一种全方位移动机器人设计与研究＊

冯治国 ，王芸芸，窦忠宇

(贵州大学 机械工程学院，贵州 贵阳550025)

全方位轮式移动机器人由于可以不需姿态调整而实现平面内任意方向的运动，因而其机动性及避障能力好，适合应用于如星球探险、AGV 运输、医疗康复等领域，已成为全球机器人应用研究热点。代表性研究有德国kassel 大学［1］、荷兰Eindhoven 工业大学［2］及国防科技大学［3］研制的全方位移动机器人。虽然国内外研究机构对全方位轮式移动机器人技术已做大量研究工作，但在全方位轮结构设计、运动学模型和动力学模型分析等方面仍有深入研究的余地。本实验室在构建全方位轮式移动机器人的基础上，开展移动机器人轮子配置方案、全方位轮的设计与制造、运动学控制方法等方面的研究工作。

1 全方位移动机器人

1.1 全方位轮

全方位轮是全方位移动机器人实现任意方向的平移以及复杂弧线运动的核心部件。其技术特性的关键要点是有效的控制全方位轮的多边形效应。因此，本文在深入研究德国kassel 大学的全方位轮结构基础上，将全方位轮的从动辊由传统的纺锤形改成起伏形状，如图1 所示，旨在①减小多边形效率，提高运动平稳性，②增加从动辊与地面摩擦力。

1.2 全方位移动机器人平台原理分析

图1 全方位轮

图2 移动平台结构布局

全方位移动机器人可由不同数目的全方位轮配置组合构成移动平台。图2 所示的三轮和四轮结构形式是常见的移动平台配置方案。本文在研究文献［3］-［5］的基础上，深入研究三轮和四轮布局结构，总结出如下结论:

①若机器人移动平台运动速度相同，车体总功率相同，则三轮平台的单个电机功率与四轮平台单个电机功率关系:P31=4/3 P41;

②由图3(a)所示的速度可达域图可知，三轮平台的速度可达域为正六边形，四轮平台的速度可达域为正四边形，其速度可达域最大内切圆半径相等。在各向均匀性方面，三轮较四轮均匀。在单方向上(坐标轴)加速度方面，四轮布局可达速度是三轮1.244 倍。轮布局单个轮子加速度为，三轮布局单个轮子加速度，四轮是三轮的。即当车体的加速度相同时，四轮平台单个驱动轮和地面的实际摩擦力小于三轮平台驱动轮子和地面的摩擦力，如果因场地变化导致轮子和地面间的摩擦系数大幅度减小，首先会影响到三轮平台。

图3 三/四轮布局全向移动平台速度、加速度可达域对比图

通过上述对比分析可知，四轮布局的移动平台性能优于三轮布局。因此，本文全方位移动机器人选用四轮配置的移动平台。

1.3 全方位移动机器人结构设计

本实验室设计的全方位移动机器人平台，如图4 所示。其关键部件为全方位轮驱动装置(图5)，选用无刷直流电机驱动全方位轮，其输出轴与挠性联轴器联接，联轴器安装在全方位轮内部，有效控制轴系尺寸和保护电机输出轴。减震系统是全方位轮式移动机器人平台设计重要部件，有效解决平台运行过程中四轮不同时接触地面导致的打滑或空转问题。

图4 全方位移动机器人平台

图5 全方位轮内部构造

根据设计要求，全方位移动平台质量为35 kg，最大载重量为50 kg，则每个轮子承受载荷为212.5 N。

设轮子与地面的滚动摩擦因数为μ=0.1，则

摩擦力f = 0.1 ×212.5 =21.25 N

车轮半径r=0.1 m，

摩擦力矩t=fr=21.25 ×0.1 =2.125 Nm

所选电机参数:额定功率P=0.06 kW，转速为n=100 r ∕min，由T =9550 ×P/n =5.73 N·m，电机效率＞80%，则理论最大力矩T=4.58 Nm。

T ＞t，所选电机满足驱动要求。

为了保证全方位轮的可靠性，对设计的全方位轮的轮毂和从动辊进行了强度分析。本文以轮毂为例，阐述其分析过程。轮毂采用铝合金LY12 加工制造，其材料属性ρ =2.78 ×103kg/m3，σb=420 MPa，σs=7.58 ×108Pa，E =7.0 ×1010Pa，ν =0.3。在UG 三维软件的有限模块中，采用四面体对轮毂进行网格划分，轮毂中心处施加0.147 kN的载荷，以从动辊轴的2 个安装槽作为约束。仿真结果，变形位移(Max)为1.098 × 10-2mm，应力(σmax)为4.359 ×106Pa ＜σs，所选材料符合设计要求。

2 全方位移动机器人控制系统设计

全方位移动机器人运动控制的关键技术是四电机同步协调控制。本文根据全方位轮式移动机器人运动控制，选用TMS320F2812 DSP 控制器，H桥直流电机驱动模块，构建全方位轮的控制系统，如图6 所示。其控制方法采用PWM 调速，每个全方位轮的直流电机由速度和方向两路信号控制。基于全方位轮运动速度分解，通过控制PWM 波形的占空比调压变速，实现直线、斜线、旋转三种运动轨迹模式。

图6 控制系统实物图

3 全方位移动机器人实验

本文在构建的全向移动机器人样机平台，进行了直线、斜线、旋转运动测试，结果如图7、图8、图9 所示。由图可知，移动平台直线运动轨迹最大误差△＜10 mm、斜线运动轨迹最大误差△＜20 mm，自转运动轨迹最大误差△＜20 mm。通过测试分析，发现:①四台电机同步协调控制时，电机转速差异导致全方位轮转速不一致;②全方位轮加工制造精度问题;③全方位轮的小棍子与测试地面的摩擦等因素导致动平台轨迹跟踪性能出现误差。因此，本移动机器人下一阶段研究工作重点是通过在全方位轮上安装编码器，实现系统闭环控制，提高同步协调控制补偿能力;增强全方位轮与接触地面的摩擦等手段，提高移动平台运动性能。

图7 直线运动

图8 斜线运动

4 结论

图9 旋转运动

本文在研究国外全向轮的基础上，设计了一种全向轮，目的在于减小多边形效应，增强从动轮与接触地面摩擦力。在此基础上，通过分析全向移动机器人平台的原理，构建了对称分布的四轮全向移动平台。选用DSP 控制器实现移动机器人平台的直线、斜线及转动的运动模式。实验证明，移动平台具有摩擦力大，运动平稳的特点，实现了良好的全方位运动效果。

全向移动机器人平台下一步研究工作:①改进减震结构，提高四轮同步接触地面，进一步避免打滑、空转现象。②深入研究四轮同步协调控制算法，提高运动轨迹跟踪能力。

［1］Skubch H. Modelling and Controlling of Behaviour for Autonomous Mobile Robots［D］.Germany:University of Kassel，2012.

［2］J De Best，R Van de Molengraft，Maarten Steinbuch.A novel ball handling mechanism for the RoboCup middle size league ［J］.Mechatronics，2011，201(2):469 -478.

［3］卢盛才. 足球机器人的设计与全向移动平台的控制［D］. 长沙:国防科技大学，2009.

［4］陈旭东，孔令成，刘尊朋. 基于全向轮的机器人移动机构运动分析与控制设计［J］. 测控技术，2012，31(1):48 -56.

［5］陆琦，沈林勇，章亚男，等. 基于轮毂电机驱动的全方位移动平台［J］. 机械设计，2009，26(12):61 -64.