四輪式全向移動機器人設計

王慰軍,楊桂林,張 馳,陳慶盈

(中國科學院寧波材料技術與工程研究所,寧波,315201)

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四輪式全向移動機器人設計

王慰軍,楊桂林,張 馳,陳慶盈

(中國科學院寧波材料技術與工程研究所,寧波,315201)

對幾種全向移動機構進行綜合比較的基礎上設計了兩種萬向輪.在移動機器人本體上對這兩種萬向輪進行合理布局,采用四輪支撐形式,通過4個萬向輪上的各個電機的聯動使機器人實現全向移動功能.同時為了保證各萬向輪能對實時路況做到自適應調節,采用懸架結構連接機器人本體和各個萬向輪.最后對移動機器人進行運動學分析,得到了各電機輸入轉速與機器人運行速度的關系,驗證了機器人的全向移動性能以及萬向輪布局形式的合理性,為今后的運動控制和離線編程提供了依據.該移動機器人為需要全向移動的應用場合提供了一種完美的解決方案.

全向移動; 萬向輪; 運動學分析; 齒輪傳動

移動機器人的移動機構有多種形式,常見的有輪式、腿式、輪腿復合式等[1].這些移動機器人之中,輪式移動機器人由于設計與控制簡單,尤其適用于在室內環境,因而被廣泛采用.當移動機器人需要在狹窄、擁擠或需要避障的環境中運行時,機器人的全向移動能力就變得至關重要[2].所謂全向移動是指在不改變自身姿態的前提下,可以沿著平面內任意方向運動,從而可以完成直行、側行、斜行以及原地轉向等運動,允許的最小轉彎半徑為零.目前所普遍采用的全向輪有麥克納姆輪和球形輪[3].麥克納姆輪結構上由于在它的圓周上安裝了一些輥子,在運行時和地面的接觸點不連續,容易引起側滑和噪聲.球形輪的運動自由度較多,控制起來較麻煩[4]，因此需尋求另外一種形式的全向輪.考慮到萬向輪與地面的接觸點始終連續,因此可以避開麥克納姆輪的缺陷，并且它具有兩個運動關節,控制與實現起來較簡單[5]，所以本文將采用萬向輪的形式,通過設計分別能對輪子滾動自由度和轉向自由度進行控制的兩種萬向輪,將這兩種萬向輪在機器人本體上進行組合設置，使得移動機器人具有全向移動的能力.

1 全向移動輪設計

常見的普通萬向輪一般具有兩個運動關節,這兩個關節分別可以繞輪軸轉動以及繞垂直軸線轉向運動.通過電機對各個運動關節提供動力,然后對該電機進行控制就可以對該運動自由度進行控制.如果對一個萬向輪的兩個運動關節運動都進行控制,這兩個運動就會產生耦合,即在轉向時會產生額外的滾輪滾動輸出,造成運動不穩定以及控制困難[6].為了避免這些問題,采用對萬向輪的一個運動自由度進行控制,另一個運動自由度讓它隨動,這樣就可以避免兩個運動的耦合.通過將這兩種萬向輪在移動機器人本體上進行組合設置,并將各個電機進行聯動，就可以實現機器人的全向移動.為此需要設計兩種萬向輪：一種是繞輪軸滾動的、自由度可控的、繞垂直軸線的運動自由度隨動的萬向輪稱為驅動萬向輪；另一種是繞輪軸滾動的自由度可隨動的、繞垂直軸線轉動的自由度可控的萬向輪稱為轉向萬向輪.基本設計思路是：一個驅動電機通過齒輪傳動系統把運動傳遞給滾輪,使它實現滾動；另一個轉向電機通過齒輪傳動系統把運動傳遞給下部支撐框架，使它帶動滾輪實現轉向.兩種萬向輪的具體結構圖如圖1所示.

圖1 兩種驅動萬向輪結構圖Fig.1 Structure chart of the two kinds of powered caster wheel

由圖1可見,它在結構上由上部框架和下部轉動框架以及安裝在它們上面的齒輪、軸承、傳動軸、滾輪等零件組成.驅動萬向輪的電機安裝在上框架頂端,可以隨下部轉向框架一起轉動.轉向萬向輪的電機固定在上框架頂端,無相對轉動.驅動電機分別通過齒輪1,2,3,4,5把運動傳遞給滾輪,使它實現繞輪軸的滾動.轉向電機分別通過齒輪1,2,3,4帶動下部框架旋轉,從而使萬向輪實現轉向運動.設驅動電機輸入轉速為nd,轉向電機輸入轉速為ns,驅動電機通過內部齒輪傳動系統傳遞給滾輪的輸出轉速為ndr,轉向電機通過內部齒輪傳動系統傳遞給下框架轉向時的轉動速度為nsk,驅動傳動系統的傳動比為id,轉向傳動系統的傳動比為is,各齒輪的齒數為zj,j=1,2,…,5.最終可得

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：d為滾輪直徑；z1,z2,z3,z4,z5分別為齒輪1，2，3，4，5的齒數.為了增加萬向輪的運動穩定性,設置滾輪水平中心軸線相對于垂直中心軸線的偏置距離e=d/2.

2 全向移動機器人結構設計

將上述設計的驅動萬向輪和轉向萬向輪在移動機器人本體上進行合理布局,為了使機器人在執行轉彎時保持穩定,這里采用四輪支撐形式.兩個驅動萬向輪和兩個轉向萬向輪沿中心軸線對稱布置,最后設計形成的整個全向移動機器人的外形結構如圖2所示.主體形狀設計成正八邊形,內部設置電池、工控機、控制卡、驅動器、攝像頭等元器件.

全向移動機器人結構上主要由本體、兩個驅動萬向輪、兩個轉向萬向輪以及連接本體和各萬向輪的懸架結構所組成.因底部采用了四輪布局方式,所以本體與各個萬向輪需要通過懸架結構連接起來,這樣能保證移動機器人在凹凸不平的路面上行走時四輪同時著地,運行平移.懸架結構中的彈簧零件能有效減少移動機器人在運行過程中的振動,從而降低噪音,并能根據實時路況做到相應的自適應調節.各萬向輪與主體的連接采用四點支撐兩點導向懸架結構.整個移動機器人的運動由兩個驅動萬向輪的電機(如圖1所示)通過齒輪傳動系統來實現,機器人的運行方向變換由安裝在兩個轉向萬向輪上的電機(如圖1所示)通過齒輪傳動系統來實現.因此可以對各萬向輪上的電機做運動控制,通過各電機的聯動就可以實現移動機器人在不改變自身姿態的前提下沿著平面內任意方向運動,這樣就實現了機器人的全向移動.

圖2 全向移動機器人結構圖Fig.2 Structure of chart of the omnidirectional mobile robot

3 全向移動機器人運動學分析

(5)

(6)

(7)

圖3 移動機器人位姿

Fig.3 Position and orientation of mobile robot

(8)

將式(8)簡寫為

(10)

4 結論

所設計的兩種萬向輪通過組合設置為移動機器人提供連續順滑的運動,使得機器人能在不改變自身姿態的情況下沿平面內任意方向運動,真正實現了全向移動，同時又避免了采用其他形式的全向輪所帶來的缺點與不足.通過對移動機器人建立運動學模型,分析得到了萬向輪的控制電機輸入轉速與機器人運動速度之間的關系,驗證了機器人所具備的全向移動功能以及4個萬向輪的設置形式,并為以后機器人的運動控制以及離線編程提供了依據.設計的驅動萬向輪和轉向萬向輪結構簡單、傳動效率高,并且對載荷的變化不敏感,能為需要全向移動的場合提供完美的解決方案.

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Four-wheel omnidirectional mobile robot design

WANG Wei-jun,YANG Gui-lin,ZHANG Chi,CHEN Qing-ying

(Ningbo Institute of Material and Engineering Technology,Chinese Academy of Science, Ningbo 315201，China)

Based on the comparisons among several omnidirectional mechanisms, two types of universal wheelsare first designed. By configuring wheels on mobile robots, the omnidirectional mobile function is then realized via four-wheel supporting and motor collaboration. To ensure the adaptive adjustment on real traffic conditions, the robot body is next connected with universal wheelsthrough a suspension structure. Finally, the kinematic analysis is employed for the relationship between motor input rotaryspeeds and robot motion speeds. Therein, it is verified that the rationality of robot performance and wheel configuration is proven to set a reference to movement control and off-line programming solutions.

omnidirectional movement; universal wheel; kinematic analysis; geartransmission

王慰軍(1981-),男,工程師.E-mail:1473315071@qq.com

TP 242.6

A

1672-5581(2016)04-0327-05