全方位轮移动机构的原理和应用

全方位轮移动机构的原理和应用 吕伟文 (无锡职业技术学院 　江苏 　无锡 　214121) 摘要 :轮式移动机构在移动机器人中得到了广泛的应用。全方位轮移动机构具有一般的轮式移动 机构无法取代的独特特性 ,对于研究移动机器人的自由行走具有重要意义。目前已有的全方位移动机 构种类较多 ,该文着重阐述了麦克纳姆轮全方位移动机构的结构和原理。 关键词 :移动机器人 ; 全方位轮 ; 麦克纳姆轮 ; 全方位移动机构 中图分类号 : TH112. 3　　文献标识码 : A　　文章编号 : 167127880 (2005) 205215202 The Pr inc iple and Applica tion of A ll - d irectiona lM ov ing M echan ism Lv W eiwen Abstract:W heel - model moving mechanism is widely used throughout robots. A ll - direction mechanism has special characteristics that can not be rep laced by other mechanism , and is also very important for robots’ freely walking. Nowadays, there are all kinds of all - direction moving mechanism. This article expatiates the p rincip le and app lication of the MECANUM wheel. Key W ords:Moving robot ; A ll - direction wheel ; The MECANUM W heel; A ll - direction moving mecha2 nism 收稿日期 : 2005203228 作者简介 :吕伟文 (1966 - 　) ,女 ,江苏无锡人 ,无锡职业技术学院讲师。 　　移动机器人是机器人家族中的一个重要分支 ,也是进 一步扩展机器人应用领域的重要研究方向。对移动机器 人运动控制的研究 ,一直得到学者们的普遍关注。移动机 器人狭义上指的是地面可移动机器人 ,能在工作环境内移 动和执行服务功能是移动服务机器人的两大特点。移动 机构是组成移动机器人的重要部分 ,它是保证机器人实现 功能要求的关键 ,其设计的成功与否将直接影响机器人系 统的性能。目前 ,移动机构开发的种类已相当繁多 ,仅就 平面移动而言 ,移动机构就有车轮式、履带式、腿足式等形 式。各种移动机构可谓各有千秋 ,适应了各种工作环境的 不同要求 ,但车轮式移动机构显得尤其突出。它的优点很 多 :能高速稳定地移动、能源利用率高、机构简单、控制方 便、能借鉴日益完善的汽车技术和经验等等 ,它的缺点是 移动场所限于平面。但是 ,目前机器人工作的场所几乎都 是人工建造的平地 ,并且即使有台阶 ,只要以车轮式移动 机构为基础再附加几个自由度便不难解决。因而 ,轮式移 动机构在机器人技术中得到广泛应用。 轮式移动机构的类型很多 ,对于一般的轮式移动机 构 ,都不可能进行任意的定位和定向 ,而全方位移动机构 则可以利用车轮所具有的定位和定向功能 ,实现平面上的 自由运动。由于全方位轮移动机构具有一般的轮式移动 机构无法取代的独特特性 , 因而成为机器人移动机构的 发展趋势。本文着重对麦克纳姆全方位轮机构作一些探 讨。 一、全方位移动机构简介 在移动机器人应用中 ,平面内需要三个坐标值来确定 唯一状态 :其中两个坐标用于确定机器人位置 (X, Y) ,另 外一个用于确定机器人的方向 (θ)。全方位移动是指移 动机构在二维平面上从当前位置向任意方向运动的能力。 目前我们所见到的绝大多数的轮式移动机构都不是全方 位的。具有全方位运动能力的移动机构能够实现完美的 运动性能 ,即能够在当前位置沿着任意方向的路径移动。 它比非全方位机构有着明显的优势 ,例如 ,全方位移动机 构由于其零回转半径的特点 ,可以在拥挤或狭窄的场所内 第 4卷第 2期 无 锡 职 业 技 术 学 院 学 报 2005年 6月 Journal ofW uxi Institute of Technology Vol. 4 No. 2 Jun. 2005 使车体灵活自如地穿行 ,在诸如仓库走廊室内可使运载小 车实现任意方向的移动。另外 ,全方位移动机构还可以对 自己所处位置进行细微调整 ,实现精确定位和高精度轨迹 跟踪等。 当前全方位移动机构主要有三种形式 :全轮转向式全 方位移动机构、正交轮和麦克纳姆轮。其中 ,麦克纳姆轮 (Mecanum)是其中做得较为成功、技术较为成熟的一种全 方位轮 ,见图 1所示。Mecanum轮为瑞典Mecanum公司的专 图 1　Mecanum全方位轮 利。通过将多个 (通常是三个或四个 )Mecanum轮以一定 的方式组合 ,可使移动机构具备全方位移动功能。美国卡 内基 ·梅隆大学的 Muir、Neuman等人研制出的一台具有 四个 Mecanum轮的全方位移动机器人 ———URANUS,该机 器人可灵活地在地面上自主运动。 二、全方位轮机构运动原理 图 2所示为 Mecanum轮的原理结构 ,其外形象一个 斜齿轮 ,轮齿是能够转动的鼓形滚子 ,滚子的轴线与轮的 轴线成α角度。滚子有两个自由度 ,在绕自身转动的同时 又能绕车轴转动。这使得轮体本身也具备了两个自由度 : 绕轮轴的转动和沿滚子轴线垂线方向的平动。这样 ,驱动 轮在一个方向上具有主动驱动能力的同时 ,另外一个方向 也具有自由移动 (被动移动 )的运动特性。轮子的圆周不 是由普通的轮胎组成 ,而是分布了许多小滚子 ,这些滚子 的轴线与轮子的圆周相切 ,并且滚子能自由旋转。当电机 驱动车轮旋转时 ,车轮以普通方式沿着垂直于驱动轴的方 向前进 ,同时车轮周边的滚子沿着其各自的轴线自由旋转。 图 2　Mecanum轮的运动参量 　　N个这种车轮适当地组合就可能构成在平面上具有 三个自由度 ( X方向平动、Y方向平动、绕中心垂轴的转 动 )的全方位移动机构。图 3所示为采用四个全方位轮的 移动机构的车轮组合情况 ,轮中的小斜线表示触地滚子的 轴线方向 ,分左旋和右旋两种。每个全方位轮都通过减速 器由一台直流电机独立驱动 ,四个轮子最后的合成速度就 是机器人的移动速度和方向。通过四个全方位轮转速的 适当组合 ,可以实现机器人在平面上三自由度的全方位移动。 图 3　全方位移动机构车轮组合图 (下转第 23页 ) 61 第 4卷　 无 锡 职 业 技 术 学 院 学 报 lastflags: = TRUE string: = GetL ine (p roducedata, n) 以下代码同上 ”斜体字 ”部分. “前一条记录 ”图标中为 : n: = n - 1 nextflags: = TRUE lastflags: = TRUE if n < 1 then n: = 1 firstflags: = FALSE p reflags: = FALSE end if string: = GetL ine (p roducedata, n) 以下代码同上 ”斜体字 ”部分. “后一条记录 ”图标中为 : n: = n + 1 firstflags: = TRUE p reflags: = TRUE if n >L ineCount(p roducedata) then n: =L ineCount(p roducedata) nextflags: = FALSE lastflags: = FALSE end if string: = GetL ine (p roducedata, n) 以下代码同上 ”斜体字 ”部分. “最后一条记录 ”图标中为 : n: =L ineCount(p roducedata) firstflags: = TRUE p reflags: = TRUE string: = GetL ine (p roducedata, n) 以下代码同上 ”斜体字 ”部分。　　以上设置准确无 误后点击“浏览信息 ”从而就可以看到存放在数据库中的 内容了 ,如下图所示。 本文针对目前 AUTHORWARE访问光盘中数据库的 技术中的最常用的数据库遍历技术给出了完整的解决方 案 ,如要开发“数据库中查找 ”,“修改 ”等模块只需在以上 基础上略加修改即得之。 以上实例在 AUTHORWARE 7 + ACCESS2000 AUTHORWARE 6 + ACCESS2000中分别调试通过。 参考文献 : [ 1 ] 袁海东. Authorware 7. 0变量与函数参考手册 [M ]. 电子工业 出版社. [ 2 ] 于占军. 突破 Authorware6. 0多媒体制作实例培训教程 [M ]. 北京 :希望电子出版社. (责任编辑 顾京 ) 　　 (上接第 16页 )若使用普通车轮 ,在此情况下 ,这种 组合只能实现前后的运动 ,若要转向 ,则需要加装转向辅 助轮作为其从动轮。但对于全方位轮来说 ,其特点就是能 产生一个相对于轮体的轴向分力 ,通过调整各个轮子的转 向和转速 ,形成一个与地面固定坐标系成一定角度的合 力 ,从而实现了整个轮系的全方位运动。 对于图 3所示的四个全方位轮的安装形式 ,沿 X、- X 方向移动时 ,四个车轮转向及转速是相同的 ;当沿 Y、- Y 方向移动时 ,同侧两轮相向而动 ,且四个车轮的转速相同。 其它形式的运动 ,四个车轮根据运动模型中的转换矩阵来 求得各个全方位轮的转向及转速。 由四个麦克纳姆轮全方位轮组成的万向移动机构 ,运 转灵活 ,控制方便 ,若在轮体上追加传感器 ,再控制好转速 和转向 ,就可能实现精确定位和轨迹跟踪 ,应用前景较好。 对于像导游机器人、导购机器人、清扫机器人、电动轮椅等 需要在拥挤空间里工作的情况下 ,采用全方位轮机构是一 种较好的选择。但是这种结构较为复杂 ,其车轮与地面的 有效接触面积减少 ,使得其有效负载能力变小 ,效率不高 ; 轮缘上的小滚子不是处于纯滚动状态 ,容易磨损 ,滚子轴 的受力不均匀 ,损坏的可能性很大 ;运动轨迹的精确性也 不高 ,限制了进一步的发展。同时 ,这也使得怎样提高其 运动精度和承载力成为当前麦克纳姆轮研究的热点。 参考文献 : [ 1 ] 周大威 . 全方位移动半自主控制清扫机器人的研究 [M ]. 哈 尔滨工业大学 , 2000, 12. [ 2 ] 景兴建 . 移动机器人运动控制研究 [M ]. 中国科学院沈阳自 动化研究所 , 2001, 03. [ 3 ] 张海兵. 轮式全方位移动机构的研究 [M ]. 哈尔滨工业大 学. 2001, 07. (责任编辑 胡小勇 ) 32第 2期 杨文 : Authorware光盘中数据库访问研究