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1、机械电子学学院：机电工程学院专业：机械设计及理论班级：研1501学号：2015020020姓名：鹿昆磊指导教师：李启光日期：2016年5月13日一种全向移动机器人的设计摘要:轮式机器人作为移动机器人中的重要分支之一,由于其承载能力强、定位精度高、能源利用率高、控制简单等优点，长久以来一直受到国内外研究人员的关注。移动机器人的研宄涉及到控制理论、计算机技术与传感器技术等多门学科。因此,对轮式移动机器人进行研宄具有一定的意义。本文对四轮独立驱动与转向移动机器人的机械结构设计、运动学以及控制程序设计进行了分析研宄。关键词：移动机器人；四轮独立驱动与
2、转向；Asoneoftheimportantbranchofmobilerobotics,wheelmobilerobothaslongbeenpaidattentiontobytheresearchpeopleathomeandabroadforitshighloadability,positioningaccuracy,highefficiency,simplecontrol,etc.Mobilerobothascloserelationtomanytechnologiessuchascontroltheory,computertechn
3、ology,sensortechnology,etc.Therefore,researchonthemobilerobothasimportantsignificance.KEYWORDS:MobileRobot;FourWheelDriveandSteering;0前言机器人技术的发展对人类社会产生了深渊的影响。首先,机器人被使用在那控需要重复劳动的场合,它不仅能够很好的胜任人类的工作,还可以更有效、快捷地完成工作任务。其次,在一些危险、有毒等场合,机器人也被用来代替人类去完成相应的工作。最后,机器人被运用在那些人类暂时无法到达的地方,例如
4、深海、空间狭窄等地方。陆地移动机器人大致分为轮式移动机器人、腿式移动机器人、履带式移动机器人、跳跃式移动机器人等几种。其中轮式移动机器人以其承载能力强、驱动与控制简单、移动方便、定位精准、能源利用率高、现有研宄成果较多等良好的表现更受科研人员热捧,许多科研人员纷纷加入其中作进一步研究、探索。本文使用45度麦克纳姆轮，四轮独立驱动形式工作，在平面内可以实现3自由度运动，它非常适合工作在空间狭窄、有限、对机器人的机动性要求高的场合中[1]。1工作原理单独的麦克纳姆轮无法实现全方位移动，需要多个(至少4个)才能组成全方位移动平台。因此，有必要对全方
5、位移动平进行运动学分析，以便为全方位移动平台控制算法提供理论依据。图1是一种麦克纳姆轮，典型的采用4个麦克纳姆轮的全方位移动平台如图2所示，图中车轮斜线表示轮缘与地面接触辊子的偏置角度，滚子可以实现2自由度的运动，一个是绕车轴旋转的运动与一个绕滚子轴向的旋转运动。以移动平台中心O点为原点建立全局坐标系,相对地面静止;是车轮i中心。在平面上，全方位移动平台具有3个自由度，其中心点O速度车轮绕轮轴转动的角速度是，车轮中心的速度是，辊子速度是。图1麦克纳姆轮图2典型的全方位移动平台车轮布置图当电机驱动车轮旋转时，车轮具有2个运动，一是以普通方式沿着
6、垂直于驱动轴的方向前进，二是与地面接触的辊子绕其自身轴线旋转。以轮1为例，车轮中心在全局坐标系中的速度（1）另一方面，车轮固接在移动平台上，由全方位移动平台整体速度可得（2）由式（1.1）与（1.2）可得（3）对于其他3个车轮可以得到同样的方程组。联立方程组可得如下的关系式：（4）J为系统逆运动学方程雅克比矩阵。根据机器人运动学原理，当系统逆运动学雅克比矩阵列不满秩时，系统中存在奇异位形，使系统的运动自由度减少!对于本系统的车轮配置构型，(角是锐角，因此J矩阵中各元素均不为零，所以总有rank（J）=3，即该系统总是具有全方位运动的能力!对于
7、Mecanum四轮全方位运动系统，逆运动学方程J反映4个轮转动角速度与系统中心速度的映射关系，因此逆运动学方程J的性质也反映了系统的运动特性。2车轮速度的控制2.1电机速度控制由式（4）可知，要实现机器人任意方向的运动，就必须控制各个车轮的速度，以下是对4个电机的速度与电流的控制。随着电子器件的发展,市场上有很多运动控制器,它们不仅可以控制电机的转矩,亦可控制电机的转速(需要配备相应的驱动放大器与编码器)。机器人采用控制电机转速的运动控制器。故可直接由机器人的运动学模型得出控制器,而无需考虑机器人的动力学模型。图3是L298N驱动模块。ENA
8、是使能端，IN1、IN2是电机速度控制信号输入端，OUT1、OUT2是电机接线端。表格1是输入端与电机运行状态的对应关系图，是对电机转向的控制。图3L298N驱动模
