四轮式全向移动机器人设计

王慰军,杨桂林,张 驰,陈庆盈

(中国科学院宁波材料技术与工程研究所,宁波,315201)



四轮式全向移动机器人设计

王慰军,杨桂林,张 驰,陈庆盈

(中国科学院宁波材料技术与工程研究所,宁波,315201)

对几种全向移动机构进行综合比较的基础上设计了两种万向轮.在移动机器人本体上对这两种万向轮进行合理布局,采用四轮支撑形式,通过4个万向轮上的各个电机的联动使机器人实现全向移动功能.同时为了保证各万向轮能对实时路况做到自适应调节,采用悬架结构连接机器人本体和各个万向轮.最后对移动机器人进行运动学分析,得到了各电机输入转速与机器人运行速度的关系,验证了机器人的全向移动性能以及万向轮布局形式的合理性,为今后的运动控制和离线编程提供了依据.该移动机器人为需要全向移动的应用场合提供了一种完美的解决方案.

全向移动; 万向轮; 运动学分析; 齿轮传动

移动机器人的移动机构有多种形式,常见的有轮式、腿式、轮腿复合式等[1].这些移动机器人之中,轮式移动机器人由于设计与控制简单,尤其适用于在室内环境,因而被广泛采用.当移动机器人需要在狭窄、拥挤或需要避障的环境中运行时,机器人的全向移动能力就变得至关重要[2].所谓全向移动是指在不改变自身姿态的前提下,可以沿着平面内任意方向运动,从而可以完成直行、侧行、斜行以及原地转向等运动,允许的最小转弯半径为零.目前所普遍采用的全向轮有麦克纳姆轮和球形轮[3].麦克纳姆轮结构上由于在它的圆周上安装了一些辊子,在运行时和地面的接触点不连续,容易引起侧滑和噪声.球形轮的运动自由度较多,控制起来较麻烦[4]，因此需寻求另外一种形式的全向轮.考虑到万向轮与地面的接触点始终连续,因此可以避开麦克纳姆轮的缺陷，并且它具有两个运动关节,控制与实现起来较简单[5]，所以本文将采用万向轮的形式,通过设计分别能对轮子滚动自由度和转向自由度进行控制的两种万向轮,将这两种万向轮在机器人本体上进行组合设置，使得移动机器人具有全向移动的能力.

1 全向移动轮设计

常见的普通万向轮一般具有两个运动关节,这两个关节分别可以绕轮轴转动以及绕垂直轴线转向运动.通过电机对各个运动关节提供动力,然后对该电机进行控制就可以对该运动自由度进行控制.如果对一个万向轮的两个运动关节运动都进行控制,这两个运动就会产生耦合,即在转向时会产生额外的滚轮滚动输出,造成运动不稳定以及控制困难[6].为了避免这些问题,采用对万向轮的一个运动自由度进行控制,另一个运动自由度让它随动,这样就可以避免两个运动的耦合.通过将这两种万向轮在移动机器人本体上进行组合设置,并将各个电机进行联动，就可以实现机器人的全向移动.为此需要设计两种万向轮：一种是绕轮轴滚动的、自由度可控的、绕垂直轴线的运动自由度随动的万向轮称为驱动万向轮；另一种是绕轮轴滚动的自由度可随动的、绕垂直轴线转动的自由度可控的万向轮称为转向万向轮.基本设计思路是：一个驱动电机通过齿轮传动系统把运动传递给滚轮,使它实现滚动；另一个转向电机通过齿轮传动系统把运动传递给下部支撑框架，使它带动滚轮实现转向.两种万向轮的具体结构图如图1所示.

图1 两种驱动万向轮结构图Fig.1 Structure chart of the two kinds of powered caster wheel

由图1可见,它在结构上由上部框架和下部转动框架以及安装在它们上面的齿轮、轴承、传动轴、滚轮等零件组成.驱动万向轮的电机安装在上框架顶端,可以随下部转向框架一起转动.转向万向轮的电机固定在上框架顶端,无相对转动.驱动电机分别通过齿轮1,2,3,4,5把运动传递给滚轮,使它实现绕轮轴的滚动.转向电机分别通过齿轮1,2,3,4带动下部框架旋转,从而使万向轮实现转向运动.设驱动电机输入转速为nd,转向电机输入转速为ns,驱动电机通过内部齿轮传动系统传递给滚轮的输出转速为ndr,转向电机通过内部齿轮传动系统传递给下框架转向时的转动速度为nsk,驱动传动系统的传动比为id,转向传动系统的传动比为is,各齿轮的齿数为zj,j=1,2,…,5.最终可得

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：d为滚轮直径；z1,z2,z3,z4,z5分别为齿轮1，2，3，4，5的齿数.为了增加万向轮的运动稳定性,设置滚轮水平中心轴线相对于垂直中心轴线的偏置距离e=d/2.

2 全向移动机器人结构设计

将上述设计的驱动万向轮和转向万向轮在移动机器人本体上进行合理布局,为了使机器人在执行转弯时保持稳定,这里采用四轮支撑形式.两个驱动万向轮和两个转向万向轮沿中心轴线对称布置,最后设计形成的整个全向移动机器人的外形结构如图2所示.主体形状设计成正八边形,内部设置电池、工控机、控制卡、驱动器、摄像头等元器件.

全向移动机器人结构上主要由本体、两个驱动万向轮、两个转向万向轮以及连接本体和各万向轮的悬架结构所组成.因底部采用了四轮布局方式,所以本体与各个万向轮需要通过悬架结构连接起来,这样能保证移动机器人在凹凸不平的路面上行走时四轮同时着地,运行平移.悬架结构中的弹簧零件能有效减少移动机器人在运行过程中的振动,从而降低噪音,并能根据实时路况做到相应的自适应调节.各万向轮与主体的连接采用四点支撑两点导向悬架结构.整个移动机器人的运动由两个驱动万向轮的电机(如图1所示)通过齿轮传动系统来实现,机器人的运行方向变换由安装在两个转向万向轮上的电机(如图1所示)通过齿轮传动系统来实现.因此可以对各万向轮上的电机做运动控制,通过各电机的联动就可以实现移动机器人在不改变自身姿态的前提下沿着平面内任意方向运动,这样就实现了机器人的全向移动.

图2 全向移动机器人结构图Fig.2 Structure of chart of the omnidirectional mobile robot

3 全向移动机器人运动学分析

(5)

(6)

(7)

图3 移动机器人位姿

Fig.3 Position and orientation of mobile robot

(8)

将式(8)简写为

(10)

4 结论

所设计的两种万向轮通过组合设置为移动机器人提供连续顺滑的运动,使得机器人能在不改变自身姿态的情况下沿平面内任意方向运动,真正实现了全向移动，同时又避免了采用其他形式的全向轮所带来的缺点与不足.通过对移动机器人建立运动学模型,分析得到了万向轮的控制电机输入转速与机器人运动速度之间的关系,验证了机器人所具备的全向移动功能以及4个万向轮的设置形式,并为以后机器人的运动控制以及离线编程提供了依据.设计的驱动万向轮和转向万向轮结构简单、传动效率高,并且对载荷的变化不敏感,能为需要全向移动的场合提供完美的解决方案.

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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

王慰军(1981-),男,工程师.E-mail:1473315071@qq.com

TP 242.6

A

1672-5581(2016)04-0327-05