王慰軍,楊桂林,張 馳,陳慶盈

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

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四輪式全向移動機(jī)器人設(shè)計

王慰軍,楊桂林,張 馳,陳慶盈

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

對幾種全向移動機(jī)構(gòu)進(jìn)行綜合比較的基礎(chǔ)上設(shè)計了兩種萬向輪.在移動機(jī)器人本體上對這兩種萬向輪進(jìn)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(jī)的聯(lián)動使機(jī)器人實現(xiàn)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(yīng)調(diào)節(jié),采用懸架結(jié)構(gòu)連接機(jī)器人本體和各個萬向輪.最后對移動機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動學(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,驗證了機(jī)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(yùn)動控制和離線編程提供了依據(jù).該移動機(jī)器人為需要全向移動的應(yīng)用場合提供了一種完美的解決方案.

全向移動; 萬向輪; 運(yùn)動學(xué)分析; 齒輪傳動

移動機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)有多種形式,常見的有輪式、腿式、輪腿復(fù)合式等[1].這些移動機(jī)器人之中,輪式移動機(jī)器人由于設(shè)計與控制簡單,尤其適用于在室內(nèi)環(huán)境,因而被廣泛采用.當(dāng)移動機(jī)器人需要在狹窄、擁擠或需要避障的環(huán)境中運(yùn)行時,機(jī)器人的全向移動能力就變得至關(guān)重要[2].所謂全向移動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,從而可以完成直行、側(cè)行、斜行以及原地轉(zhuǎn)向等運(yùn)動,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子,在運(yùn)行時和地面的接觸點不連續(xù),容易引起側(cè)滑和噪聲.球形輪的運(yùn)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(xù),因此可以避開麥克納姆輪的缺陷，并且它具有兩個運(yùn)動關(guān)節(jié),控制與實現(xiàn)起來較簡單[5]，所以本文將采用萬向輪的形式,通過設(shè)計分別能對輪子滾動自由度和轉(zhuǎn)向自由度進(jìn)行控制的兩種萬向輪,將這兩種萬向輪在機(jī)器人本體上進(jìn)行組合設(shè)置，使得移動機(jī)器人具有全向移動的能力.

1 全向移動輪設(shè)計

常見的普通萬向輪一般具有兩個運(yùn)動關(guān)節(jié),這兩個關(guān)節(jié)分別可以繞輪軸轉(zhuǎn)動以及繞垂直軸線轉(zhuǎn)向運(yùn)動.通過電機(jī)對各個運(yùn)動關(guān)節(jié)提供動力,然后對該電機(jī)進(jìn)行控制就可以對該運(yùn)動自由度進(jìn)行控制.如果對一個萬向輪的兩個運(yùn)動關(guān)節(jié)運(yùn)動都進(jìn)行控制,這兩個運(yùn)動就會產(chǎn)生耦合,即在轉(zhuǎn)向時會產(chǎn)生額外的滾輪滾動輸出,造成運(yùn)動不穩(wěn)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(yùn)動自由度進(jìn)行控制,另一個運(yùn)動自由度讓它隨動,這樣就可以避免兩個運(yùn)動的耦合.通過將這兩種萬向輪在移動機(jī)器人本體上進(jìn)行組合設(shè)置,并將各個電機(jī)進(jìn)行聯(lián)動，就可以實現(xiàn)機(jī)器人的全向移動.為此需要設(shè)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(yùn)動自由度隨動的萬向輪稱為驅(qū)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(zhuǎn)動的自由度可控的萬向輪稱為轉(zhuǎn)向萬向輪.基本設(shè)計思路是：一個驅(qū)動電機(jī)通過齒輪傳動系統(tǒng)把運(yùn)動傳遞給滾輪,使它實現(xiàn)滾動；另一個轉(zhuǎn)向電機(jī)通過齒輪傳動系統(tǒng)把運(yùn)動傳遞給下部支撐框架，使它帶動滾輪實現(xiàn)轉(zhuǎn)向.兩種萬向輪的具體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

圖1 兩種驅(qū)動萬向輪結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure chart of the two kinds of powered caster wheel

由圖1可見,它在結(jié)構(gòu)上由上部框架和下部轉(zhuǎn)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(qū)動萬向輪的電機(jī)安裝在上框架頂端,可以隨下部轉(zhuǎn)向框架一起轉(zhuǎn)動.轉(zhuǎn)向萬向輪的電機(jī)固定在上框架頂端,無相對轉(zhuǎn)動.驅(qū)動電機(jī)分別通過齒輪1,2,3,4,5把運(yùn)動傳遞給滾輪,使它實現(xiàn)繞輪軸的滾動.轉(zhuǎn)向電機(jī)分別通過齒輪1,2,3,4帶動下部框架旋轉(zhuǎn),從而使萬向輪實現(xiàn)轉(zhuǎn)向運(yùn)動.設(shè)驅(qū)動電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速為nd,轉(zhuǎn)向電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速為ns,驅(qū)動電機(jī)通過內(nèi)部齒輪傳動系統(tǒng)傳遞給滾輪的輸出轉(zhuǎn)速為ndr,轉(zhuǎn)向電機(jī)通過內(nèi)部齒輪傳動系統(tǒng)傳遞給下框架轉(zhuǎn)向時的轉(zhuǎn)動速度為nsk,驅(qū)動傳動系統(tǒng)的傳動比為id,轉(zhuǎn)向傳動系統(tǒng)的傳動比為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).為了增加萬向輪的運(yùn)動穩(wěn)定性,設(shè)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(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

將上述設(shè)計的驅(qū)動萬向輪和轉(zhuǎn)向萬向輪在移動機(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)彎時保持穩(wěn)定,這里采用四輪支撐形式.兩個驅(qū)動萬向輪和兩個轉(zhuǎn)向萬向輪沿中心軸線對稱布置,最后設(shè)計形成的整個全向移動機(jī)器人的外形結(jié)構(gòu)如圖2所示.主體形狀設(shè)計成正八邊形,內(nèi)部設(shè)置電池、工控機(jī)、控制卡、驅(qū)動器、攝像頭等元器件.

全向移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)上主要由本體、兩個驅(qū)動萬向輪、兩個轉(zhuǎn)向萬向輪以及連接本體和各萬向輪的懸架結(jié)構(gòu)所組成.因底部采用了四輪布局方式,所以本體與各個萬向輪需要通過懸架結(jié)構(gòu)連接起來,這樣能保證移動機(jī)器人在凹凸不平的路面上行走時四輪同時著地,運(yùn)行平移.懸架結(jié)構(gòu)中的彈簧零件能有效減少移動機(jī)器人在運(yùn)行過程中的振動,從而降低噪音,并能根據(jù)實時路況做到相應(yīng)的自適應(yīng)調(diào)節(jié).各萬向輪與主體的連接采用四點支撐兩點導(dǎo)向懸架結(jié)構(gòu).整個移動機(jī)器人的運(yùn)動由兩個驅(qū)動萬向輪的電機(jī)(如圖1所示)通過齒輪傳動系統(tǒng)來實現(xiàn),機(jī)器人的運(yùn)行方向變換由安裝在兩個轉(zhuǎn)向萬向輪上的電機(jī)(如圖1所示)通過齒輪傳動系統(tǒng)來實現(xiàn).因此可以對各萬向輪上的電機(jī)做運(yùn)動控制,通過各電機(jī)的聯(lián)動就可以實現(xiàn)移動機(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,這樣就實現(xiàn)了機(jī)器人的全向移動.

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

3 全向移動機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析

(5)

(6)

(7)

圖3 移動機(jī)器人位姿

Fig.3 Position and orientation of mobile robot

(8)

將式(8)簡寫為

(10)

4 結(jié)論

所設(shè)計的兩種萬向輪通過組合設(shè)置為移動機(jī)器人提供連續(xù)順滑的運(yùn)動,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,真正實現(xiàn)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(jī)器人建立運(yùn)動學(xué)模型,分析得到了萬向輪的控制電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速與機(jī)器人運(yùn)動速度之間的關(guān)系,驗證了機(jī)器人所具備的全向移動功能以及4個萬向輪的設(shè)置形式,并為以后機(jī)器人的運(yùn)動控制以及離線編程提供了依據(jù).設(shè)計的驅(qū)動萬向輪和轉(zhuǎn)向萬向輪結(jié)構(gòu)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.

[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.基于解耦式主動萬向腳輪的全向移動機(jī)器人設(shè)計[J].中國機(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