全向輪機(jī)構(gòu)及其控制設(shè)計

1、作業(yè)名稱：全向輪機(jī)構(gòu)及其控制設(shè)計 學(xué)生姓名：石維亮 02001433全向輪機(jī)構(gòu)及其控制設(shè)計Mecanum輪的研究與研制引言直接電流注入法相關(guān)背景知識介紹現(xiàn)在，作為移動機(jī)器人而開發(fā)的移動機(jī)構(gòu)種類已相當(dāng)繁多，僅就地面移動而言，移動機(jī)構(gòu)就有車輪式、履帶式、腿腳式、軀干式等多種形式。其中全方位輪式移動機(jī)構(gòu)無需車體做出任何轉(zhuǎn)動便可實(shí)現(xiàn)任意方向的移動，并且可以原地旋轉(zhuǎn)任意角度，運(yùn) 動非常靈活，可沿平面上任意連續(xù)軌跡走到要求的位置。在此，本文對其中的最具特色的Mecanum全方位輪進(jìn)行研究并進(jìn)行輪體的參數(shù)及關(guān)鍵零件的設(shè)計。Mecanum全向輪由于設(shè)計獨(dú)特，運(yùn)動靈活，且運(yùn)動不受限于所處空間而使其應(yīng)用范圍更為廣

2、泛。1 Mecanum輪的原理與結(jié)構(gòu)1.1單個輻子的運(yùn)動原理圖1-1 Mecanum輪運(yùn)動參量的定義Mecanum外形像一個斜齒輪，輪齒是能夠轉(zhuǎn)動的鼓形輻子，輻子的軸線與輪的軸線成a角度。這樣的特殊結(jié)構(gòu)使得輪體具備了三個自由度：繞輪軸的轉(zhuǎn)動和沿輻子軸線垂線方向的平動和繞輻子與地面接觸點(diǎn)的轉(zhuǎn)動。這樣，驅(qū)動輪在一個方向上具有主動驅(qū)動能力的同時，另外一個方向也 具有自由移動（被動移動）的運(yùn)動特性。輪子的圓周不是由普通的輪胎組成，而是分布了許多小滾筒，這些滾筒的軸線與輪子的圓周相切，并且滾 筒能自由旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動車輪旋轉(zhuǎn)時，車輪以普通方式沿著垂直于驅(qū)動軸的方向前進(jìn)，同時車輪周邊的輻子沿著其各自的軸線

3、自由旋轉(zhuǎn)。圖 1-1 為Mecanum輪的各結(jié)構(gòu)和運(yùn)動參量。12全方位輪協(xié)調(diào)運(yùn)動原理圖1-2為采用全方位移動機(jī)構(gòu)的車輪組合情況，輪中的小斜線表示觸地輻子的軸線方向。每個全方位輪都由一臺直流電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動，通過四個全方位輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向適當(dāng)組合，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在平面上三自由度的全方位移動。4個全方位輪組成的機(jī)器人底座的力分析如圖，其中為輪子滾動時小 輻子受到軸向的摩擦力； 為小輻子做從動滾動時受到的滾動摩擦力；3為各輪轉(zhuǎn)動的角速度。圖1-2組合運(yùn)動圖2 Mecanum輪的參數(shù)設(shè)計假設(shè)圖2-1中所示的圓柱是全方位輪的理論設(shè)計圓柱，曲線 AB是輪子滾動時輻子與地面的接觸線。曲線 AB是等速螺旋線，曲線AB

4、繞直線 AB旋轉(zhuǎn)一周就形成了全方位輪輻子的曲面。圖2-1輻子生成圖由上述模型設(shè)計如下參數(shù)：半徑I g輻子輪廓上任意一點(diǎn)相對于AB的距離6及其最大值4II (mm),由前面的推導(dǎo)知道輻子最大半輻子軸線與輪子Z軸的夾角a (rad)輻子軸線與輪子Z軸的最小距離(mm)；輻子的數(shù)目N;輪子的實(shí)際寬度b (mm)；全方位輪的運(yùn)動連續(xù)性比率系數(shù)。用Matlab編程計算相應(yīng)推導(dǎo)出的參數(shù)公式，關(guān)鍵參數(shù)如表2-1。R(mm )B(mm )l(mm )N8 min(mm )8 max(mm )a(o )S min(mm )Y(o )e o(mm )b '(mm )56735697.9711.4842.9

5、444.5274.6916.871.0240.993關(guān)鍵零件的設(shè)計加工及裝配3.1輻子的設(shè)計加工設(shè)計出輻子參數(shù)后，本文先用Matlab計算出輻子廓線上各點(diǎn)值，然后在AutoCAD中用若干段圓弧去近似等速螺線，工程圖中給出各段圓弧的數(shù)控制加工參數(shù)(圓心、半徑、起終點(diǎn)等)，最后在數(shù)控車床上加工(根子及空間布置的軟件模擬見圖3-1A)。B.輪體安裝圖A.輻子空間布置圖3-1 Mecanum全方位移動輪32輻子的安裝輪轂的設(shè)計加工本文的理論設(shè)計難點(diǎn)是輻子的參數(shù)設(shè)計及加工，但實(shí)際操作中，各參數(shù)涉及的空間角度復(fù)雜，輪轂的設(shè)計加工更是難點(diǎn)。輪轂的設(shè)計加工包括 輻子安裝直接影響Mecanum輪的運(yùn)動精度。參見

6、圖3-1B。4模型分析運(yùn)動學(xué)模型是全方位輪協(xié)調(diào)無碰運(yùn)動軌跡時規(guī)劃的理論依據(jù)，而動力學(xué)模型是研究動態(tài)環(huán)境下的實(shí)際時變運(yùn)動規(guī)劃問題的基礎(chǔ)。運(yùn)動學(xué)建?？?以從理論上證明全方位輪是如何協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的全方位運(yùn)動的，并且為進(jìn)一步建立動力學(xué)模型提供基礎(chǔ)。本文作了三個合理的假設(shè)：<1>忽略本體及輻子的柔性；<2>忽略工作場地的不規(guī)則，即四個全方位輪能同時正常運(yùn)轉(zhuǎn);<3>全方位輪與工作面有足夠大的摩擦力，輪體不存在打滑現(xiàn)象。首先設(shè)定移動機(jī)器人的幾個不同坐標(biāo)系，推導(dǎo)不同坐標(biāo)系間的變換關(guān)系進(jìn)而求輪體雅可比矩陣，并求出運(yùn)動學(xué)問題的正逆問題最小二乘解。在運(yùn)動學(xué)基礎(chǔ)上，求輪體復(fù)合系統(tǒng)

7、在固定坐標(biāo)系中的加速度及加速度能，并求出動力學(xué)正逆問題解，為全方位移動機(jī)器人的進(jìn)一步研究提供理論模型。5四輪協(xié)調(diào)的控制測試電路Mecanum輪的參數(shù)設(shè)計好并加工出實(shí)體后，能否滿足運(yùn)動要求，最直接的檢驗方法就是裝配好實(shí)際調(diào)試。Mecanum全方位輪的思想即是多輪的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全方位移動。這里的控制測試電路用51系列單片機(jī)及L298驅(qū)動芯片控制驅(qū)動電機(jī)來實(shí)現(xiàn)移動機(jī)器人基本方位的運(yùn)動控制（如圖5-1）6研究結(jié)論及展望放眼國內(nèi)外從事移動機(jī)器人的研究，前景不可謂不可觀，不斷有新型移動機(jī)器人出現(xiàn)，而且其功能也不斷完善，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大，逐漸會 在很大程度上代替人的勞動。通過本文的研究學(xué)習(xí)，

8、Mecanum輪獨(dú)特設(shè)計思想及其運(yùn)動靈活性已呈現(xiàn)于眼前，并發(fā)現(xiàn)全方位移動機(jī)構(gòu)的仍有很寬廣 的應(yīng)用前景。Mecanum輪可以為其他需要全方位移動場合提供硬件支持，如導(dǎo)游機(jī)器人、導(dǎo)購機(jī)器人、電動輪椅、擁擠的倉庫作業(yè)及需要靈活平穩(wěn)運(yùn)動的測量裝置等。參考文獻(xiàn):1 Patrick F.Muir and Charles P. Neuman. Kinematic Modeling For Feedback Control Of An Omnidirectional wheeled Mobile RobotJ.CH2413-3/87/0000/1772S01O0O c1987 IEEEPA 15213:177217782 Isik, Can. Meystel, M.Alexander. Pilot Level of A Hierarchical Controller for An Unmanned Mobile Robot. IEEE Journal of Robotics&Automation,1988,4(3)