王慰軍,楊桂林,張 馳,陳慶盈

(中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所,寧波,315201)

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四輪式全向移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)

王慰軍,楊桂林,張 馳,陳慶盈

(中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所,寧波,315201)

對(duì)幾種全向移動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行綜合比較的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了兩種萬(wàn)向輪.在移動(dòng)機(jī)器人本體上對(duì)這兩種萬(wàn)向輪進(jìn)行合理布局,采用四輪支撐形式,通過(guò)4個(gè)萬(wàn)向輪上的各個(gè)電機(jī)的聯(lián)動(dòng)使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)功能.同時(shí)為了保證各萬(wàn)向輪能對(duì)實(shí)時(shí)路況做到自適應(yīng)調(diào)節(jié),采用懸架結(jié)構(gòu)連接機(jī)器人本體和各個(gè)萬(wàn)向輪.最后對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,得到了各電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速與機(jī)器人運(yùn)行速度的關(guān)系,驗(yàn)證了機(jī)器人的全向移動(dòng)性能以及萬(wàn)向輪布局形式的合理性,為今后的運(yùn)動(dòng)控制和離線編程提供了依據(jù).該移動(dòng)機(jī)器人為需要全向移動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合提供了一種完美的解決方案.

全向移動(dòng); 萬(wàn)向輪; 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析; 齒輪傳動(dòng)

移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)有多種形式,常見(jiàn)的有輪式、腿式、輪腿復(fù)合式等[1].這些移動(dòng)機(jī)器人之中,輪式移動(dòng)機(jī)器人由于設(shè)計(jì)與控制簡(jiǎn)單,尤其適用于在室內(nèi)環(huán)境,因而被廣泛采用.當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人需要在狹窄、擁擠或需要避障的環(huán)境中運(yùn)行時(shí),機(jī)器人的全向移動(dòng)能力就變得至關(guān)重要[2].所謂全向移動(dòng)是指在不改變自身姿態(tài)的前提下,可以沿著平面內(nèi)任意方向運(yùn)動(dòng),從而可以完成直行、側(cè)行、斜行以及原地轉(zhuǎn)向等運(yùn)動(dòng),允許的最小轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)上由于在它的圓周上安裝了一些輥?zhàn)?在運(yùn)行時(shí)和地面的接觸點(diǎn)不連續(xù),容易引起側(cè)滑和噪聲.球形輪的運(yùn)動(dòng)自由度較多,控制起來(lái)較麻煩[4]，因此需尋求另外一種形式的全向輪.考慮到萬(wàn)向輪與地面的接觸點(diǎn)始終連續(xù),因此可以避開(kāi)麥克納姆輪的缺陷，并且它具有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié),控制與實(shí)現(xiàn)起來(lái)較簡(jiǎn)單[5]，所以本文將采用萬(wàn)向輪的形式,通過(guò)設(shè)計(jì)分別能對(duì)輪子滾動(dòng)自由度和轉(zhuǎn)向自由度進(jìn)行控制的兩種萬(wàn)向輪,將這兩種萬(wàn)向輪在機(jī)器人本體上進(jìn)行組合設(shè)置，使得移動(dòng)機(jī)器人具有全向移動(dòng)的能力.

1 全向移動(dòng)輪設(shè)計(jì)

常見(jiàn)的普通萬(wàn)向輪一般具有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié),這兩個(gè)關(guān)節(jié)分別可以繞輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)以及繞垂直軸線轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng).通過(guò)電機(jī)對(duì)各個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)提供動(dòng)力,然后對(duì)該電機(jī)進(jìn)行控制就可以對(duì)該運(yùn)動(dòng)自由度進(jìn)行控制.如果對(duì)一個(gè)萬(wàn)向輪的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)都進(jìn)行控制,這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生耦合,即在轉(zhuǎn)向時(shí)會(huì)產(chǎn)生額外的滾輪滾動(dòng)輸出,造成運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定以及控制困難[6].為了避免這些問(wèn)題,采用對(duì)萬(wàn)向輪的一個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度進(jìn)行控制,另一個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度讓它隨動(dòng),這樣就可以避免兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的耦合.通過(guò)將這兩種萬(wàn)向輪在移動(dòng)機(jī)器人本體上進(jìn)行組合設(shè)置,并將各個(gè)電機(jī)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的全向移動(dòng).為此需要設(shè)計(jì)兩種萬(wàn)向輪：一種是繞輪軸滾動(dòng)的、自由度可控的、繞垂直軸線的運(yùn)動(dòng)自由度隨動(dòng)的萬(wàn)向輪稱(chēng)為驅(qū)動(dòng)萬(wàn)向輪；另一種是繞輪軸滾動(dòng)的自由度可隨動(dòng)的、繞垂直軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度可控的萬(wàn)向輪稱(chēng)為轉(zhuǎn)向萬(wàn)向輪.基本設(shè)計(jì)思路是：一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)把運(yùn)動(dòng)傳遞給滾輪,使它實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)；另一個(gè)轉(zhuǎn)向電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)把運(yùn)動(dòng)傳遞給下部支撐框架，使它帶動(dòng)滾輪實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向.兩種萬(wàn)向輪的具體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

圖1 兩種驅(qū)動(dòng)萬(wàn)向輪結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure chart of the two kinds of powered caster wheel

由圖1可見(jiàn),它在結(jié)構(gòu)上由上部框架和下部轉(zhuǎn)動(dòng)框架以及安裝在它們上面的齒輪、軸承、傳動(dòng)軸、滾輪等零件組成.驅(qū)動(dòng)萬(wàn)向輪的電機(jī)安裝在上框架頂端,可以隨下部轉(zhuǎn)向框架一起轉(zhuǎn)動(dòng).轉(zhuǎn)向萬(wàn)向輪的電機(jī)固定在上框架頂端,無(wú)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng).驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別通過(guò)齒輪1,2,3,4,5把運(yùn)動(dòng)傳遞給滾輪,使它實(shí)現(xiàn)繞輪軸的滾動(dòng).轉(zhuǎn)向電機(jī)分別通過(guò)齒輪1,2,3,4帶動(dòng)下部框架旋轉(zhuǎn),從而使萬(wàn)向輪實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng).設(shè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速為nd,轉(zhuǎn)向電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速為ns,驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)內(nèi)部齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞給滾輪的輸出轉(zhuǎn)速為ndr,轉(zhuǎn)向電機(jī)通過(guò)內(nèi)部齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞給下框架轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為nsk,驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比為id,轉(zhuǎn)向傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比為is,各齒輪的齒數(shù)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(shù).為了增加萬(wàn)向輪的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性,設(shè)置滾輪水平中心軸線相對(duì)于垂直中心軸線的偏置距離e=d/2.

2 全向移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將上述設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)萬(wàn)向輪和轉(zhuǎn)向萬(wàn)向輪在移動(dòng)機(jī)器人本體上進(jìn)行合理布局,為了使機(jī)器人在執(zhí)行轉(zhuǎn)彎時(shí)保持穩(wěn)定,這里采用四輪支撐形式.兩個(gè)驅(qū)動(dòng)萬(wàn)向輪和兩個(gè)轉(zhuǎn)向萬(wàn)向輪沿中心軸線對(duì)稱(chēng)布置,最后設(shè)計(jì)形成的整個(gè)全向移動(dòng)機(jī)器人的外形結(jié)構(gòu)如圖2所示.主體形狀設(shè)計(jì)成正八邊形,內(nèi)部設(shè)置電池、工控機(jī)、控制卡、驅(qū)動(dòng)器、攝像頭等元器件.

全向移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)上主要由本體、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)萬(wàn)向輪、兩個(gè)轉(zhuǎn)向萬(wàn)向輪以及連接本體和各萬(wàn)向輪的懸架結(jié)構(gòu)所組成.因底部采用了四輪布局方式,所以本體與各個(gè)萬(wàn)向輪需要通過(guò)懸架結(jié)構(gòu)連接起來(lái),這樣能保證移動(dòng)機(jī)器人在凹凸不平的路面上行走時(shí)四輪同時(shí)著地,運(yùn)行平移.懸架結(jié)構(gòu)中的彈簧零件能有效減少移動(dòng)機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng),從而降低噪音,并能根據(jù)實(shí)時(shí)路況做到相應(yīng)的自適應(yīng)調(diào)節(jié).各萬(wàn)向輪與主體的連接采用四點(diǎn)支撐兩點(diǎn)導(dǎo)向懸架結(jié)構(gòu).整個(gè)移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)驅(qū)動(dòng)萬(wàn)向輪的電機(jī)(如圖1所示)通過(guò)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn),機(jī)器人的運(yùn)行方向變換由安裝在兩個(gè)轉(zhuǎn)向萬(wàn)向輪上的電機(jī)(如圖1所示)通過(guò)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn).因此可以對(duì)各萬(wàn)向輪上的電機(jī)做運(yùn)動(dòng)控制,通過(guò)各電機(jī)的聯(lián)動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人在不改變自身姿態(tài)的前提下沿著平面內(nèi)任意方向運(yùn)動(dòng),這樣就實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的全向移動(dòng).

圖2 全向移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of chart of the omnidirectional mobile robot

3 全向移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

(5)

(6)

(7)

圖3 移動(dòng)機(jī)器人位姿

Fig.3 Position and orientation of mobile robot

(8)

將式(8)簡(jiǎn)寫(xiě)為

(10)

4 結(jié)論

所設(shè)計(jì)的兩種萬(wàn)向輪通過(guò)組合設(shè)置為移動(dòng)機(jī)器人提供連續(xù)順滑的運(yùn)動(dòng),使得機(jī)器人能在不改變自身姿態(tài)的情況下沿平面內(nèi)任意方向運(yùn)動(dòng),真正實(shí)現(xiàn)了全向移動(dòng)，同時(shí)又避免了采用其他形式的全向輪所帶來(lái)的缺點(diǎn)與不足.通過(guò)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,分析得到了萬(wàn)向輪的控制電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度之間的關(guān)系,驗(yàn)證了機(jī)器人所具備的全向移動(dòng)功能以及4個(gè)萬(wàn)向輪的設(shè)置形式,并為以后機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制以及離線編程提供了依據(jù).設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)萬(wàn)向輪和轉(zhuǎn)向萬(wàn)向輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率高,并且對(duì)載荷的變化不敏感,能為需要全向移動(dòng)的場(chǎng)合提供完美的解決方案.

[1] MUIRP F,NEUMAN C P.Kinematic kodeling of wheeledmobile robots [J].Journal of Robotic Systems,1987,4(2):281-340.

[2] KIMW,YI B,LIM D.Kinematic modeling of mobile robots by transfer method of augmented generalized coordinates [J].Journal of Robotic Systems,2004,21(6):301-322.

[3] SAHAS K,ANGELES J,DARCOVICH J.The design ofkinematicallyisotropic rolling robots with omnidirectional wheels [J].Mechanism and Machine Theory,1995,30(8):1127-1137.

[4] GOSSELIN C,ANGELED J.Angeles.Singularity analysisof closed-loopkinematic chains [J].IEEE Trans.Robot.Automat,1990,6(3):281-290

[5] LI Yuanping.Slip modelling estimationand control of omnidirectional wheel mobile robotswith powered caster wheel [D].Singapore:National University of Singapore,2009.

[6] 曲乃恒,楊桂林,鄭天江.基于解耦式主動(dòng)萬(wàn)向腳輪的全向移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].中國(guó)機(jī)械工程,2015,26(19):2601-2605.

QU Naiheng,YANG Guilin,ZHENG Tianjiang.Design of omnidirectional mobile robot based on decoupling active casters[J].China Mechanical Engineer,2015,26(19):2601-2605.

[7] 曹其新.張蕾.輪式自主移動(dòng)機(jī)器人[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2012.

CAO Qixin,ZHANG Lei.Wheeled autonomous mobile robot[M].Shanghai:Shanghai Jiaotong University Press,2012.

[8] APPALA T,GHOSAL A.A mobile robot with a two-degree-of-freedom suspension fortraversing uneven terrain with minimal slip:Modeling,simulation and experiments[J].Mechanism and Machine Theory,2015,93(11):83-97.

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