基于麥克納姆輪的全向移動自主機器人

莫然+張進+高淑芝

摘 要：設(shè)計了一種基于麥克納姆輪的全向移動自主機器人，以2016年全國大學(xué)生機器人大賽為背景，研究了基于麥克納姆輪的四輪式全方位移動機器人，并設(shè)計了基于ROS機器人系統(tǒng)的全方位移動機器人控制系統(tǒng)，并圍繞移動機器人定位和軌跡跟蹤算法進行了深入研究。測試結(jié)果表明，麥克納姆輪更加適應(yīng)SLAM導(dǎo)航系統(tǒng)，在測試結(jié)果中機器人可以自主建圖導(dǎo)航，實現(xiàn)了全向移動自主機器人的功能。

關(guān)鍵詞：麥克納姆輪；全向移動；機器人

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.204

自主全方位移動機器人作為一類典型的移動機器人系統(tǒng)，具有平面內(nèi)完全的3個自由度，可以實現(xiàn)任意時刻任意方向的自由運動[2]，因此全方位移動機器人非常適合工作在空間狹小、對機動性能要求高的復(fù)雜環(huán)境。目前，全方位移動機器人主要采用全向輪來實現(xiàn)全方位移動，一般常用的全向輪有麥克納姆輪、Grabowiecki輪、球形輪等。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，這些全向輪已被廣泛應(yīng)用于軍事和工業(yè)的許多方面

1 全向機器人機械設(shè)計

機器人底盤機械的設(shè)計采用四輪驅(qū)動麥克納姆輪的方式，但在平面內(nèi)運動時會出現(xiàn)如何保證四點都著地的問題。如果四輪中有驅(qū)動輪與地面接觸不好，容易出現(xiàn)打滑、空轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，影響控制精度。雖然可以在機器人組裝后進行手動調(diào)整，但效果難以保證。而且由于機器人設(shè)計時考慮到室外應(yīng)用的要求，機器人底盤的結(jié)構(gòu)必須在較差的地面上仍然保證與地面的良好接觸，簡單平面組裝的方法顯然不能滿足要求。

在本研究初期，采用大疆創(chuàng)新研發(fā)的麥克納姆輪底盤，其使用了獨立彈性懸掛法，用避震器將輪組與上部車板連接，這樣不僅增強了底盤運行的穩(wěn)定性，減少底盤運動時引起的車體振動，而且使底盤具有一定的越野性能，能夠越過較低的障礙物，攀爬30度左右的斜坡。但是由于此種底盤在通過地面障礙時，麥克納姆輪與地面的角度不會保持90度，造成麥克納姆輪受力不均勻?qū)е碌妆P行駛性能降低以及麥克納姆輪磨損嚴重，而且此底盤需要大量的CNC加工金屬件，成本高，固自主研發(fā)機械底盤，即四輪縱臂獨立懸掛底盤。

將整個底盤采用四輪縱臂獨立懸掛，每個麥克納姆輪集成懸掛模塊均裝有彈性減震器，不同種情景下可采用不同壓力負載的彈性減振器，保證四個麥克納姆輪在車體運行過程中同時著地驅(qū)動。每個懸掛模塊中，麥克納姆輪使用剛性聯(lián)軸器與電機減速器電機軸相連，電機固定在高強度定做的鋼套上，整套模塊與車體底盤底板使用2塊工業(yè)合頁鉸鏈連接，保證懸掛在底盤橫向方向上的公差精度，另外彈性減震器采用縱臂方式與底盤上板進行連接，連接處用軸承來增加減震的穩(wěn)定性和可靠性。

機器人底盤由兩層結(jié)構(gòu)組成，下板與上板之間用方鋁固定連接，保證兩層綠色環(huán)氧板的整體強度，機器人在不平整地面上的行駛過程中四個麥克納姆輪可以保持同時著地驅(qū)動，且四個懸掛有效縮小底盤上層板與地面的距離變化，大大提高了底盤的減震性能。

2 全向機器人系統(tǒng)設(shè)計

機器人機采用底盤四輪獨立縱臂懸掛，以保證每個麥克納姆輪在機器人運行過程中時刻接觸地面并輸出動力；機器人采用IMU與Kinect融合算法保證其行駛路線精度；機器人采用激光雷達對未知地域進行自主建圖、自主導(dǎo)航；使用高性能微型迷你電腦，既保證機器人系統(tǒng)的處理速度，有減小設(shè)備對機器人的負載；所有電機均加入速度環(huán)、電流環(huán)以保證減小速度誤差和控制機器人功率，在必要點位的電機加入位置環(huán)以保證機器人運動方向的精確度。

由于機器人底盤的四個麥克納姆輪在各種地面上要保持合適的速度來使得機器人運行穩(wěn)定，四個底盤電機控制使用模糊控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以有效提高不同情況下輸出合適麥克納姆輪轉(zhuǎn)速的效率，大大減小了機器人不走直線、不按照指定路線和方向行駛的問題。

3 設(shè)計結(jié)果

本在對ROS中的 Navigation導(dǎo)航功能包集進行配置后，基于上節(jié)的SLAM測試，進行本導(dǎo)航實驗。為了觀察機器人在較復(fù)雜環(huán)境中的性能。

實驗中，設(shè)定不存在瞬間進入Kinect盲區(qū)的物體，移動機器人在其離目標(biāo)的距離小于一個合理的保持距離D時停止移動。為保證移動機器人的穩(wěn)定性，在移動機器人停止運動后增加一定的死區(qū)，避免輕微的擾動造成移動機器人的振動。

4 結(jié)束語

本文研究一種基于麥克納姆輪的全向移動自主機器人。本文進行機器人底盤的機械設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計等，通過理論分析和實驗論證，提出了機器人各機構(gòu)性能的設(shè)計原理與方法。最后測試了SLAM導(dǎo)航系統(tǒng)，在測試結(jié)果中機器人可以自主建圖導(dǎo)航，實現(xiàn)了全向移動自主機器人的功能。本文所做的工作是對全方位移動機器人的初步探索，還有很多不足，后期研究工作可從以下幾方面進行深入研究：

（1）在自主導(dǎo)航系統(tǒng)中，SLAM算法以及數(shù)據(jù)處理的精度提高可以消除一部分建圖的累積誤差，因此，有必要深入對SLAM自主導(dǎo)航系統(tǒng)進行深入的研究。

（2）針對麥克納姆輪底盤的機械結(jié)構(gòu)進行進一步的設(shè)計與研究。

參考文獻：

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[3]鄭向陽，熊蓉等.移動機器人導(dǎo)航和定位技術(shù)[J].機電工程，2003，20（05）：35-37.