三轮全向移动机器人运动控制研究与实践

摘要：本文首先阐述了三轮全向移动机器人在工作生活中的广泛应用，提出了三轮全向移动机器人的电气控制、三角形底盘运动控制设计方案，构建了机器人运动模型，并对机器人轮子进行运动学分析，最后通过在虚拟工厂和斜坡上的移动测试，实践充分证明了本文设计的移动机器人运动控制方案具有更优的适应性和稳定性。

关键词：移动机器人;三轮全向;三角形;运动控制

轮式移动机器人按照轮子数量可分为独轮、两轮、三轮、四轮和多轮移动机器人。在实际应用中，往往会根据实际需要来选择轮式移动机器人。其中，独轮和两轮机器人占地面积小且运动最为灵活，但竖直方向部分容易翻倒，是需要自平衡控制的倒立摆结构。三轮移动机器人虽然灵活性不如独轮和两轮，但结构稳定不容易翻倒，且灵活性比四轮移动机器人要强很多。因此兼具稳定性和灵活性优点的三轮移动机器人在实际工作生活中的应用非常广泛。目前全向轮和转向机构是轮式全向移动机器人研究的热点，全向轮主要包括麦克纳姆轮、正交轮和连续切换轮等[1]。

当机器人需要在场地进行前进、后退、平移、旋转、爬坡等任务时，那么机器人轮系应该选择全向轮。本文针对三轮全向轮移动机器人的运动控制进行分析与研究。

1.机器人的电气控制

本文中移动机器人控制采用以NI公司的Myrio为核心，环境感知与姿态判断通过IR、PING、QTI、9轴传感器MPU9250等来感知和检查，执行单元采用套件中提供的直流电机和伺服电机。机器人应具备2路超声波、2路红外、4路QTI、提升机构限位开关和陀螺仪检测能力。通过两块MXP-MD2驱动板完成3个底盘电机和零件架提升、下降电机的驱动任务。手臂伸缩电机用于调整抓球套筒的位置以便抓取高尔夫球，套筒内的高尔夫球每次放球通过放球电机控制与拨片相连的绳子的开合来实现。摄像头具有旋转、补光功能，通过USB直接连接在Myrio上。在机器人上安装了指示灯，通过指示灯的亮、灭状态来对机器人工作状态进行判断。

2.机器人底盘运动控制

本文选择移动机器人的底盘机构采用3个全向轮，3个电机为Studica提供的带编码器的12V直流减速电机，电机驱动器采用Studica提供的MXP-MD2电机驱动板。控制器和HUB的供电由黑鹰板（Black Hawk）实现转接，两块驱动板的供电和电源并接，底盘电气控制接线。

这里采用三角形的搭建方法，电机之间的角度是120°，并且使用全向轮作为运动轮，可以实现机器人在场地中运行时不受姿态方向的影响，360°全方位的运动，从而机器人可实现前进、后退、平移、旋转、爬坡等能力，这样搭建的底盘能够保障机器人足够稳定的完成所规定的任务。这样不但可以在运动性能上会更加灵活，而且可以减少一个套件电机节约了制作成本。

3.三轮全向轮运动学分析

三个轮子互相间隔120°，每个全向轮由若干个小滚轮组成，各个滚轮的母线组成一个完整的圆。机器人既可以沿轮面的切线方向移动，也可以沿轮子的轴线方向移动，这两种运动的组合即可以实现平面内任意方向的运动。

这里依据移动机器人全向轮的三个轮子（轮1、轮2、轮3）采用120°的安装方式构建三轮全向移动机器人的运动模型，建立移动机器人的坐标系xoy如图1所示：

首先，对移动机器人轮子1作受力分析可以推出公式：

v1=-vx*cos（60）-vy*sin（60）+wL                                         （1）

再對移动机器人轮子2作受力分析可以推出公式：

v2=vx+wL                                                                        （2）

对移动机器人的轮子3作受力分析可以推出公式：

v3=-vx*cos（60）+vy*sin（60）+wL                                       （3）

于是得到机器人相对于xoy坐标系的速度转换为三个轮子的速度，从而有以下矩阵：

          （4）

接下来，由机器人坐标系xoy转换成大地坐标系XOY（如图2）：

可得出以下矩阵方程：

（5）

于是再将大地坐标速度转化成每个轮子的速度就得出以下矩阵：

（6）

整理后得出：

（7）

根据三角函数的运算关系化简得：

（8）

通过此方程即可以将场地的速度与轮子的速度连接起来，就可以根据这个算法将轮子的速度算出来，由此可以通过控制机器人电机的转速从而控制轮子的运动。

在坐标移动方式中可分为相对坐标移动与绝对坐标移动，相对坐标移动就是已机器人自身作为坐标运动的中心，可以向任意方向运动，而绝对坐标移动是已运动空间中的某一个点作为坐标运动的中心向任意方向运动。

4.结论

本文所设计的移动机器人需要在2m*4m的“虚拟工厂”中完成自由移动，其中包括机器人在出发区域、工作站、零件站、斜坡平台，经过反复测试实践，机器人在该场地中均能够成功地、稳定地完成前进、后退、旋转动作。

并且机器人在虚拟工厂中的斜坡平台上进行移动测试时，正是因为机器人采用了三角形底盘布置，重心相对更加稳定，从而可以得出采用这种三轮框架结构的移动机器人运动性能和适应性方面更加优越，能够满足斜坡等恶劣条件下的移动需求。

参考文献：

[1]文相容，周宇生.三轮移动机器人的精确运动控制设计[J].重庆大学学报，2021年5月第44卷第5期

作者简介：程晓峰（1977.4—），男，辽宁抚顺人，副教授，工学硕士，主要从事机电工程、机器人技术方面研究。