翻译向轮移动机器人的设计和控制.docx

《翻译向轮移动机器人的设计和控制.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《翻译向轮移动机器人的设计和控制.docx（7页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、全向轮移动机器人的设计和掌握050308225 Alex.Wang摘要这篇论文介绍一个全向移动机器人作为教育学习。由于它的全向轮设计，这种机器人拥有有各个方向移动的力量。这篇论文主要供给了一些关于常用的和特别的车轮设计，以及全向轮机械设计方面和电子掌握方法：远程掌握、自动导航寻迹和自动掌握的方法。1、引言移动机器人在工业和技术方面应用的重要性正在日益的增加，在无人监控值守、检查作 业、运输运送领域已经得到了广泛的应用。一个更加紧俏的市场是移动消遣机器人的开发。作为一个全自动的移动机器人，其中一个主要的应用需求是它的空间移动力量，同时能 够避开障碍物并且觉察去下一站的路径。为了能实现这种任务，能

2、够引导机器人移动的功能 如定位、导航必需为机器人供给他当前位置信息，这就意味着，它要借助于多个传感器，外部的状态参考和算法。为实现移动机器人能够在狭窄的区域移动并且避开障碍物，必需具备良好的移动性能并得到正确而奇异的引导，这些力量主要取决于车轮的设计。关于这方面的争论正在持续不断的进展，以改善移动机器人系统的自动导航力量。本篇论文介绍一种全方向的移动机器人作为教育之用。承受特别的 Mecanum 轮设计， 使这种机器人拥有全部方向的移动力量。论文目前供给一些关于传统的和特别的车轮设计、机械构造设计以及电路和掌握方法、远程遥控、线性跟踪LINE FOLLOW、自动掌握方面的信息。由于这种机器人的

3、移动力量和它各种掌握方法的多样选择性，本章中争论的机器人可 以作为一个格外好玩的教育性平台。这篇论文是一项在 Robotics Laboratory of the Mechanical Engineering Faculty, ”Gh. Asachi” Iasi 理工大学争论成果的总结报告。2、全方向移动力量“全方向”这个术语是用来描述一个系统在任意的环境构造中马上向某一方向移动的能 力。机器人型运动装置通常是为在平坦的平面上移动而设计的，运行在仓库地面、路面、LAKE、桌面等。在这种二维的空间，一个物体有三个自由的维度，能够在各种方向之间转换并且能 够以物体的重心为中心进展旋转，但是很多传统

4、的车辆不能独立地掌握每个方向的度数。传统的车轮不能够向平行于轮轴的方向移动，这种所谓的非完整的限制车轮阻挡了车辆使用侧向滑动，比方小汽车，向垂直于行驶的方向移动。虽然它能够在一个二维的空间根本到达每个位置和方向，但需要简单而奇异的引导和简单的路径来完成。这种状况在人工操作和自动驾驶的车辆上都是存在的。当一个车辆没有完整性的限制holonomic constraints,它可以在任何方位驶向每一个方向，这种力量就是被广泛熟知的全向移动力量。全向移动装置在常规的non-holonomic的平台上拥有格外大的优势，伴随像汽车一 样的阿克曼(车)转向驾驶盘或者不同的驾驶系统，在狭窄的区域移动。它们可以

5、在狭窄的小道上横行或斜行、原地转向或者沿着简单的轨道移动。这种机器人可以在有固定或者活动的 障碍物以及狭窄的小道等简单环境中轻松的完成任务，这种环境通常可以在工厂车间、办公 室、仓库以及医院等地方觉察。敏捷的材料处理和运动，加上实时的掌握已经成为现代制造业一个根本的局部。自动引导的移动装置VGAS在敏捷的制造系统中用来移动和调整部件而得到了广泛的应用。全向移动装置进展的将来是更进一步的提高这种构造的有效性，并且增加一个可以测试 车辆特别的机动性的地面行驶平台。全向移动装置依据移动性能而排列的车轮可以分为两类： 常规的车轮设计和特别的车轮设计。三、车轮设计1、传统的车轮设计传统的用于拥有全向移动

6、力量的机器人的车轮设计可以分为两个类型， 脚轮(caster wheels)和方向轮(steering wheels)。与特别的车轮配置相比，它们拥有更好的路面适应力量并且能更好的承受地面的不规章irregularities。但是，由于他们非完整的特性而并不拥有真正的全向性，由于当遇到沿着一个不连续的弯道移动时只有很有限的时间让转向马达驱动车轮以重适应那个设计好的弯道。在大多数应用中这个过程通常所需的时间比整车辆的动力学快的多。因此，可以认为他是可以实现零半径轨迹运行的并且保存了全方位这个术语的称号。大多数包含传统轮子和近似全方位的移动机构，至少是将两个独立掌握和独立驱动的轮子组合在一起的。活

7、动的小脚轮(Castor wheels)或者是传统的方向轮(steered wheels)可以用来实现这种近似的全方位移动力量。2、特别的车轮设计特别的车轮是基于活动有效的牵引力在一个方向，而允许被动移动在另外一个方向这样的概念而设计的，因此在拥挤的环境中拥有了更大的敏捷性。这种设计中包含了一般的车轮、Mecanum(Swedish)轮和球形轮这种机械构造。一般的车轮构造在转向中供给了一种限制性的和非限制性相结合的移动力量。这种机械装置在车轮的直径外围安装了多个小滚轮，这样的车轮可以正常的转动，同时可以在平行于轮轴中心线的方向自由的滚动。车轮可以完成这种动作是由于小滚轮和车轮旋转时的中心轴线是

8、相垂直安装的。当两个或者更多的这种车轮安装在运载平台上，他们这种限制性和非限制性相结合的移动为全向移动力量供给了可能。Mecanum(Swedish)轮在设计上和一般的轮子格外的相像，除了它四周有很多按角度均分镶嵌镶嵌的小轮，如图 1 所示。这种构造把一局部沿轮子旋转方向的力转化成了垂直于轮子旋转方向的力。这种平台构造由四个车轮组成，就像一辆小汽车那样。由于每个轮子不同的旋转方向和转速，四个车轮各自受的力所形成的合力是一个矢量，这就为移动装置转向任一方向供给了可能。另外一个特别的车轮设计是球形的车轮机械构造。它使用一个由马达和变速器驱动的活动圆环来通过摩擦力将能量从小滚轮传递到球形轮上，这样球

9、形轮能够马上的向某一方向旋转。四、Mecanum Wheel 的构造设计更为常见的全方位轮的设计是 Mecanum 轮,由一个在瑞典 AB 公司的工程师 Bengt Ilon 于1973 年制造。车轮由一个轮轴携带一些和轮轴圆周呈45 度角的能自由移动的小滚轮组成。小滚轮的轴线和主轮轴线间的夹角理论上可以是任意的值，但是在 Swedish 轮中通常是呈45 度角。边缘呈肯定角度的小滚轮将一局部沿轮子旋转方向的力转化成了垂直于轮子旋转方向的力。依据各个轮子的旋转方向和速度，这些力的合力形成了一个的矢量指向需要的 方向，因而能够让移动平台自由地沿着合力矢量方向移动而不需要转变车轮的转向。图 4-1

10、Mecanum Wheel小滚轮的外形正如全方位轮的轮廓在图1 中所示。我们可以通过削割圆柱得到小滚轮的外形，具有外部直径的车轮，在同一个平面里的角度小滚轮和轮轴线的角度=45。这种模型符合方程：R 是轮子外部的半径长度。12 x2 + y2 - R2 = 01假设小滚轮的长度 Lr 比轮子的外部半径R 小很多，那么小滚轮的外形就和一个以 2R 为半径的圆环差不多。为了使轮子的外形轮廓是圆形的，小滚轮的最小数量应当计算出来如图4-2。图 4-2轮子的设计参数依据图 4-2，假设小滚轮的长度参数 Lr 确定了，那么可以得出小滚轮的数量n，n = 2pj2其中：jL= 2arcsin rg 3 2

11、R sin假设我们假设小滚轮的数量n 是知道的，同样我们可以得出小滚轮的长度：sin jsin pL = 2R2 = 2Rn4rsin gsin g轮子的宽度为：l= Lwrsin pcosg = 2Rn5sin g本文中=45，可得：Lrlw= 22R sin pn= 2R sin pn67小滚轮既不具有驱动力量也没有感知力量。这种设计的关键优势是，尽管单个轮子的转 动只由主轮轴驱动，每个轮子可以沿着多种轨迹方向伴随着一些摩擦力实现运动学上的移动， 而不是仅仅的向前或者向后运动。一个 Swedish 全方位轮拥有三个方向的自由度，包括轮子的转动、小滚轮的转动和伴随着垂直于轮面的轴通过与地面的

12、接触点时转动而产生的滑动如图 4-3。在全方位轮中，车轮的速率可以分解为有效活动的方向和被动的方向两个局部。活动有效局部的方向是和与地面相接触的小滚轮轴线相重合的，而被动局部的方向是和小滚轮的轴线相垂直的。图 4-3Mecanum Wheel 的自由度五、电子学掌握功能设计正如我们前面提到的，可以使用一种命令系统让这种机器人实现远程掌握，也可以让它沿着轨迹运动或者使用一种超声波传感器自动避让障碍物实现自动导航。图 6-1掌握系统为了接收图 6-1 中掌握系统供给的信号，或者是探测障碍物并且掌握马达运行，基于PIC16F876 微掌握器的芯片主板放置于机器人使用如图 6-2。图 6-2电子芯片主板