翻譯-全向輪移動機器人的設計和控制

全向輪移動機器人的設計和控制050308225Alex.Wang摘要這篇論文介紹一個全向移動機器人作為教育學習。由于它的全向輪設計，這種機器人擁有有各個方向移動的能力。這篇論文主要提供了一些關于常用的和特殊的車輪設計，以及全向輪機械設計方面和電子控制方法：遠程控制、自動導航尋跡和自動控制的方法。1、引言移動機器人在工業(yè)和技術方面應用的重要性正在日益的增加，在無人監(jiān)控值守、檢查作業(yè)、運輸運送領域已經(jīng)得到了廣泛的應用。一個更加緊俏的市場是移動娛樂機器人的開發(fā)。作為一個全自動的移動機器人，其中一個主要的應用需求是它的空間移動能力，同時能夠避免障礙物并且發(fā)現(xiàn)去下一站的路徑。為了能實現(xiàn)這種任務，能夠引導機器人移動的功能如定位、導航必須為機器人提供他當前位置信息，這就意味著，它要借助于多個傳感器，外部的狀態(tài)參考和算法。為實現(xiàn)移動機器人能夠在狹窄的區(qū)域移動并且避開障礙物，必須具備良好的移動性能并得到正確而巧妙的引導，這些能力主要取決于車輪的設計。關于這方面的研究正在持續(xù)不斷的進行，以改善移動機器人系統(tǒng)的自動導航能力。本篇論文介紹一種全方向的移動機器人作為教育之用。采用特殊的Mecanum輪設計，使這種機器人擁有全部方向的移動能力。論文目前提供一些關于傳統(tǒng)的和特殊的車輪設計、機械結構設計以及電路和控制方法、遠程遙控、線性跟蹤(LINEFOLLOW)、自動控制方面的信息。由于這種機器人的移動能力和它各種控制方法的多樣選擇性，本章中討論的機器人可以作為一個非常有趣的教育性平臺。這篇論文是一項在RoboticsLaboratoryoftheMechanicalEngineeringFaculty,”Gh.Asachi”Iasi理工大學研究成果的總結報告。2、全方向移動能力“全方向”這個術語是用來描述一個系統(tǒng)在任意的環(huán)境結構中立刻向某一方向移動的能力。機器人型運動裝置通常是為在平坦的平面上移動而設計的，運行在倉庫地面、路面、LAKE桌面等。在這種二維的空間，一個物體有三個自由的維度，能夠在各種方向之間轉換并且能夠以物體的重心為中心進行旋轉，但是很多傳統(tǒng)的車輛不能獨立地控制每個方向的度數(shù)。傳統(tǒng)的車輪不能夠向平行于輪軸的方向移動，這種所謂的非完整的限制車輪阻止了車輛使用側向滑動，比如小汽車，向垂直于行駛的方向移動。雖然它能夠在一個二維的空間基本達到每個位置和方向，但需要復雜而巧妙的引導和復雜的路徑來完成。這種情況在人工操作和自動駕駛的車輛上都是存在的。當一個車輛沒有完整性的限制(holonomicconstraints)，它可以在任何方位駛向每一個方向，這種能力就是被廣泛熟知的全向移動能力。全向移動裝置在常規(guī)的(non-holonomic)的平臺上擁有非常大的優(yōu)勢，伴隨像汽車一樣的阿克曼(車)轉向駕駛盤或者不同的駕駛系統(tǒng)，在狹窄的區(qū)域移動。它們可以在狹窄的小道上橫行或斜行、原地轉向或者沿著復雜的軌道移動。這種機器人可以在有固定或者活動的障礙物以及狹窄的小道等復雜環(huán)境中輕松的完成任務，這種環(huán)境通常可以在工廠車間、辦公室、倉庫以及醫(yī)院等地方發(fā)現(xiàn)。靈活的材料處理和運動，加上實時的控制已經(jīng)成為現(xiàn)代制造業(yè)一個基本的部分。自動引導的移動裝置(VGA’S)在靈活的制造系統(tǒng)中用來移動和調(diào)節(jié)部件而得到了廣泛的應用。全向移動裝置發(fā)展的未來是更進一步的提高這種結構的有效性，并且增加一個可以測試車輛特殊的機動性的地面行駛平臺。全向移動裝置根據(jù)移動性能而排列的車輪可以分為兩類:常規(guī)的車輪設計和特殊的車輪設計。三、車輪設計1、傳統(tǒng)的車輪設計傳統(tǒng)的用于擁有全向移動能力的機器人的車輪設計可以分為兩個類型，腳輪(casterwheels)和方向輪(steeringwheels)。與特殊的車輪配置相比，它們擁有更好的路面適應能力并且能更好的承受地面的不規(guī)則(irregularities)。但是，由于他們非完整的特性而并不擁有真正的全向性，因為當遇到沿著一個不連續(xù)的彎道移動時只有很有限的時間讓轉向馬達驅(qū)動車輪以重新適應那個設計好的彎道。在大多數(shù)應用中這個過程通常所需的時間比整車輛的動力學快的多。因此，可以認為他是可以實現(xiàn)零半徑軌跡運行的并且保留了全方位這個術語的稱號。大多數(shù)包含傳統(tǒng)輪子和近似全方位的移動機構，至少是將兩個獨立控制和獨立驅(qū)動的輪子組合在一起的?；顒拥男∧_輪(Castorwheels)或者是傳統(tǒng)的方向輪(steeredwheels)可以用來實現(xiàn)這種近似的全方位移動能力。2、特殊的車輪設計特殊的車輪是基于活動有效的牽引力在一個方向，而允許被動移動在另外一個方向這樣的概念而設計的，因此在擁擠的環(huán)境中擁有了更大的靈活性。這種設計中包含了普通的車輪、Mecanum(Swedish)輪和球形輪這種機械結構。一般的車輪結構在轉向中提供了一種限制性的和非限制性相結合的移動能力。這種機械裝置在車輪的直徑外圍安裝了多個小滾輪，這樣的車輪可以正常的轉動，同時可以在平行于輪軸中心線的方向自由的滾動。車輪可以完成這種動作是因為小滾輪和車輪旋轉時的中心軸線是相垂直安裝的。當兩個或者更多的這種車輪安裝在運載平臺上，他們這種限制性和非限制性相結合的移動為全向移動能力提供了可能。Mecanum(Swedish)輪在設計上和普通的輪子非常的相似，除了它周圍有很多按角度均分鑲嵌鑲嵌的小輪，如圖1所示。這種結構把一部分沿輪子旋轉方向的力轉化成了垂直于輪子旋轉方向的力。這種平臺構造由四個車輪組成，就像一輛小汽車那樣。由于每個輪子不同的旋轉方向和轉速，四個車輪各自受的力所形成的合力是一個矢量，這就為移動裝置轉向任一方向提供了可能。另外一個特殊的車輪設計是球形的車輪機械結構。它使用一個由馬達和變速器驅(qū)動的活動圓環(huán)來通過摩擦力將能量從小滾輪傳遞到球形輪上，這樣球形輪能夠立刻的向某一方向旋轉。

四、MecanumWheel的結構設計更為常見的全方位輪的設計是Mecanum輪,由一個在瑞典AB公司的工程師BengtIlon于1973年發(fā)明。車輪由一個輪軸攜帶一些和輪軸圓周呈45度角的能自由移動的小滾輪組成。小滾輪的軸線和主輪軸線間的夾角理論上可以是任意的值，但是在Swedish輪中通常是呈45度角。邊緣呈一定角度的小滾輪將一部分沿輪子旋轉方向的力轉化成了垂直于輪子旋轉方向的力。根據(jù)各個輪子的旋轉方向和速度，這些力的合力形成了一個新的矢量指向需要的方向，因而能夠讓移動平臺自由地沿著合力矢量方向移動而不需要改變車輪的轉向。圖4-1MecanumWheel小滾輪的形狀正如全方位輪的輪廓在圖1中所示。我們可以通過削割圓柱得到小滾輪的形狀，（具有外部直徑的車輪），在同一個平面里的角度（小滾輪和輪軸線的角度）Y=45°。這種模型符合方程：—X2+V2一R2=0（1）2R是輪子外部的半徑長度。如果小滾輪的長度Lr比輪子的外部半徑R小很多，那么小滾輪的形狀就和一個以2R為半徑的圓環(huán)差不多。為了使輪子的外形輪廓是圓形的，小滾輪的最小數(shù)量應該計算出來（如圖4-2）。

圖4-2輪子的設計參數(shù)根據(jù)圖4-2,如果小滾輪的長度參數(shù)Lr確定了，那么可以得出小滾輪的數(shù)量n,2兀n=（2）平其中:甲=2arcsinLr"2Rsiny)（3）如果我們假設小滾輪的數(shù)量n是知道的，同樣我們可以得出小滾輪的長度:?平二一兀L甲=2arcsinLr"2Rsiny)（3）如果我們假設小滾輪的數(shù)量n是知道的，同樣我們可以得出小滾輪的長度:?平二一兀L=2R蘭2=2RE

rsinysiny（4）輪子的寬度為:?兀sin—l=Lcosy=2R―~—（5）本文中已知7=45°，可得:L=2<2Rsin土（6）l=2Rsin土（7）小滾輪既不具有驅(qū)動能力也沒有感知能力。這種設計的關鍵優(yōu)勢是，盡管單個輪子的轉動只由主輪軸驅(qū)動，每個輪子可以沿著多種軌跡方向伴隨著一些摩擦力實現(xiàn)運動學上的移動而不是僅僅的向前或者向后運動。一個Swedish全方位輪擁有三個方向的自由度，包括輪子的轉動、小滾輪的轉動和伴Activecomponent制hslvstocityActivecomponent制hslvstocityRoller

rvtalicnPaiisivc

<0i7ipoiientTorviewRnlkiincunljct

wiihgreund圖4-3MecanumWheel的自由度五、電子學控制功能設計正如我們前面提到的，可以使用一種命令系統(tǒng)讓這種機器人實現(xiàn)遠程控制，也可以讓它沿著軌跡運動或者使用一種超聲波傳感器自動避讓障礙物實現(xiàn)自動導航。正如我們前面提到的，可以使用一種命令系統(tǒng)讓這種機器人實現(xiàn)遠程控制，也可以讓它沿著軌跡運動或者使用一種超聲波傳感器自動避讓障礙物實現(xiàn)自動導航。圖6-1控制系統(tǒng)為了接收圖6-1中控制系統(tǒng)提供的信號，或者是探測障礙物并且控制馬達運行