)的高速發(fā)展，機(jī)器人已經(jīng)在我們的生產(chǎn)生活中起了非常重要的作用。移動(dòng)機(jī)器人中的全方位輪式移動(dòng)機(jī)器人無(wú)需車(chē)體做出任何轉(zhuǎn)動(dòng)便可實(shí)現(xiàn)任意方向的移動(dòng)，并且可以原地旋轉(zhuǎn)任意角度，運(yùn)動(dòng)非常靈活。在此，本文根據(jù)國(guó)際上流行的麥克納姆（mecanum）輪設(shè)計(jì)方法，對(duì)麥克納姆進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)并設(shè)計(jì)關(guān)鍵零件制作成可全方位移動(dòng)的機(jī)器人，同時(shí)分析其運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)模型，并設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)控制電路控制其運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)表明麥克納姆全向移動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)及

2、轉(zhuǎn)位靈活且不受限于運(yùn)動(dòng)空間，應(yīng)用前景非常廣闊。關(guān)鍵字：全方位輪；麥克納姆輪；移動(dòng)機(jī)器人；全方位移動(dòng)機(jī)器人abstractwith the development of robotics, robots have played an important part in our production area. the omnidirectional wheeled mobile mechanism of all can move in all direction without any rotation, and can rotate any angle at the original poin

3、t flexibly. based on the international design method for mecanum wheel, some parameters are discussed in the paper, and many key components are designed to make into an omnidirectional mobile robot. also its kinematical and dynamical model is analyzed, and the control circuit is made out to correspo

4、nd to the motion. experiments indicated that mecanum the omnidirectional wheeled mobile mechanism moves and rotates smartly without limits to the space, so a widen application future can be expected.keywords: omnidirectional wheel; mecanum wheel; mobile robot; omnidirectional mobile robot目錄摘要iabstra

5、ct ii序言1第一章 全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)的介紹2第二章 麥克納姆輪的原理及結(jié)構(gòu)32.1 單個(gè)輪體運(yùn)動(dòng)原理 32.2 全方位輪協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)原理 3第三章 麥克納姆輪參數(shù)設(shè)計(jì)53.1 輥?zhàn)拥膸缀螀?shù)的公式推導(dǎo) 53.2 輥?zhàn)拥膸缀螀?shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算9第四章 三維造型與零件加工114.1 輥?zhàn)拥脑O(shè)計(jì)加工114.2 輥?zhàn)拥陌惭b輪轂的設(shè)計(jì)加工114.3 全向移動(dòng)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)及裝配12第五章 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型分析135.1 坐標(biāo)系的建立135.2 輪體的雅可比矩陣145.3 復(fù)合方程165.4 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題的解165.5 運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)題的解17第六章 動(dòng)力學(xué)模型分析196.1 復(fù)合系統(tǒng)在固定坐標(biāo)系中的加速度196.2

6、加速度能的計(jì)算216.3 全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程22第七章 四輪協(xié)調(diào)的控制測(cè)試電路257.1 控制電路的方案選擇257.2 控制電路的設(shè)計(jì)25 7.2.1遙控部分的設(shè)計(jì)25 7.2.2 電機(jī)調(diào)速設(shè)計(jì)26 7.2.3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)27第八章 研究總結(jié)與前景展望29鳴謝30參考文獻(xiàn)（references）31附錄序言隨著電子通信與機(jī)電控制等技術(shù)的高速發(fā)展，人們已經(jīng)開(kāi)始并不斷的嘗試將智能機(jī)器或機(jī)器人以及高效率的工具引入我們工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。許多機(jī)、電、計(jì)算機(jī)一體化的新產(chǎn)品誕生，同時(shí)有許多高技術(shù)人才在不斷探索。對(duì)于新型移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人，自從進(jìn)入80年代以來(lái)，人們也廣泛進(jìn)行了研究與探討?，F(xiàn)在，作為移動(dòng)

7、機(jī)器人而開(kāi)發(fā)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)種類(lèi)已相當(dāng)繁多，僅就地面移動(dòng)而言，移動(dòng)機(jī)構(gòu)就有車(chē)輪式、履帶式、腿腳式、軀干式等多種形式。各種移動(dòng)機(jī)構(gòu)可謂各有千秋，適應(yīng)了各種工作環(huán)境的不同要求，但車(chē)輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)顯得尤其突出，逐漸成為機(jī)器人的重要組成部分之一。它的優(yōu)點(diǎn)很多：能高速穩(wěn)定地移動(dòng)、能源利用率高、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、能借鑒日益完善的汽車(chē)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)等等，它的缺點(diǎn)是移動(dòng)場(chǎng)所限于平面。但是，目前機(jī)器人工作的場(chǎng)所幾乎都是相對(duì)平坦的平地，所以從這個(gè)角度講，輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的在大多場(chǎng)合都有較廣的應(yīng)用。對(duì)于普通的輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)彎都需要一定的旋轉(zhuǎn)半徑，在狹小的空間常因無(wú)法橫向移動(dòng)而失去作用，這在一定程度上就限制了輪式機(jī)器人的使用。而

8、全方位輪則無(wú)需車(chē)體做出任何轉(zhuǎn)動(dòng)便可實(shí)現(xiàn)任意方向的移動(dòng)，并且可以原地旋轉(zhuǎn)任意角度，運(yùn)動(dòng)非常靈活，可沿平面上任意連續(xù)軌跡走到要求的位置，成為機(jī)器人中移動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)展的趨勢(shì)。由于輪式全方位輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)靈活方便，故其具有一般的輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)所無(wú)法取代的獨(dú)特特性。在這里我對(duì)全方位輪中極具代表性的麥克納姆輪（本文中若無(wú)特別說(shuō)明全方位輪都指麥克納姆全方位輪）作一些探討。第一章全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)的介紹在移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用中，平面內(nèi)需要三個(gè)坐標(biāo)值來(lái)確定唯一狀態(tài)：其中兩個(gè)坐標(biāo)用于確定機(jī)器人位置（x，y），另外一個(gè)用于確定機(jī)器人的方向（）。全方位移動(dòng)是指移動(dòng)機(jī)構(gòu)在二維平面上從當(dāng)前位置向任意方向運(yùn)動(dòng)的能力。目前我們所見(jiàn)到的絕大多

9、數(shù)的輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)都不是全方位的，具有全方位運(yùn)動(dòng)能力的移動(dòng)機(jī)構(gòu)可以使機(jī)器人更加靈活地運(yùn)動(dòng)。當(dāng)裝有全方位機(jī)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)完美的運(yùn)動(dòng)性能，即能夠在當(dāng)前位置沿著任意方向的路徑移動(dòng)時(shí)，稱(chēng)之為全方位移動(dòng)機(jī)器人。另外，全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)可以對(duì)自己所處的位置進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整，因此在需要精確定位和高精度軌跡跟蹤的時(shí)候也必須使移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有全方位移動(dòng)能力。以下為幾種常見(jiàn)的全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)：1、 圖1-1 全輪轉(zhuǎn)向式全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)。動(dòng)力通過(guò)蝸輪蝸桿5、錐齒輪2使驅(qū)動(dòng)輪1轉(zhuǎn)動(dòng)。操舵由蝸輪蝸桿6、圓柱齒輪4帶動(dòng)輪架旋轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)，整體共裝設(shè)轉(zhuǎn)向電機(jī)兩個(gè)，通過(guò)離合器的適當(dāng)轉(zhuǎn)換可以三種移動(dòng)方式。圖1-1 全輪轉(zhuǎn)向式2、 圖1-2

10、 正交輪式。正交輪也是一種新型全方位輪結(jié)構(gòu)。它除了可以完成360o任意方向的移動(dòng)外，還可以同時(shí)繞一垂直軸進(jìn)行自轉(zhuǎn)。這種正交輪由兩個(gè)各切去一部分球冠的球組成，垂直于被切去球冠并通過(guò)球心有一個(gè)支撐軸，軸固定在一個(gè)框架上，兩個(gè)球的軸互相垂直，其支撐框架也互相垂直。圖1-3 mecanum輪圖1-2 正交輪式3、 圖1-3 mecanum輪即麥克納姆輪，其為瑞典mecanum公司的專(zhuān)利。通過(guò)將多個(gè)（通常是三個(gè)或四個(gè)）mecanum輪以一定的方式組合，可使移動(dòng)機(jī)構(gòu)具備全方位移動(dòng)功能。美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的muir、neuman等人研制出的一臺(tái)具有四個(gè)mecanum輪的全方位移動(dòng)機(jī)器人uranus，該機(jī)器人

11、可靈活地在地面上自主運(yùn)動(dòng)。本文就對(duì)這種機(jī)構(gòu)進(jìn)行探討。第二章麥克納姆輪的原理與結(jié)構(gòu)2.1 單個(gè)輥?zhàn)拥倪\(yùn)動(dòng)原理mecanum外形像一個(gè)斜齒輪，輪齒是能夠轉(zhuǎn)動(dòng)的鼓形輥?zhàn)?，輥?zhàn)拥妮S線與輪的軸線成角度。輥?zhàn)佑腥齻€(gè)自由度，在繞自身轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)又能繞車(chē)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，還能繞輥?zhàn)优c地面接觸點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)。這使得輪體本身也具備了三個(gè)自由度：繞輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和沿輥?zhàn)虞S線垂線方向的平動(dòng)及繞輥?zhàn)优c地面接觸點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，驅(qū)動(dòng)輪在一個(gè)方向上具有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)能力的同時(shí)，另外一個(gè)方向也具有自由移動(dòng)（被動(dòng)移動(dòng)）的運(yùn)動(dòng)特性。輪子的圓周不是由普通的輪胎組成，而是分布了許多小輥?zhàn)?，這些輥?zhàn)拥耐饫€與輪子的理論圓周相重合，并且輥?zhàn)幽茏杂尚D(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪

12、旋轉(zhuǎn)時(shí)，車(chē)輪以普通方式沿著垂直于驅(qū)動(dòng)軸的方向前進(jìn)，同時(shí)車(chē)輪周邊的輥?zhàn)友刂涓髯缘妮S線自由旋轉(zhuǎn)。圖2-1為mecanum輪的各結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參量。圖2-1mecanum輪運(yùn)動(dòng)參量的定義若干個(gè)這種車(chē)輪適當(dāng)?shù)亟M合就可以構(gòu)成在平面上具有三個(gè)自由度（x方向平動(dòng)、y方向平動(dòng)、繞中心垂直軸z的轉(zhuǎn)動(dòng)）的全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)。同時(shí)由于這種結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，其車(chē)輪與地面的有效接觸面積小，使得其有效負(fù)載能力變小，效率變低，輪緣上的小輥?zhàn)右蚴芰Σ缓枚菀啄p，運(yùn)動(dòng)軌跡的精確性也相對(duì)降低，但它的優(yōu)點(diǎn)和設(shè)計(jì)思路還是可取的。2.2 全方位輪協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)原理圖2-2車(chē)輪組合圖上圖為采用全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)的車(chē)輪組合情況，輪中的小斜線表示觸地輥?zhàn)拥妮S

13、線方向，分左旋和右旋兩種。每個(gè)全方位輪都由一臺(tái)直流電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，通過(guò)四個(gè)全方位輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向適當(dāng)組合，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在平面上三自由度的全方位移動(dòng)。由多個(gè)全方位輪以一定的方式組成，運(yùn)動(dòng)十分靈活。下圖為由4個(gè)全方位輪組成的機(jī)器人底座的受力分析圖，其中為輪子滾動(dòng)時(shí)小輥?zhàn)邮艿捷S向的摩擦力；為小輥?zhàn)幼鰪膭?dòng)滾動(dòng)時(shí)受到的滾動(dòng)摩擦力；為各輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。圖2-3組合運(yùn)動(dòng)圖由于各輪都獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，故在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中可以自由地改變方向，正確控制各輪的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，即可實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)功能。若使用普通車(chē)輪，在此情況下，這種組合只能實(shí)現(xiàn)前后的運(yùn)動(dòng)，若要轉(zhuǎn)向，則需要加裝轉(zhuǎn)向輔助輪作為其從動(dòng)輪。但對(duì)于全方位輪來(lái)說(shuō)，其特點(diǎn)就是能產(chǎn)生一

14、個(gè)相對(duì)于輪體的軸向分力，通過(guò)調(diào)整各個(gè)輪子的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，形成一個(gè)與地面固定坐標(biāo)系成一定角度的合力，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)輪系的全方位運(yùn)動(dòng)。對(duì)于上圖的四個(gè)全方位輪的安裝形式，在以上坐標(biāo)系內(nèi)，沿x、x向移動(dòng)時(shí)，四個(gè)車(chē)轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速是相同的；當(dāng)沿y、y向移動(dòng)時(shí)，同側(cè)兩輪相向而動(dòng)，且四個(gè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)速相同。其它形式的運(yùn)動(dòng)，四個(gè)車(chē)輪根據(jù)運(yùn)動(dòng)模型中的轉(zhuǎn)換矩陣來(lái)求得各個(gè)全方位輪的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速。第三章麥克納姆輪參數(shù)設(shè)計(jì)作為機(jī)器人驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，關(guān)鍵是全方位輪的設(shè)計(jì)。mecanum全方位輪的最大特點(diǎn)是在輪子的圓周上均布了一周小輥?zhàn)?，且小輥?zhàn)拥妮S線與輪平面有一定的夾角。因此，全方位輪的幾何設(shè)計(jì)主要有輥?zhàn)映叽缂拜喿诱w結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。3.1輥

15、子的幾何參數(shù)的公式推導(dǎo)圖3-1為麥克納姆輪的小輥?zhàn)拥氖芰η闆r，它的輪緣上的小輥?zhàn)邮切毕蚍植嫉模话闩c輪子軸線呈角。設(shè)小輥?zhàn)铀茌S向摩擦力為，徑向摩擦力為（由于小輥?zhàn)訚L動(dòng)起圖3-1輥?zhàn)邮芰D來(lái)后，所受的滾動(dòng)摩擦一般可以忽略不計(jì)，但此處不能忽略，這一點(diǎn)將在下面加以說(shuō)明），小輥?zhàn)虞S兩端所受的徑向約束反力分別為、。先不考慮，由于小輥?zhàn)有毕蚍植迹喿尤粢a(chǎn)生某一驅(qū)動(dòng)力f，小輥?zhàn)虞S需承受的軸向力。另外，由于結(jié)構(gòu)上的限制，小輥?zhàn)拥闹睆讲豢赡茏龅煤艽螅?這給小輥?zhàn)虞S上軸承的安裝帶來(lái)了很大的困難，能承受軸向力的向心推力球軸承等都無(wú)法使用，而滾針軸承的安裝成了大難題，故只好用小型深溝球軸承代替，這使得小輥?zhàn)虞^容易

16、損壞，承載能力也有所下降。由于輥?zhàn)有毕蚍植迹诖怪庇谳喿虞S的輪子寬度中心的截面上，輪子可以簡(jiǎn)化為如右所示的軸向截面簡(jiǎn)化圖，并不是一個(gè)實(shí)質(zhì)的輪子，由于滾動(dòng)摩擦力很小，輪子能獲得的驅(qū)動(dòng)力將大為減小，故效率降低，承載能力也也有所下降。當(dāng)全方位輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于小輥?zhàn)有毕虿贾?，?dāng)在輪心上加一個(gè)轉(zhuǎn)矩時(shí)，輪子的滾動(dòng)方向不是向前而是偏向小輥?zhàn)虞S的方向，即輪子的滾動(dòng)影響小輥?zhàn)拥臐L動(dòng)；反過(guò)來(lái)，在輪心上給輪子一個(gè)垂直與小輥?zhàn)虞S的推力，使小輥?zhàn)幼黾儩L動(dòng)，則輪子也會(huì)向前滾動(dòng)，總之，輪子的滾動(dòng)和小輥?zhàn)拥臐L動(dòng)并非相互獨(dú)立，而是緊密相關(guān)，相互影響。若將相對(duì)兩輪展開(kāi)，則相當(dāng)于如下所示的情況：圖3-2輥?zhàn)诱归_(kāi)圖及輪軸向截面圖顯然，

17、當(dāng)輪子滾動(dòng)時(shí)，小輥?zhàn)硬⒎羌儩L動(dòng)而是相對(duì)有滑動(dòng)。這將造成一些不利影響，如運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定，運(yùn)動(dòng)軌跡不準(zhǔn)確等。究其最主要根源是在于麥克納姆輪輪緣上的小輥?zhàn)邮切毕蚍植嫉?，故其?yīng)用也有一定的局限性。假設(shè)圖3-3中所示的圓柱是全方位輪的理論設(shè)計(jì)圓柱，曲線ab是輪子滾動(dòng)時(shí)輥?zhàn)优c地面的接觸線。曲線ab是等速螺旋線，曲線ab繞直線ab旋轉(zhuǎn)一周就形成了全方位輪輥?zhàn)拥那妗D3-3輥?zhàn)由蓤D由圖3-3可知： r=kb （3.1）圖3-4輥?zhàn)映叽缙渲?螺旋線繞z軸轉(zhuǎn)角（rad）；r輥?zhàn)虞S線所在圓柱面半徑（mm）；b全方位輪寬度（mm）；由于式（3.1）中k=1，所以有： =b/r (3.2)圖3-4中a、b分別是螺旋線的

18、端點(diǎn)，c是線上任意一點(diǎn)。故三點(diǎn)的坐標(biāo)分別為：a（r，0，0），b（rcos，rsin，r），c（rcos，rsin，r）故有矢量： =p1 p2 p3 （3.3）軸線ab的方向矢量： =r(cos-1) rsin r （3.4）的單位方向矢量：=1 2 3 （3.5）其中 ， ，d=由于c是螺旋線上任意一點(diǎn)，所以可得到輥?zhàn)忧娣匠?，過(guò)程是首先將矢量繞軸矢量旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度后得到矢量：=p p p （3.6）根據(jù)一矢量繞空間一矢量旋轉(zhuǎn)公式得： （3.7）曲線上點(diǎn)c繞軸ab旋轉(zhuǎn)后，得到曲面上點(diǎn)（r+p，p，p）。所以可得到以和為參數(shù)的輥?zhàn)与p參數(shù)曲面方程，簡(jiǎn)單表示如下： （3.8）當(dāng)為常數(shù)時(shí)，含一個(gè)參數(shù)

19、的方程表示的是一個(gè)圓。當(dāng)為常數(shù)時(shí)，含一個(gè)參數(shù)的方程表示的是輥?zhàn)拥囊粭l母線。全方位輪的一些關(guān)鍵幾何參數(shù)：l 輥?zhàn)幼钚《税霃?mm)；l 輥?zhàn)虞喞先我庖稽c(diǎn)相對(duì)于ab的距離及其最大值(mm)和最小值(mm)，由前面的推導(dǎo)知道，輥?zhàn)幼畲蟀霃?；l 輥?zhàn)虞S線與輪子z軸的夾角(rad)；l 輥?zhàn)虞S線與輪子z軸的最小距離(mm)；l 輥?zhàn)拥臄?shù)目n；l 輥?zhàn)拥拈L(zhǎng)度l(mm)；l 輪子的實(shí)際寬度(mm)；l 全方位輪的運(yùn)動(dòng)連續(xù)性比率系數(shù)。由于在設(shè)計(jì)全方位輪時(shí)，機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定了全方位輪的輪寬b和輪的外圓柱半徑r，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，b和r為已知，由此可以得出其他的參數(shù)：a smin和的確定=cos= （3.

20、9），都是單位方向矢量，所以有： cos=3= （3.10）直線ab的方程為： = (3.11)因此有直線上點(diǎn)的坐標(biāo)為： (3.12)令 (3.13)得到： z0= (3.14)輪廓線上任一點(diǎn)到直線ab的距離s： s= (3.15)將z0代入，得： = (3.16)b 的計(jì)算這里的定義為全部輥?zhàn)訁⑴c運(yùn)動(dòng)的接觸線總長(zhǎng)與輪子周長(zhǎng)的比率，稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)連續(xù)性比率系數(shù)。當(dāng)1時(shí)，就可保證輪子的運(yùn)動(dòng)連續(xù)性。根據(jù)定義，可得到： =(-20) (3.17)式中o輥?zhàn)佣它c(diǎn)所對(duì)應(yīng)的角(rad)；c 、min、max的計(jì)算圖3-5計(jì)算圖示=r (3.18)與相對(duì)應(yīng)的x： (3.19)可得： (3.20)設(shè)計(jì)規(guī)定當(dāng) =時(shí)，

21、。因此可以有方程： (3.21)利用牛頓迭代法或matlab計(jì)算可求出0。3.2輥?zhàn)拥膸缀螀?shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算在確定了b, r, l, n后，用matlab編程計(jì)算后（具體程序見(jiàn)附錄一），可以得到各設(shè)計(jì)的輥?zhàn)油廨喞獔D形。取b=56,r=56,l=56,n=9,旋轉(zhuǎn)角度為后，繪制的結(jié)果為（圖中橫軸平行于輥?zhàn)虞S）：圖3-6輥?zhàn)虞喞€根據(jù)結(jié)構(gòu)和尺寸的要求，以及電機(jī)的選取，預(yù)先決定了輪寬b=73，輪的半徑r=56。根據(jù)輥?zhàn)觾啥溯S承選取的尺寸，預(yù)先取一個(gè)，然后利用matlab解方程（或newton迭代法）解出，將代入上式得到初步的值，再根據(jù)取定輥?zhàn)娱L(zhǎng)度的設(shè)計(jì)值。選取輥?zhàn)訑?shù)目時(shí)兼顧了運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性和不發(fā)生運(yùn)動(dòng)干

22、涉，預(yù)選取一個(gè)n，若1，則可以通過(guò)程序得到輥?zhàn)拥妮喞€，在計(jì)算機(jī)中模擬，觀察輥?zhàn)邮欠窀缮妗Ｈ绻麠l件不滿足，則需要變換n，直到兩個(gè)條件都滿足。根據(jù)參考文獻(xiàn)最后選定參數(shù)如下（表3-1）：表3-1輥?zhàn)拥年P(guān)鍵參數(shù)r（mm）b（mm）l（mm）nmin（mm）max（mm）(o)smin（mm）(o)0（mm）b（mm）56735697.9711.4842.9444.5274.6916.871.0240.99第四章三維造型與零件加工本文利用autocad、matlab等軟件及在solidworks中模擬設(shè)計(jì)出mecanum全方位輪，并用軟件輔助關(guān)鍵零件的設(shè)計(jì)加工。4.1輥?zhàn)拥脑O(shè)計(jì)加工設(shè)計(jì)出輥?zhàn)訁?shù)后，本

23、文先用matlab計(jì)算出輥?zhàn)永€上各點(diǎn)值，然后在autocad中用若干段圓弧去近似等速螺線，工程圖中給出各段圓弧的數(shù)控制加工參數(shù)（圓心、半徑、起終點(diǎn)等，見(jiàn)圖4-1a），最后在數(shù)控車(chē)床上加工（輥?zhàn)蛹捌淇臻g布置的模擬見(jiàn)圖4-1b）。 a.多段圓弧近似的等速螺線b.輥?zhàn)涌臻g布置圖圖4-1輥?zhàn)雨嚵袌D輥?zhàn)釉跀?shù)控車(chē)床上編程加工，加工出后以圖4-1b方式安裝在輪轂上。但要注意輥?zhàn)拥陌惭b有左右旋之分（具體體現(xiàn)在輪轂的斜孔空間角度加工上），圖示為左旋即全方位移動(dòng)機(jī)器人的右上角與左下角的輪體輥?zhàn)硬贾梅桨浮?.2 輥?zhàn)拥陌惭b輪轂的設(shè)計(jì)加工本文的理論設(shè)計(jì)難點(diǎn)是輥?zhàn)拥膮?shù)設(shè)計(jì)及加工，但實(shí)際操作中，各參數(shù)涉及的空間角度復(fù)

24、雜，故輪轂的設(shè)計(jì)加工更是難點(diǎn)。輪轂的設(shè)計(jì)加工包括輥?zhàn)影惭b直接影響mecanum輪的運(yùn)動(dòng)精度。參見(jiàn)圖4-2。a.輪轂三維模擬b.輪體安裝圖圖4-2輪轂及輪體安裝圖4.3全向移動(dòng)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)及裝配由于本文的另一目的即是設(shè)計(jì)的mecanum全向輪可以為其他需要全方位移動(dòng)場(chǎng)合提供硬件支持，如導(dǎo)游機(jī)器人、導(dǎo)購(gòu)機(jī)器人、電動(dòng)輪椅、擁擠的倉(cāng)庫(kù)作業(yè)及需要靈活平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)測(cè)量?jī)x器等。只要將本文所設(shè)計(jì)的全方位輪，以一定的數(shù)量（一般為4個(gè)）組合安裝到需全方位移動(dòng)的實(shí)體上，即可使上述的實(shí)體實(shí)現(xiàn)靈活快捷的移動(dòng)。如，可將mecanum全向輪安裝到有自動(dòng)檢驗(yàn)倉(cāng)庫(kù)貨物任務(wù)的機(jī)器人本體上，這樣的機(jī)器人就可在狹小的倉(cāng)庫(kù)中游刃

25、有余的工作。由于本文著重于輪體的設(shè)計(jì)，故設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易的車(chē)體便于安裝測(cè)試電路，三維造型與實(shí)物圖如下：a.三維模擬圖b.實(shí)物圖圖4-2全向移動(dòng)機(jī)器人三維模擬圖與實(shí)物圖全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)好后，只要輔以控制電路及程序算法即可實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng)。具體電路及其控制部分見(jiàn)第七章。上述圖片僅供參考，具體以最終實(shí)物為準(zhǔn)。具體零件設(shè)計(jì)參見(jiàn)附件圖紙。第五章運(yùn)動(dòng)學(xué)模型分析運(yùn)動(dòng)學(xué)建?？梢詮睦碚撋献C明全方位輪是如何協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的全方位運(yùn)動(dòng)的，并且為進(jìn)一步建立動(dòng)力學(xué)模型提供基礎(chǔ)?，F(xiàn)作三個(gè)合理的假設(shè)：1 忽略本體及輥?zhàn)拥娜嵝裕? 忽略工作場(chǎng)地的不規(guī)則，即四個(gè)全方位輪能同時(shí)正常運(yùn)轉(zhuǎn)；3 全方位輪與工作面有足夠大的摩擦力，輪體不存在

26、打滑現(xiàn)象。5.1 坐標(biāo)系建立圖5-1機(jī)器人的坐標(biāo)系上圖為機(jī)器人的坐標(biāo)系。機(jī)器人本體坐標(biāo)系l是動(dòng)坐標(biāo)系，固定于本體幾何中心和本體一起運(yùn)動(dòng)。全局坐標(biāo)系g是固定坐標(biāo)系，固定于工作平面。機(jī)器人的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)也就是坐標(biāo)系l相對(duì)于固定坐標(biāo)系g的運(yùn)動(dòng)。各車(chē)輪與地面的接觸點(diǎn)的坐標(biāo)系為（i1,2,3,4），其坐標(biāo)原點(diǎn)到坐標(biāo)系l各軸的距離分別為s、d、u。所有這些坐標(biāo)系各相應(yīng)坐標(biāo)軸均平行同向，z軸方向符合右手判則。由于輪式移動(dòng)機(jī)器人的輪地面和機(jī)器人地面的關(guān)系式為三維高副連接，存在x方向、y方向平動(dòng)和方向轉(zhuǎn)動(dòng)三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，因坐標(biāo)系的位置在不斷的變化，描述機(jī)器人及其各部件的速度時(shí)需要設(shè)置“瞬時(shí)重合坐標(biāo)系”。設(shè)a的瞬時(shí)

27、重合坐標(biāo)系為，那么與a有相同的方向和位置，但a為動(dòng)系，固定在絕對(duì)坐標(biāo)系g中，相對(duì)于g靜止。在這樣的坐標(biāo)系下描述機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，與機(jī)器人的位置無(wú)關(guān)。所以，對(duì)于每個(gè)動(dòng)坐標(biāo)系l和（i=1,2,3,4），在每一時(shí)刻，都有與之相對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)重合坐標(biāo)系和（i=1,2,3,4）。參量符號(hào)說(shuō)明：小寫(xiě)字母（如a）表示標(biāo)量；帶箭頭的小寫(xiě)字母（如）表示矢量；大寫(xiě)字母（如a）表示矩陣；前上角標(biāo)表示參考坐標(biāo)系，如是矢量在坐標(biāo)系a中的表示；后下角標(biāo)表示矢量或矩陣的坐標(biāo)或元素，如變換矩陣陣表示從坐標(biāo)系b到坐標(biāo)系a的變換，是矢量的元素之一。由于本系統(tǒng)中任何兩個(gè)坐標(biāo)系都不重合，并且各坐標(biāo)系都繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。所以任兩個(gè)坐標(biāo)系都有相對(duì)平動(dòng)

28、位移、和相對(duì)角位移?？梢缘玫?4的變換矩陣：（5.1）由式5.1和圖5-1可得到坐標(biāo)系（i=1,2,3,4）與l的變換矩陣： (5.2)由于各坐標(biāo)系的相應(yīng)坐標(biāo)都平行且同向，所以可得到如上所示的稀疏矩陣，這樣的坐標(biāo)系可以簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。5.2 輪體的雅可比矩陣是車(chē)體的速度在與動(dòng)系l相對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)靜系中的描述，以后在文中，用簡(jiǎn)化表示，其三個(gè)運(yùn)動(dòng)分量、相應(yīng)表示為、。具有三個(gè)自由度的全方位輪i的速度矢量的三個(gè)分量是：輪轉(zhuǎn)速、輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速和觸地點(diǎn)轉(zhuǎn)速。則i=1,2,3,4 。 (5.3)考慮、及轉(zhuǎn)向，由矩陣得到車(chē)輪i的雅可比矩陣表示如下： (5.4)式中車(chē)輪的半徑(mm)；車(chē)輪的滾子半徑(mm)； 輥?zhàn)拥慕嵌?/p>

29、(rad)，當(dāng)時(shí)，為非奇異陣。由于輥?zhàn)咏嵌仁?，的秩?。所以每個(gè)車(chē)輪有三個(gè)自由度。四個(gè)全方位輪分左旋和右旋兩種（，）。其他結(jié)構(gòu)完全相同（r1r2r3r4r，r1r2r3r3r），所以得到各車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)方程：車(chē)輪1：或 (5.5)車(chē)輪2：或 (5.6)車(chē)輪3：或 (5.7)車(chē)輪4：或 (5.8)上面四式中r、r、d、s分別為輪子半徑、滾子半徑、同側(cè)輪距、兩側(cè)輪距。具體尺寸位置參考圖5-1。5.3 復(fù)合方程綜上所述，四個(gè)車(chē)輪復(fù)合的全方位移動(dòng)機(jī)器人本體的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型可表示為： （5.9）即： （5.10）式中i 33的單位矩陣； 一個(gè)123的矩陣； 一個(gè)1212的對(duì)角塊矩陣； 四個(gè)車(chē)輪合成的車(chē)輪的速度矢

30、量。5.4 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題解在給定速度的情況下，由式5-1-8求解得到各車(chē)輪的速度，即為運(yùn)動(dòng)學(xué)的逆問(wèn)題。由前文中的前提假設(shè)，可知全方位車(chē)輪的三個(gè)運(yùn)動(dòng)分量、及是耦合的，所以，在逆問(wèn)題中只要求出可控制的運(yùn)動(dòng)分量，就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人預(yù)定速度的目標(biāo)。將運(yùn)動(dòng)學(xué)方程（式5.10）分解成兩個(gè)部分，可表示為： （5.11）其中：可控制參量；非控制參量；整理（式5.9）如下： （5.12）即： (5.13)其最小二乘解為： () (5.14)由于在本案中四個(gè)全方位輪的轉(zhuǎn)速是由四個(gè)直流電機(jī)分別控制，故轉(zhuǎn)速是可控制運(yùn)動(dòng)分量，、是非控制參量。由此可得到：w (5.15)5.5 運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)題的解本節(jié)討論由車(chē)輪的位置和速度求

31、得車(chē)體的速度，即稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)學(xué)的正問(wèn)題。首先將車(chē)輪速度分為已知和未知兩部分，得： (i=1,2,3,4) (5.16)式中已知速度參量；未知速度參量。變化上式可得： (5.17)即為： (5.18)求出其最小二乘解為： （5.19）化簡(jiǎn)上式可得最小二乘的運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)題解為： (5.20)其中s+d。第六章 動(dòng)力學(xué)模型分析6.1 復(fù)合系統(tǒng)在固定坐標(biāo)系中的加速度加速度的求取涉及到坐標(biāo)系之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，輪地面和機(jī)器人地面坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。換算的最終目的是得到系統(tǒng)質(zhì)心的絕對(duì)加速度，故建立三個(gè)坐標(biāo)系：絕對(duì)靜止坐標(biāo)系，固定于車(chē)體中心上的動(dòng)系，還有與動(dòng)系相對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)靜止坐標(biāo)系，它與絕對(duì)靜止坐標(biāo)系相對(duì)靜止。三個(gè)坐標(biāo)

32、系的各相應(yīng)軸都平行同向，在瞬時(shí)靜止坐標(biāo)系中，動(dòng)系相對(duì)于的速度表示為沿坐標(biāo)軸方向的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)車(chē)體的質(zhì)心是g，其坐標(biāo)為，相應(yīng)的在中有從點(diǎn)指向點(diǎn)g的一常矢量，在坐標(biāo)系中表示為，速度為，加速度為。用，和表示和：由于動(dòng)系相對(duì)于定系不僅有平動(dòng)還有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，所以可以得到： （6.1）由于在坐標(biāo)系中是常矢量，所以在坐標(biāo)系中求導(dǎo)0。故有：0 （6.2）在定坐標(biāo)系中對(duì)其速度求導(dǎo)，得到加速度： （6.3）由于動(dòng)坐標(biāo)系相對(duì)于定坐標(biāo)系有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在時(shí)間內(nèi)，動(dòng)系相對(duì)于定系有相對(duì)位移：v1cos()v2sin()（v1v2v1v2）v1sin()v2cos()（v2v1v2v2） (6.4)又因 (6.5)所以 (6.

33、6) (6.7) (6.8) (6.9) (6.10)式中，在坐標(biāo)軸方向上的分量；，坐標(biāo)系相對(duì)于在坐標(biāo)軸方向上平動(dòng)加速度分量。由于0，故有() （6.11）式(6.11)中所表達(dá)的加速度就是復(fù)合系統(tǒng)本體質(zhì)心的加速度在固定坐標(biāo)系中的平動(dòng)加速度， 是本體相對(duì)于瞬時(shí)靜坐標(biāo)系的平動(dòng)速度和加速度，是本體繞瞬時(shí)靜坐標(biāo)系的z軸的角速度和角加速度。6.2加速度能的計(jì)算利用已知的本體的加速度，可以計(jì)算出本體的加速度能，共包括三個(gè)部分：a. 本體平動(dòng)的加速度能：s1m (6.12)式中m本體的質(zhì)量（kg）。b. 本體轉(zhuǎn)動(dòng)的加速度能：s2i0 (6.13)式中本體繞瞬時(shí)靜坐標(biāo)系的z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kgm）。c. 各車(chē)

34、輪的轉(zhuǎn)動(dòng)加速度能：s3= (6.14)式中各輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。將三部分相加，得到本體加速度能：ss1s2s3 (6.15)整理上式可得矩陣：smq (6.16)其中： (6.17) 6.3 全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程根據(jù)apell方程及式5-2-16易得：+= (6.18)又由動(dòng)力學(xué)中的虛功原理得： = (6.19)因?yàn)?= wt (6.20)故有： =wt (6.21)故本體的動(dòng)力學(xué)方程為： += (6.22)動(dòng)力學(xué)的正問(wèn)題解為： =()* (6.23)動(dòng)力學(xué)的逆問(wèn)題解為： = (6.24)其中 (6.25) (6.26)化簡(jiǎn)可得： (6.27)所以 (6.28)式中：分別為角速度與角加速度；各

35、輪的本體速度；i輪的轉(zhuǎn)矩；小輥?zhàn)酉鄬?duì)x、y、z軸的單位向量；m輪體的質(zhì)量。至此已建立好全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)模型，給出了各參量的明確表達(dá)式，對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)正、逆問(wèn)題求出了解。進(jìn)一步為全方位移動(dòng)機(jī)器人的研究提供理論模型。第七章四輪協(xié)調(diào)的控制測(cè)試電路在所有的全方位輪參數(shù)設(shè)計(jì)完畢后，所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)按一定的加工方法加工好后能否達(dá)到預(yù)期的精度要求。于是，必須設(shè)計(jì)一四輪驅(qū)動(dòng)測(cè)試電路，用以控制全方位移動(dòng)機(jī)器人的四個(gè)輪的直流電機(jī)，進(jìn)而測(cè)試機(jī)器人的移動(dòng)性能。7.1 控制電路的方案選擇麥克納姆全向移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，要根據(jù)移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)控制電路。具體應(yīng)設(shè)計(jì)怎樣的電路，首先要看設(shè)計(jì)的目的。在此，我們?yōu)榱藴y(cè)試麥克納姆全

36、向輪的運(yùn)動(dòng)精度與運(yùn)動(dòng)特性，更主要是為了能通過(guò)控制電路的輔助直觀的理解麥克納姆全方位輪的運(yùn)動(dòng)原理。若要從最終的精確運(yùn)動(dòng)控制角度講，要應(yīng)用性能較好處理器（中級(jí)以上水平絕大多數(shù)采用微機(jī)控制），以及完善的檢測(cè)電路能實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制。由于本處的目的為前者，故這里選用單片機(jī)（mcu）控制實(shí)現(xiàn)的開(kāi)環(huán)應(yīng)用。采用單片機(jī)控制的方案較為簡(jiǎn)單，且調(diào)試容易，易于實(shí)現(xiàn)。7.2 控制電路的設(shè)計(jì)考慮單片機(jī)的成本，開(kāi)發(fā)的容易程度及設(shè)計(jì)的周期，本測(cè)試電路中選用at89c51單片機(jī)作控制器。電機(jī)的控制采用受限單極可逆pwm控制，因全方位輪中用24v直流電機(jī)作驅(qū)動(dòng)，故根據(jù)l298n的參數(shù)（最大驅(qū)動(dòng)電壓vs為46v），可選l298n作

37、驅(qū)動(dòng)芯片。且考慮到要用到pwm調(diào)速（暫用單片機(jī)軟件調(diào)制信號(hào)），故采用1a快速恢復(fù)的續(xù)流二極管in5822。其中還應(yīng)用了一12鍵無(wú)線控制器實(shí)現(xiàn)遙控示教。7.2.1 遙控部分的設(shè)計(jì)本文選用的無(wú)線控制器配以南京某公司的r03bs集成模塊，來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的無(wú)線控制。r03bs接收模塊采用7腳外伸直插式封裝，其中d0、d1、d2、d3為數(shù)據(jù)輸出，gnd電源負(fù)端，5v為電源正端，vt為解碼有效輸出端。其中d0、d1、d2、d3四端口帶輸出自鎖，vt端當(dāng)無(wú)線控制器有按鍵輸入并解碼有效時(shí)輸出高電平“1”。其鍵入與輸出對(duì)應(yīng)表如表7-1。表7-1 無(wú)線控制器的鍵入輸出真值表keypin123456789101112

38、d0101010101010d1011001100110d2000111100001d3000000011111將d0、d1、d2、d3、vt五腳接入單片機(jī)的輸入端。由上述真值表知，可由上述遙控器實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的點(diǎn)動(dòng)或自鎖運(yùn)行。當(dāng)點(diǎn)動(dòng)時(shí)要利用vt腳，而自鎖運(yùn)行只要用d0、d1、d2、d3四端作單片機(jī)的輸入即可。這些通過(guò)軟件編程即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。利用該控制器可以實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)機(jī)器人的前、后、左、右、左前、右前、左后、右后以及原地正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)單控制調(diào)試?？刂破髅姘迳湘I位與移動(dòng)方向?qū)?yīng)：“”（左前行），“”（前行），“”（右前行），“”（左行），“5”（順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)），“6”（右行），“7”（左后行），“8”

39、（后行），“9”（右后行），“11”（逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)），“10”（速度模式選擇）。7.2.2 電機(jī)調(diào)速設(shè)計(jì)直流電機(jī)的調(diào)速有很多種方法，但在此最常用的方法是pwm調(diào)速。pwm（脈寬調(diào)制）信號(hào)如何獲得，大體可分為硬件調(diào)制與軟件調(diào)制。硬件調(diào)制即用pwm發(fā)生模塊（有些型號(hào)的單片機(jī)有pwm口，at89c51中沒(méi)有）產(chǎn)生pwm信號(hào)，軟件調(diào)制即用軟件編程實(shí)現(xiàn)pwm調(diào)速。在此本人選用了后者，51系列單片機(jī)一般內(nèi)部都帶有定時(shí)器，這里就利用at89c51自帶的timer0、timer1來(lái)設(shè)計(jì)pwm調(diào)速。當(dāng)程序不是很復(fù)雜且對(duì)資源利用要求不高時(shí)，這往往是種不錯(cuò)的方法。定時(shí)器t0、t1的工作模式通過(guò)tmod寄存器的m1、m

40、0位來(lái)選擇。當(dāng)m1、m0為0、0時(shí)為定時(shí)器工作于模式0，m1、m0為0、1時(shí)為模式1，m1、m0為1、0時(shí)為模式2，m1、m0為1、1時(shí)為模式3。我們用它的模式2，即m1、m0為1、0，此時(shí)定時(shí)器為8位重裝載的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，tlx溢出時(shí)，thx重裝入。我們可以通過(guò)調(diào)節(jié)thx與tlx的值來(lái)調(diào)制不同頻率的pwm信號(hào)。pwm信號(hào)通過(guò)如下程序?qū)崿F(xiàn)：/pwm信號(hào)的單片機(jī)定時(shí)器調(diào)制方法void pwm(unsigned char p) /p運(yùn)動(dòng)方式選擇tmod=0x02; /定時(shí)器0工作于模式2th0=-2; /低電平時(shí)間tl0=-8;tr0=1;while(1)while(!tf0);tf0=0;swi

41、tch(p)case 0xf4: case 0xf1: case 0xf2: case 0xf6: case 0xfa: case 0xfd: pwm1=pwm2=pwm3=pwm4=0; break;case 0xf8: case 0xf9: pwm2=pwm3=0; break;case 0xfc: case 0xfe: pwm1=pwm4=0; break;while(!tf0);tf0=0;switch(p)case 0xf4: case 0xf1: case 0xf2: case 0xf6: case 0xfa: case 0xfd: pwm1=pwm2=pwm3=pwm4=1; b

42、reak;case 0xf8: case 0xf9: pwm2=pwm3=1; break;case 0xfc: case 0xfe: pwm1=pwm4=1; break;tl0=-8; /高電平時(shí)間if(vt=0) break;tr0=0;則我們可以通過(guò)定時(shí)器的定時(shí)特性來(lái)實(shí)現(xiàn)pwm信號(hào)的調(diào)制，調(diào)整th0、tl0的初值即可獲得不同的pwm信號(hào)。7.2.3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)本文所選用的驅(qū)動(dòng)芯片為l298，l298的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如下：圖7-1l298的結(jié)構(gòu)框圖它可以驅(qū)動(dòng)小于46v電壓的電機(jī)，輸出電流高達(dá)4a，是一種雙通道的全橋驅(qū)動(dòng)芯片（具體電氣參數(shù)見(jiàn)附錄二）。因這里用的是24v直流電機(jī)，故用兩片l2

43、98芯片就可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。只要用單片機(jī)就可協(xié)調(diào)控制四個(gè)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向，即可實(shí)現(xiàn)全方位機(jī)器人的全方位移動(dòng)。l298的驅(qū)動(dòng)電路原理圖設(shè)計(jì)如圖6-2。圖7-2l298的驅(qū)動(dòng)電路圖中的二極管為pwm調(diào)速中所用的快速恢復(fù)的續(xù)流二極管。用74ls04六反器來(lái)實(shí)現(xiàn)圖中的信號(hào)邏輯反向。這樣我們就可以用單片機(jī)控制圖6-2中的pwma、pwmb、方向a、方向b信號(hào)進(jìn)而方便的控制全向移動(dòng)機(jī)器人其中的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。詳細(xì)電路見(jiàn)附錄三。第八章研究總結(jié)與前景展望通過(guò)本文的研究學(xué)習(xí)與實(shí)物的研制調(diào)試，我們可以得出以下幾點(diǎn)：.麥克納姆（mecanum）輪機(jī)構(gòu)相對(duì)其他而言，具有相當(dāng)獨(dú)特的設(shè)計(jì)思想及全新的設(shè)計(jì)理念（我們不僅

44、可以基于簡(jiǎn)單硬件基體上的復(fù)雜控制算法研究，還可以在機(jī)構(gòu)本身上再創(chuàng)新再設(shè)計(jì)）。.mecanum輪機(jī)構(gòu)在平面內(nèi)具有任意方向上的移動(dòng)平穩(wěn)，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活的特點(diǎn)（本文中用相對(duì)簡(jiǎn)單的控制程序已能證明這一點(diǎn)）。.mecanum輪全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制簡(jiǎn)單，只需協(xié)調(diào)控制四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)即可（本文用單片機(jī)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)的移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制）。全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)在許多方面尤其在微型機(jī)器人上應(yīng)用廣泛，如何提高全方位輪的工作效率、承載能力、組合運(yùn)動(dòng)時(shí)的移動(dòng)精度及算法等等，對(duì)促進(jìn)機(jī)器人事業(yè)的發(fā)展具有重要的作用。同時(shí)，由于機(jī)器人是一個(gè)跨學(xué)科，多門(mén)學(xué)科的交叉，所以對(duì)設(shè)計(jì)者研究者提出了很高的要求，這在很大程度上也能開(kāi)拓人的視野

45、與思維。從目前的機(jī)器人的發(fā)展來(lái)看，全方位移動(dòng)機(jī)器人仍有相當(dāng)大的研究前景，只要所有設(shè)計(jì)者與研究者不斷努力，一定可以使機(jī)器人的應(yīng)用前景更可觀。鳴謝這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)算是我的一次艱辛的嘗試與探索。其中雖花費(fèi)了眾多的時(shí)間與汗水，但仍難免會(huì)有很多不足，且其間給老師同學(xué)添了不少的麻煩。所以，在論文結(jié)束之前，我要對(duì)很多在我畢設(shè)過(guò)程中給予幫助的老師與同學(xué)表示感謝。首先向悉心指導(dǎo)我的導(dǎo)師王興松老師表示最誠(chéng)摯的感謝與敬意。他不時(shí)的指點(diǎn)使我少走了很多彎路，也節(jié)省了不少時(shí)間。另外，在設(shè)計(jì)過(guò)程中得到了很多同學(xué)的支持與鼓勵(lì)以及同實(shí)驗(yàn)室同學(xué)的熱心幫助，在此一并表示衷心的感謝。最后也感謝對(duì)論文進(jìn)行評(píng)審的各位老師！ 學(xué)生：石維亮0

46、2001433日期：2005-6-10參考文獻(xiàn)（references）：【1】patrick f.muir and charles p. neuman. kinematic modeling for feedback control of an omnidirectional wheeled mobile robotj.department of electrical and computer engineering the robotics institute carnegie mellon university pittsburgh, pa 15213【2】w.k.loh, k.h.low

47、. mechanical design and kinematic modeling of a singularityless omni-directional wheeled mobile robotj.school of mechanical and production engineering nanyang technological university. y.p.leow singapore institute of manufacturing technology.【3】jae heon chung, byung-ju yi, whee kuk kim, hogil lee. the dynamic modeling and analysis for an omnidirectional mobile robot with three caster wheels. school of electrical engine