基于麦克纳姆轮的全向移动自主机器人

莫然+张进+高淑芝

摘 要：设计了一种基于麦克纳姆轮的全向移动自主机器人，以2016年全国大学生机器人大赛为背景，研究了基于麦克纳姆轮的四轮式全方位移动机器人，并设计了基于ROS机器人系统的全方位移动机器人控制系统，并围绕移动机器人定位和轨迹跟踪算法进行了深入研究。测试结果表明，麦克纳姆轮更加适应SLAM导航系统，在测试结果中机器人可以自主建图导航，实现了全向移动自主机器人的功能。

关键词：麦克纳姆轮；全向移动；机器人

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

自主全方位移动机器人作为一类典型的移动机器人系统，具有平面内完全的3个自由度，可以实现任意时刻任意方向的自由运动[2]，因此全方位移动机器人非常适合工作在空间狭小、对机动性能要求高的复杂环境。目前，全方位移动机器人主要采用全向轮来实现全方位移动，一般常用的全向轮有麦克纳姆轮、Grabowiecki轮、球形轮等。随着技术的不断发展，这些全向轮已被广泛应用于军事和工业的许多方面

1 全向机器人机械设计

机器人底盘机械的设计采用四轮驱动麦克纳姆轮的方式，但在平面内运动时会出现如何保证四点都着地的问题。如果四轮中有驱动轮与地面接触不好，容易出现打滑、空转的现象，影响控制精度。虽然可以在机器人组装后进行手动调整，但效果难以保证。而且由于机器人设计时考虑到室外应用的要求，机器人底盘的结构必须在较差的地面上仍然保证与地面的良好接触，简单平面组装的方法显然不能满足要求。

在本研究初期，采用大疆创新研发的麦克纳姆轮底盘，其使用了独立弹性悬挂法，用避震器将轮组与上部车板连接，这样不仅增强了底盘运行的稳定性，减少底盘运动时引起的车体振动，而且使底盘具有一定的越野性能，能够越过较低的障碍物，攀爬30度左右的斜坡。但是由于此种底盘在通过地面障碍时，麦克纳姆轮与地面的角度不会保持90度，造成麦克纳姆轮受力不均匀导致底盘行驶性能降低以及麦克纳姆轮磨损严重，而且此底盘需要大量的CNC加工金属件，成本高，固自主研发机械底盘，即四轮纵臂独立悬挂底盘。

将整个底盘采用四轮纵臂独立悬挂，每个麦克纳姆轮集成悬挂模块均装有弹性减震器，不同种情景下可采用不同压力负载的弹性减振器，保证四个麦克纳姆轮在车体运行过程中同时着地驱动。每个悬挂模块中，麦克纳姆轮使用刚性联轴器与电机减速器电机轴相连，电机固定在高强度定做的钢套上，整套模块与车体底盘底板使用2块工业合页铰链连接，保证悬挂在底盘横向方向上的公差精度，另外弹性减震器采用纵臂方式与底盘上板进行连接，连接处用轴承来增加减震的稳定性和可靠性。

机器人底盘由两层结构组成，下板与上板之间用方铝固定连接，保证两层绿色环氧板的整体强度，机器人在不平整地面上的行驶过程中四个麦克纳姆轮可以保持同时着地驱动，且四个悬挂有效缩小底盘上层板与地面的距离变化，大大提高了底盘的减震性能。

2 全向机器人系统设计

机器人机采用底盘四轮独立纵臂悬挂，以保证每个麦克纳姆轮在机器人运行过程中时刻接触地面并输出动力；机器人采用IMU与Kinect融合算法保证其行驶路线精度；机器人采用激光雷达对未知地域进行自主建图、自主导航；使用高性能微型迷你电脑，既保证机器人系统的处理速度，有减小设备对机器人的负载；所有电机均加入速度环、电流环以保证减小速度误差和控制机器人功率，在必要点位的电机加入位置环以保证机器人运动方向的精确度。

由于机器人底盘的四个麦克纳姆轮在各种地面上要保持合适的速度来使得机器人运行稳定，四个底盘电机控制使用模糊控制系统，此系统可以有效提高不同情况下输出合适麦克纳姆轮转速的效率，大大减小了机器人不走直线、不按照指定路线和方向行驶的问题。

3 设计结果

本在对ROS中的 Navigation导航功能包集进行配置后，基于上节的SLAM测试，进行本导航实验。为了观察机器人在较复杂环境中的性能。

实验中，设定不存在瞬间进入Kinect盲区的物体，移动机器人在其离目标的距离小于一个合理的保持距离D时停止移动。为保证移动机器人的稳定性，在移动机器人停止运动后增加一定的死区，避免轻微的扰动造成移动机器人的振动。

4 结束语

本文研究一种基于麦克纳姆轮的全向移动自主机器人。本文进行机器人底盘的机械设计、系统设计等，通过理论分析和实验论证，提出了机器人各机构性能的设计原理与方法。最后测试了SLAM导航系统，在测试结果中机器人可以自主建图导航，实现了全向移动自主机器人的功能。本文所做的工作是对全方位移动机器人的初步探索，还有很多不足，后期研究工作可从以下几方面进行深入研究：

（1）在自主导航系统中，SLAM算法以及数据处理的精度提高可以消除一部分建图的累积误差，因此，有必要深入对SLAM自主导航系统进行深入的研究。

（2）针对麦克纳姆轮底盘的机械结构进行进一步的设计与研究。

参考文献：

[1]李磊，叶涛，谭民，陈细军.移动机器人技术研究现状与未来[J].机器人，2002.24（05）：475-477

[2]李育文，王红卫，李芳.机器人发展概况及展望[J].河南科技，2002（01）：26-27

[3]郑向阳，熊蓉等.移动机器人导航和定位技术[J].機电工程，2003，20（05）：35-37.