翻譯-全向輪移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和控制

全向輪移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和控制050308225Alex.Wang摘要這篇論文介紹一個(gè)全向移動(dòng)機(jī)器人作為教育學(xué)習(xí)。由于它的全向輪設(shè)計(jì)，這種機(jī)器人擁有有各個(gè)方向移動(dòng)的能力。這篇論文主要提供了一些關(guān)于常用的和特殊的車輪設(shè)計(jì)，以及全向輪機(jī)械設(shè)計(jì)方面和電子控制方法：遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)導(dǎo)航尋跡和自動(dòng)控制的方法。1、引言移動(dòng)機(jī)器人在工業(yè)和技術(shù)方面應(yīng)用的重要性正在日益的增加，在無(wú)人監(jiān)控值守、檢查作業(yè)、運(yùn)輸運(yùn)送領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。一個(gè)更加緊俏的市場(chǎng)是移動(dòng)娛樂(lè)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)。作為一個(gè)全自動(dòng)的移動(dòng)機(jī)器人，其中一個(gè)主要的應(yīng)用需求是它的空間移動(dòng)能力，同時(shí)能夠避免障礙物并且發(fā)現(xiàn)去下一站的路徑。為了能實(shí)現(xiàn)這種任務(wù)，能夠引導(dǎo)機(jī)器人移動(dòng)的功能如定位、導(dǎo)航必須為機(jī)器人提供他當(dāng)前位置信息，這就意味著，它要借助于多個(gè)傳感器，外部的狀態(tài)參考和算法。為實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人能夠在狹窄的區(qū)域移動(dòng)并且避開(kāi)障礙物，必須具備良好的移動(dòng)性能并得到正確而巧妙的引導(dǎo)，這些能力主要取決于車輪的設(shè)計(jì)。關(guān)于這方面的研究正在持續(xù)不斷的進(jìn)行，以改善移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的自動(dòng)導(dǎo)航能力。本篇論文介紹一種全方向的移動(dòng)機(jī)器人作為教育之用。采用特殊的Mecanum輪設(shè)計(jì)，使這種機(jī)器人擁有全部方向的移動(dòng)能力。論文目前提供一些關(guān)于傳統(tǒng)的和特殊的車輪設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及電路和控制方法、遠(yuǎn)程遙控、線性跟蹤(LINEFOLLOW)、自動(dòng)控制方面的信息。由于這種機(jī)器人的移動(dòng)能力和它各種控制方法的多樣選擇性，本章中討論的機(jī)器人可以作為一個(gè)非常有趣的教育性平臺(tái)。這篇論文是一項(xiàng)在RoboticsLaboratoryoftheMechanicalEngineeringFaculty,”Gh.Asachi”Iasi理工大學(xué)研究成果的總結(jié)報(bào)告。2、全方向移動(dòng)能力“全方向”這個(gè)術(shù)語(yǔ)是用來(lái)描述一個(gè)系統(tǒng)在任意的環(huán)境結(jié)構(gòu)中立刻向某一方向移動(dòng)的能力。機(jī)器人型運(yùn)動(dòng)裝置通常是為在平坦的平面上移動(dòng)而設(shè)計(jì)的，運(yùn)行在倉(cāng)庫(kù)地面、路面、LAKE桌面等。在這種二維的空間，一個(gè)物體有三個(gè)自由的維度，能夠在各種方向之間轉(zhuǎn)換并且能夠以物體的重心為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，但是很多傳統(tǒng)的車輛不能獨(dú)立地控制每個(gè)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(dòng)，這種所謂的非完整的限制車輪阻止了車輛使用側(cè)向滑動(dòng)，比如小汽車，向垂直于行駛的方向移動(dòng)。雖然它能夠在一個(gè)二維的空間基本達(dá)到每個(gè)位置和方向，但需要復(fù)雜而巧妙的引導(dǎo)和復(fù)雜的路徑來(lái)完成。這種情況在人工操作和自動(dòng)駕駛的車輛上都是存在的。當(dāng)一個(gè)車輛沒(méi)有完整性的限制(holonomicconstraints)，它可以在任何方位駛向每一個(gè)方向，這種能力就是被廣泛熟知的全向移動(dòng)能力。全向移動(dòng)裝置在常規(guī)的(non-holonomic)的平臺(tái)上擁有非常大的優(yōu)勢(shì)，伴隨像汽車一樣的阿克曼(車)轉(zhuǎn)向駕駛盤或者不同的駕駛系統(tǒng)，在狹窄的區(qū)域移動(dòng)。它們可以在狹窄的小道上橫行或斜行、原地轉(zhuǎn)向或者沿著復(fù)雜的軌道移動(dòng)。這種機(jī)器人可以在有固定或者活動(dòng)的障礙物以及狹窄的小道等復(fù)雜環(huán)境中輕松的完成任務(wù)，這種環(huán)境通?？梢栽诠S車間、辦公室、倉(cāng)庫(kù)以及醫(yī)院等地方發(fā)現(xiàn)。靈活的材料處理和運(yùn)動(dòng)，加上實(shí)時(shí)的控制已經(jīng)成為現(xiàn)代制造業(yè)一個(gè)基本的部分。自動(dòng)引導(dǎo)的移動(dòng)裝置(VGA’S)在靈活的制造系統(tǒng)中用來(lái)移動(dòng)和調(diào)節(jié)部件而得到了廣泛的應(yīng)用。全向移動(dòng)裝置發(fā)展的未來(lái)是更進(jìn)一步的提高這種結(jié)構(gòu)的有效性，并且增加一個(gè)可以測(cè)試車輛特殊的機(jī)動(dòng)性的地面行駛平臺(tái)。全向移動(dòng)裝置根據(jù)移動(dòng)性能而排列的車輪可以分為兩類:常規(guī)的車輪設(shè)計(jì)和特殊的車輪設(shè)計(jì)。三、車輪設(shè)計(jì)1、傳統(tǒng)的車輪設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的用于擁有全向移動(dòng)能力的機(jī)器人的車輪設(shè)計(jì)可以分為兩個(gè)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(yīng)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?yàn)楫?dāng)遇到沿著一個(gè)不連續(xù)的彎道移動(dòng)時(shí)只有很有限的時(shí)間讓轉(zhuǎn)向馬達(dá)驅(qū)動(dòng)車輪以重新適應(yīng)那個(gè)設(shè)計(jì)好的彎道。在大多數(shù)應(yīng)用中這個(gè)過(guò)程通常所需的時(shí)間比整車輛的動(dòng)力學(xué)快的多。因此，可以認(rèn)為他是可以實(shí)現(xiàn)零半徑軌跡運(yùn)行的并且保留了全方位這個(gè)術(shù)語(yǔ)的稱號(hào)。大多數(shù)包含傳統(tǒng)輪子和近似全方位的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，至少是將兩個(gè)獨(dú)立控制和獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的輪子組合在一起的?；顒?dòng)的小腳輪(Castorwheels)或者是傳統(tǒng)的方向輪(steeredwheels)可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)這種近似的全方位移動(dòng)能力。2、特殊的車輪設(shè)計(jì)特殊的車輪是基于活動(dòng)有效的牽引力在一個(gè)方向，而允許被動(dòng)移動(dòng)在另外一個(gè)方向這樣的概念而設(shè)計(jì)的，因此在擁擠的環(huán)境中擁有了更大的靈活性。這種設(shè)計(jì)中包含了普通的車輪、Mecanum(Swedish)輪和球形輪這種機(jī)械結(jié)構(gòu)。一般的車輪結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)向中提供了一種限制性的和非限制性相結(jié)合的移動(dòng)能力。這種機(jī)械裝置在車輪的直徑外圍安裝了多個(gè)小滾輪，這樣的車輪可以正常的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)可以在平行于輪軸中心線的方向自由的滾動(dòng)。車輪可以完成這種動(dòng)作是因?yàn)樾L輪和車輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的中心軸線是相垂直安裝的。當(dāng)兩個(gè)或者更多的這種車輪安裝在運(yùn)載平臺(tái)上，他們這種限制性和非限制性相結(jié)合的移動(dòng)為全向移動(dòng)能力提供了可能。Mecanum(Swedish)輪在設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)把一部分沿輪子旋轉(zhuǎn)方向的力轉(zhuǎn)化成了垂直于輪子旋轉(zhuǎn)方向的力。這種平臺(tái)構(gòu)造由四個(gè)車輪組成，就像一輛小汽車那樣。由于每個(gè)輪子不同的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速，四個(gè)車輪各自受的力所形成的合力是一個(gè)矢量，這就為移動(dòng)裝置轉(zhuǎn)向任一方向提供了可能。另外一個(gè)特殊的車輪設(shè)計(jì)是球形的車輪機(jī)械結(jié)構(gòu)。它使用一個(gè)由馬達(dá)和變速器驅(qū)動(dòng)的活動(dòng)圓環(huán)來(lái)通過(guò)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(zhuǎn)。

四、MecanumWheel的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為常見(jiàn)的全方位輪的設(shè)計(jì)是Mecanum輪,由一個(gè)在瑞典AB公司的工程師BengtIlon于1973年發(fā)明。車輪由一個(gè)輪軸攜帶一些和輪軸圓周呈45度角的能自由移動(dòng)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(zhuǎn)方向的力轉(zhuǎn)化成了垂直于輪子旋轉(zhuǎn)方向的力。根據(jù)各個(gè)輪子的旋轉(zhuǎn)方向和速度，這些力的合力形成了一個(gè)新的矢量指向需要的方向，因而能夠讓移動(dòng)平臺(tái)自由地沿著合力矢量方向移動(dòng)而不需要改變車輪的轉(zhuǎn)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(guò)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(gè)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(zhǎng)度。如果小滾輪的長(zhǎng)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(gè)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(yīng)該計(jì)算出來(lái)（如圖4-2）。

圖4-2輪子的設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)圖4-2,如果小滾輪的長(zhǎng)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(shè)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(zhǎng)度:?平二一兀L甲=2arcsinLr"2Rsiny)（3）如果我們假設(shè)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(zhǎng)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(dòng)能力也沒(méi)有感知能力。這種設(shè)計(jì)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是，盡管單個(gè)輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)只由主輪軸驅(qū)動(dòng)，每個(gè)輪子可以沿著多種軌跡方向伴隨著一些摩擦力實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)學(xué)上的移動(dòng)而不是僅僅的向前或者向后運(yùn)動(dòng)。一個(gè)Swedish全方位輪擁有三個(gè)方向的自由度，包括輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)、小滾輪的轉(zhuǎn)動(dòng)和伴Activecomponent制hslvstocityActivecomponent制hslvstocityRoller

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wiihgreund圖4-3MecanumWheel的自由度五、電子學(xué)控制功能設(shè)計(jì)正如我們前面提到的，可以使用一種命令系統(tǒng)讓這種機(jī)器人實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，也可以讓它沿著軌跡運(yùn)動(dòng)或者使用一種超聲波傳感器自動(dòng)避讓障礙物實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)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(jī)器人實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，也可以讓它沿著軌跡運(yùn)動(dòng)或者使用一種超聲波傳感器自動(dòng)避讓障礙物實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航。圖6-1控制系統(tǒng)為了接收?qǐng)D6-1中控制系統(tǒng)提供的信號(hào)，或者是探測(cè)障礙物并且控制馬達(dá)運(yùn)行