全方位移动机器人-翻译.docVIP

XXX：外文翻译一种全方位移动机器人叶长龙 ，马书根，回丽沈阳航空航天大学 机电工程学院，中国沈阳110136中国科学院沈阳自动化研究所机器人国家重点实验室，中国沈阳110016日本立命馆大学机器人技术系, 滋贺525-8577, 日本摘要：研制了一种新型全方位轮式移动机器人, 该机器人主要由三个特殊的轮式结构MY 轮组成。 MY 轮利用球体的运动原理, 将球体分为接触区和非接触区, 利用两球体的接触区与非接触区的相互补充实现了万向轮的功能，两部分球体的被动旋转轴成 45 交叉布置, 实现了与地面的连续接触；同时该结构也增加了万向轮的强度，对轮式移动机构的运动学分析和仿真证明了该机构能够实现全方位移动。机器人的运动实验也证明了该万向轮机构不仅能够实现全方位运动, 而且还能够跨越障碍物。关键词：全方位移动机器人，机构设计，运动学分析1、简介：一直以来, 移动机器人以其广泛的应用性和高技术性而备受关注。传统的移动机器人包括轮式移动机器人、履带式移动机器人和腿式移动机器人。轮式移动机器人的轮子本身与地面接触点之间存在运动学约束， 根据该约束的限制将轮式移动机构大体分为: 普通车型、平行轮型和全方位型。普通车型的轮式移动机器人就像汽车一样不能原地回转也不能侧向运动, 很难应用到狭窄的环境中，平行轮型机构具有两个独立的驱动轮和一个或多个脚轮, 这种机构能够原地回转但不能侧向运动。而全方位型移动机构即能够实现原地转动又能够实现侧向运动, 具有很强的运动灵活性。这种机器人可以应用到自动化工厂、医院、家庭和其他狭窄环境, 具有广泛的应用前景。目前, 全方位移动机器人大致分为两种: 一种是采用特殊轮结构, 而另一种是应用传统轮结构。多数的特殊轮结构的设计理念是: 在轮子的一个方向上具有约束以获得驱动力, 而在另一个方向上去除约束以实现被动运动。作为特殊轮的一个经典的设计为: 在一个传统轮结构的圆周上安装一系列的被动轮, 这些被动轮的旋转轴垂直或倾斜于传统轮的旋转轴, 例如: 麦克纳姆轮的设计1。其他特殊轮结构的设计包括正交轮结构2和球轮结构3。特殊轮结构的全方位移动机器人具有很强的运动灵活性和稳定性4, 而且能够非常精确地实现轨迹跟踪。但是该类机器人除了机构比较复杂之外, 还存在着越障能力差, 承载能力低, 被动滚轮容易引起车体振动等缺点。这种轮子结构不适用于脏乱的场合, 因为细小物体很容易搅到被动滚轮的旋转轴上, 影响机器人的运动。正交轮的机构简单, 但承载能力不足。球轮结构驱动灵活, 但机构过于复杂4,5。基于传统轮结构的全方位移动机器人主要采用转向和旋转都具有独立驱动的脚轮结构6, 这种机构虽然承载能力强, 但运动灵活性和稳定性较差。在根据球面结构联接特点，本文提出了一种新颖的全向MY轮，该轮结构简单，敏捷度高。其与地面的持续接触是通过使用两个斜交半球的主动和被动运动来实现轮体的运动。本文全向移动机器人的设计，是在轮体结构特点的基础上结合它的运动学进行分析。最后，给出该类型机器人的运动实验结果。2、全向移动机构图1 Mecanum车轮 图2可替代车轮 图3正交车轮麦克纳姆轮是一种非常有效的全方位运动机构如图 1 所示, 它的轮体不是由普通的轮胎组成, 而是分布了许多能够自由旋转的小棍子。这些小棍子类似斜齿轮的齿, 棍子的回转轴线与轮子的回转轴线成一定的倾斜角度布置 (通常为 45 ), 而这些棍子的外廓线与轮子的理论圆周线相重合, 保证了轮子与地面的连续接触及棍子的自由旋转。麦克纳姆轮具有 3 个自由度, 一个是绕轮子轴线转动, 第2 个是绕棍子轴线的转动, 第 3 个是绕轮子和地面接触点的转动。其中轮子由电机驱动, 另 2 个自由度自由运动7。连续切换轮是由一个轮盘支架和固定在支架上的棍子构成, 如图 2 所示, 这一周的棍子组成的外轮廓线恰好是连续切换轮的外轮廓线。轮的回转轴线与棍子的回转轴线垂直, 这与麦克纳姆轮的角度不同, 可以认为连续切换轮是麦克纳姆的一个特例, 两种轮的运动原理基本相同。正交轮是一种依靠两组机构交替地与地面接触实现运动的机构, 如图 3 所示, 通常采用去除球冠的两个球体来运动。由于两个球体回转轴线的垂直布置, 所以称这种轮为正交轮。偏心轮机构通常是由一个处于偏心位置的驱动轮和一个带有偏心的驱动机构组成。 偏心轮机构不采用轮盘上辊子切换的方式来运动, 减少了运动过程中的震动和打滑现象, 但这种机构在运动的灵活性略显不足。 图4调心球轮运动 图5 MY轮的基本结构 3、MY轮的设计基于对全方位轮的种种探讨, 本文设计了一种新的基于球体结构的全方位移动机构. 该机构运用球体运动原理, 为实现某个方向上的被动运动, 将球体分为两个基本部分, 并采用交差轴的办法实现与地面的连续接触。当驱动轴旋转时, 由于刚体之间和旋转轴间的相互干涉, 某个方向的运动无法被一个球体结构所完成。如图 4 所示, 当主动轴转动某一位置时, 如果在该位置设计球形结构来实现被动运动, 那么该部分的被动运动不能与主轴相干涉也不能被限制住。因此, 只能选择球体一部分的自由旋转来实现被动运动, 见图 4 中的自由旋转部分, 自由旋转部分为球体与地面的接触区。另外为确保有效的被动运动切去了球冠的顶部, 因为当该顶部与地面接触时, 地面产生的接触力指向被动轮的回转中心线, 造成这个方向的被动运动由被动轴限制住, 见图 4 所示的干涉区。参考文献7中采用小被动轮的办法来弥补干涉区的不足和减小主轴所占空间使机构的运动连续性及强度受到很大限制。所以本文设计斜交的球轮结构 MY 轮来相互补充以实现连续运动, 并实现全方位功能, 如图 5 所示。为实现两个结构在功能上的相互补充, 两个部分球体旋转的被动轴之间夹角设定为 45使接触区与非接触区相互错开, 如图 6 所示，左视图和右视图显示了在该机构的驱动方向上完全是一个圆形结构, 从而保证了驱动的连续性。而在被动方向自由旋转方向上, 约束力被球冠绕被动轴的自由旋转运动卸载。图6 MY轮的基本结构说明图由图 7 MY 轮的接触相位图可以看出，当主动轴在 1, 3, 5, 7 位置时，球体 2 的 1, 3, 5, 7 区在与地面接触实现被动运动。当主轴在 2, 4, 6, 8 区时，球体 1 的 2, 4, 6, 8 区将与地面接触实现被动运动。为确保该轮在运动过程中的连续性，设计过程中保证了接触线的重叠性，这样的设计使轮与轮在交替过程中的运动更稳定。具体方法为加大每个轮的接触区，减小空间区域的角度，即加大球体 1 的 2, 4, 6,8 区域的角度为 46 度, 减小 1, 3, 5, 7 区域的角度 44 度。同理, 将球体 2 接触区域的角度加大，而将非接触区域的角度减小。使得两个轮在与地面的交替接触过程中出现同时接触状态.。当球体 1 轮刚刚要脱离地面的时候，球体 2 已经接触地面；而球体 2 要脱离地面的时候，球体 1 已经接触地面，从而保证了机器人运动的稳定性。图7 MY轮相图 图8给出了 MY 轮与地面接触的运动序列图, 由图可以清楚地看出轮与地面的交替接触过程。当然该轮的交替运动也可以通过布置在两平行轴上的球体部分来实现 (与正交轮类似), 但会增加机构设计的复杂性, 为易于实现本文采用了同轴结构, 这方面的分析详见参考文献4。图 9 给出了 MY 轮的机械结构图, 为减少轮的转动惯量, 采用了被动轮旋转轴固定的方式来设计轮体结构。通过增加被动轮的尺寸及强度, 该轮与麦克纳姆轮及正交轮相比明显增加了轮的强度, 进而增加了移动机器人的承载能力。基于万向轮的基本结构特点, 本文设计了全方位移动人, 如图 10 所示。3 个 MY 轮成 120 度角度均布在圆盘形的连接平台上, 并分别由直流伺服电机通过同步带驱动, 该机器人的参数见表 1。其中, 整体尺寸为机器人圆盘直径和圆盘高度，回转尺寸 L1和 L2分别为 MY 轮上的被切后的两个球体几何中心到机器人几何中心的距离。图8 MY轮联系序列图 图9单MY结构示意图表1 全方位机器人的规格项目参数直流电机20 W 3角速度120 r/min尺寸220 mm 80 mm球半径20 mm旋转尺寸L1=60 mm, L2=85 mm总质量2.2 kg图10全方位移动机器人4、全方位机器人的运动学分析 为实现该全方位移动机器人的控制, 建立了该机器人的运动学模型。对于图 11 所示的每一个 MY轮, 其几何约束为：其中 P为全方位移动机器人的几何中心；(xP, yP,)为全方位移动机器人的位置坐标；(x1, y1),(x2, y2), (x3, y3)分别为 MY 轮与地面接触点的坐标；L为MY 轮与地面的接触点到圆盘中心的距离,该距离是随着轮的接触点的变化而变化的, 如图 11 所示，L1，L2分别为 MY 轮上的被切后的两个球体几何中心到 P 的距离S(),C() 分别表示 sin()，cos()。为保证运动平稳不出现打滑现象, 每个体轮在驱动方向的线速度应与驱动速度一致, 即图中所示D 的方向，其中 D1, D2, D3分别为每个轮的驱动速度矢量，所以每个体轮的速度约束为：式中，R为半径的球。综合所有上述方程，我们可以得到三轮驱动机器人的综合运动学方程如下：其中：是3个MY的车轮的旋转角度。由充分证明，这种轮式移动机器人，可以得到任何姿势中的任意位置，因此它是一个全向的移动机器人。车轮结构的控制方程中的变化的距离L与备用的两个轮子之间的连续接触，其中，n= 1，2，3，是自然数。 图11运动分析 图12误差分析图 12 给出了主动轴连续转动时的距离 L 的变化图，但是由方程 (7) 可以看出, 当运动机器人不作回转运动时, 即时, 由距离 L 产生的误差将被完全屏蔽掉, 这部分的分析详见参考文献4。所以，当机器人作直线运动时, L 的变化对运动没有影响，而在转动运动中, 将造成机器人运动速度的波动, 使运动不平稳. 图 13 给出了机器人在做圆弧运动时的运动仿真。圆弧的半径为 0.5 m, 机器人以 0.5 m/s 的速度在该圆弧上运动. 当机器人需要调整方位使 1 轮始终沿着圆弧的切线方向时, 3 个轮的速度均出现波动. 而当机器人不需要调整方位即时, 3 个轮的速度没有波动现象, 如速度图中的点线所示，说明当机器人不需要方位调整时 L 的变化对运动无影响。 图13 运动速度的模拟图 图14 全向移动机器人的平移运动5、运动实验演示图 14 给出了全方位机器人的直线运动, 该机器人采用 3 个 20 W 的直流伺服电机驱动, 通过控制3 个电机的协调运动就可以实现机器人的直线运动。图 15 给出了该机器人的原地旋转运动, 3 个电机的协调动作实现了原地转动, 这也是全方位移动机器人所特有的运动形式。全方位机器人在避障方面显示了它的优越性, 图 16 给出了机器人避开障碍物的运动。基于 MY 轮的移动能够跨越障碍物, 这也是该轮的突出特点之一。移动机器人跨越障碍的过程如图 17 所示, 目前该全方位移动机器人可以跨越的最大高度为 13 mm。图 18 为移动机器人完成上面运动时, 各轮驱动电机的规律。其中, (a) 为直线运动时电机的驱动规律, (b) 为原地转动时电机的驱动律, (c) 为避开障碍时的驱动规律, (d) 为越障时电机的驱动规律。 图15 全向移动机器人旋转移动 图16 全方向移动机器人避障运动图17 全方位移动机器人越障爬坡实验 图18 驱动电机的运动规律6、结论本文提出了一种新型的全方位移动机器人, 通过对该轮结构的分析, 证明了其运动的有效性. 运动学分析显示了该机构能够实现全方位运动, 机构的距离 L 给机器人的转动运动带来了一定波动, 但对机器人的直线运动没有任何影响。机器人的初步实验证明的该机构的运动灵活性, 而且通过有效地控制该机器人能够跨越障碍, 显示了万向轮结构的优越性。下一步研究工作将集中在机器人的控制和具体应用上。致谢这项工作是由教育厅辽宁省（批准号：2008553）和国家高技术研究与Deretopment中国计划（批准号：2007AA041703）的支持，在此表示感谢。参考文献：1 Muir P, Neuman C P.反馈控制全方位轮式移动机器人的运动建模，IEEE国际机器人与自动化大会，北卡罗莱纳州：IEEE，19872 Killough S M, Pin F G. A，一个新的全方位完整约束轮式移动机器人平台，IEEE AUTOM，1994，10：3 West M, Asada H. 调心球全方位移动车辆的充分流动性和不变性运动学，ASME J Mech Des, 1997, 119: 1531614 Gilles M, Cyril N, Gerard P, et al.全向机器人的概念和球形正交轮分析，2006年IEEE国际机