莫然+張進(jìn)+高淑芝

摘 要：設(shè)計(jì)了一種基于麥克納姆輪的全向移動(dòng)自主機(jī)器人，以2016年全國大學(xué)生機(jī)器人大賽為背景，研究了基于麥克納姆輪的四輪式全方位移動(dòng)機(jī)器人，并設(shè)計(jì)了基于ROS機(jī)器人系統(tǒng)的全方位移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)，并圍繞移動(dòng)機(jī)器人定位和軌跡跟蹤算法進(jìn)行了深入研究。測試結(jié)果表明，麥克納姆輪更加適應(yīng)SLAM導(dǎo)航系統(tǒng)，在測試結(jié)果中機(jī)器人可以自主建圖導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)了全向移動(dòng)自主機(jī)器人的功能。

關(guān)鍵詞：麥克納姆輪；全向移動(dòng)；機(jī)器人

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.204

自主全方位移動(dòng)機(jī)器人作為一類典型的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，具有平面內(nèi)完全的3個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)任意時(shí)刻任意方向的自由運(yùn)動(dòng)[2]，因此全方位移動(dòng)機(jī)器人非常適合工作在空間狹小、對機(jī)動(dòng)性能要求高的復(fù)雜環(huán)境。目前，全方位移動(dòng)機(jī)器人主要采用全向輪來實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)，一般常用的全向輪有麥克納姆輪、Grabowiecki輪、球形輪等。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，這些全向輪已被廣泛應(yīng)用于軍事和工業(yè)的許多方面

1 全向機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)

機(jī)器人底盤機(jī)械的設(shè)計(jì)采用四輪驅(qū)動(dòng)麥克納姆輪的方式，但在平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)如何保證四點(diǎn)都著地的問題。如果四輪中有驅(qū)動(dòng)輪與地面接觸不好，容易出現(xiàn)打滑、空轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，影響控制精度。雖然可以在機(jī)器人組裝后進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，但效果難以保證。而且由于機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)考慮到室外應(yīng)用的要求，機(jī)器人底盤的結(jié)構(gòu)必須在較差的地面上仍然保證與地面的良好接觸，簡單平面組裝的方法顯然不能滿足要求。

在本研究初期，采用大疆創(chuàng)新研發(fā)的麥克納姆輪底盤，其使用了獨(dú)立彈性懸掛法，用避震器將輪組與上部車板連接，這樣不僅增強(qiáng)了底盤運(yùn)行的穩(wěn)定性，減少底盤運(yùn)動(dòng)時(shí)引起的車體振動(dòng)，而且使底盤具有一定的越野性能，能夠越過較低的障礙物，攀爬30度左右的斜坡。但是由于此種底盤在通過地面障礙時(shí)，麥克納姆輪與地面的角度不會(huì)保持90度，造成麥克納姆輪受力不均勻?qū)е碌妆P行駛性能降低以及麥克納姆輪磨損嚴(yán)重，而且此底盤需要大量的CNC加工金屬件，成本高，固自主研發(fā)機(jī)械底盤，即四輪縱臂獨(dú)立懸掛底盤。

將整個(gè)底盤采用四輪縱臂獨(dú)立懸掛，每個(gè)麥克納姆輪集成懸掛模塊均裝有彈性減震器，不同種情景下可采用不同壓力負(fù)載的彈性減振器，保證四個(gè)麥克納姆輪在車體運(yùn)行過程中同時(shí)著地驅(qū)動(dòng)。每個(gè)懸掛模塊中，麥克納姆輪使用剛性聯(lián)軸器與電機(jī)減速器電機(jī)軸相連，電機(jī)固定在高強(qiáng)度定做的鋼套上，整套模塊與車體底盤底板使用2塊工業(yè)合頁鉸鏈連接，保證懸掛在底盤橫向方向上的公差精度，另外彈性減震器采用縱臂方式與底盤上板進(jìn)行連接，連接處用軸承來增加減震的穩(wěn)定性和可靠性。

機(jī)器人底盤由兩層結(jié)構(gòu)組成，下板與上板之間用方鋁固定連接，保證兩層綠色環(huán)氧板的整體強(qiáng)度，機(jī)器人在不平整地面上的行駛過程中四個(gè)麥克納姆輪可以保持同時(shí)著地驅(qū)動(dòng)，且四個(gè)懸掛有效縮小底盤上層板與地面的距離變化，大大提高了底盤的減震性能。

2 全向機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人機(jī)采用底盤四輪獨(dú)立縱臂懸掛，以保證每個(gè)麥克納姆輪在機(jī)器人運(yùn)行過程中時(shí)刻接觸地面并輸出動(dòng)力；機(jī)器人采用IMU與Kinect融合算法保證其行駛路線精度；機(jī)器人采用激光雷達(dá)對未知地域進(jìn)行自主建圖、自主導(dǎo)航；使用高性能微型迷你電腦，既保證機(jī)器人系統(tǒng)的處理速度，有減小設(shè)備對機(jī)器人的負(fù)載；所有電機(jī)均加入速度環(huán)、電流環(huán)以保證減小速度誤差和控制機(jī)器人功率，在必要點(diǎn)位的電機(jī)加入位置環(huán)以保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向的精確度。

由于機(jī)器人底盤的四個(gè)麥克納姆輪在各種地面上要保持合適的速度來使得機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定，四個(gè)底盤電機(jī)控制使用模糊控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以有效提高不同情況下輸出合適麥克納姆輪轉(zhuǎn)速的效率，大大減小了機(jī)器人不走直線、不按照指定路線和方向行駛的問題。

3 設(shè)計(jì)結(jié)果

本在對ROS中的 Navigation導(dǎo)航功能包集進(jìn)行配置后，基于上節(jié)的SLAM測試，進(jìn)行本導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)。為了觀察機(jī)器人在較復(fù)雜環(huán)境中的性能。

實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定不存在瞬間進(jìn)入Kinect盲區(qū)的物體，移動(dòng)機(jī)器人在其離目標(biāo)的距離小于一個(gè)合理的保持距離D時(shí)停止移動(dòng)。為保證移動(dòng)機(jī)器人的穩(wěn)定性，在移動(dòng)機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)后增加一定的死區(qū)，避免輕微的擾動(dòng)造成移動(dòng)機(jī)器人的振動(dòng)。

4 結(jié)束語

本文研究一種基于麥克納姆輪的全向移動(dòng)自主機(jī)器人。本文進(jìn)行機(jī)器人底盤的機(jī)械設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，通過理論分析和實(shí)驗(yàn)論證，提出了機(jī)器人各機(jī)構(gòu)性能的設(shè)計(jì)原理與方法。最后測試了SLAM導(dǎo)航系統(tǒng)，在測試結(jié)果中機(jī)器人可以自主建圖導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)了全向移動(dòng)自主機(jī)器人的功能。本文所做的工作是對全方位移動(dòng)機(jī)器人的初步探索，還有很多不足，后期研究工作可從以下幾方面進(jìn)行深入研究：

（1）在自主導(dǎo)航系統(tǒng)中，SLAM算法以及數(shù)據(jù)處理的精度提高可以消除一部分建圖的累積誤差，因此，有必要深入對SLAM自主導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行深入的研究。

（2）針對麥克納姆輪底盤的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計(jì)與研究。

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