基于麥克納姆輪的打磨機(jī)器人移動平臺仿真分析

槐創(chuàng)鋒，金志裕

（華東交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

在人工智能、智能制造的時代，自主移動機(jī)器人帶來了一場新的技術(shù)創(chuàng)新風(fēng)暴[1-3]。 根據(jù)運動機(jī)構(gòu)不同的類型，自主移動機(jī)器人可以被設(shè)計為輪式移動機(jī)器人、足式移動機(jī)器人或者輪足混合式移動機(jī)器人，其中輪式移動機(jī)器人發(fā)展最為廣泛，也是相當(dāng)流行的研究熱點[4-7]。 AGV（automated guided vehicle）是輪式移動機(jī)器人的一個典型代表，在其基礎(chǔ)上的創(chuàng)新應(yīng)用得到了廣泛的考慮。

隨著科技的進(jìn)步，移動機(jī)器人的自主性、機(jī)動性研究吸引了越來越多的關(guān)注，其中移動機(jī)器人的機(jī)動性是移動機(jī)器人自主移動的基礎(chǔ)[8-14]。輪式移動機(jī)器人運動模式可分為差速輪型、單舵輪型、雙舵輪型、全向輪型。 差速輪型移動機(jī)器人靈活性較高，可以原地旋轉(zhuǎn)，但是不能橫向側(cè)移，不適合重載[15]；單舵輪型移動機(jī)器人靈活性不高， 雙舵輪型相對于單舵輪型靈活性有提高，但兩套舵輪提高了成本[16-18]；全向輪型移動機(jī)器人靈活性最高，可以實現(xiàn)任意方向的移動以及原地旋轉(zhuǎn)， 成本相對雙舵輪型低，重載能力強(qiáng)。 麥克納姆輪是一種特殊結(jié)構(gòu)的全向輪[19-21]，特點是在輪周邊上有許多成一定角度斜向安裝的輥子，這些成角度的輥子能使輪子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生一個橫向運動的效果，四輪麥克納姆輪移動平臺依靠各自輪子的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速，最終可以合成任何方向上的運動速度和旋轉(zhuǎn)從而保證移動平臺能自由地運動。 自主打磨機(jī)器人移動平臺的選擇很重要，直接影響打磨機(jī)器人的機(jī)動性，機(jī)動性是打磨機(jī)器人實現(xiàn)自主移動、擴(kuò)大工作范圍的基礎(chǔ)[22-25]。 考慮到麥克納姆輪的眾多優(yōu)點，自主打磨機(jī)器人移動平臺采用四輪的麥克納姆輪平臺， 為了給移動平臺的控制打下良好基礎(chǔ)， 對麥克納姆輪平臺進(jìn)行了運動學(xué)分析。 移動平臺的運動學(xué)分析主要有正運動學(xué)和逆運動學(xué)問題兩類。 由已知移動平臺各輪的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，計算移動平臺相對世界坐標(biāo)系的速度，即為正運動學(xué)問題。要使移動平臺運動到期望的位置，就需要計算出各輪的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，即為逆運動學(xué)問題。通過計算機(jī)仿真技術(shù)可以仿真模擬移動平臺的真實效果，經(jīng)過實際調(diào)試可以達(dá)到理想效果。

通過對單個麥克納姆輪進(jìn)行正運動學(xué)分析，接著對四輪麥克納姆輪平臺進(jìn)行逆運動學(xué)分析，運用Simulink 對移動平臺進(jìn)行逆運動學(xué)建模，結(jié)合Vrep軟件對移動平臺進(jìn)行正運動學(xué)仿真驗證，將仿真的結(jié)果以圖形的形式表示出來，可以直觀地顯示移動平臺的運動情況，為打磨機(jī)器人自主移動研究提供理論支撐。

1 單個麥克納姆輪正運動學(xué)分析

麥輪是麥克納姆輪的簡稱，麥輪正運動學(xué)是指通過4 個輪子設(shè)定的相應(yīng)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向以獲得移動平臺中心的運動狀態(tài)（速度和角速度）。 麥輪根據(jù)輥子安裝角度方向不同分為A 麥輪和B 麥輪， 如圖1 表示A麥輪與地面接觸的輥子，圖2 表示B 麥輪與地面接觸的輥子，分別對A 麥輪和B 麥輪進(jìn)行正運動學(xué)分析。

圖1 A 麥輪運動學(xué)分析Fig.1 Kinematic analysis of type A Mcnamu wheel

圖1 是A 麥輪的運動學(xué)分析圖，圖中輥子安裝角度為θ，A 麥輪繞自身轉(zhuǎn)軸XOi以ωOi的角速度逆時針轉(zhuǎn)動（右手定則，大拇指指向，四指彎曲指向的方向），圖1（a）中紅點為與地面接觸的輥子上的接觸點，藍(lán)色的速度v′i表示在A 麥輪繞自身轉(zhuǎn)軸XOi轉(zhuǎn)動時接觸點對應(yīng)的線速度， 方向平行于紙面向上。 假設(shè)理想接觸麥輪以地面接觸不發(fā)生滑動，A麥輪受到地面施加的總摩擦力f，將f 分解為平行于輥子軸線方向的f‖,和垂直于輥子軸線的f⊥，由于輥子屬于從動輪，在f⊥的作用下，會使輥子改變運動狀態(tài)并使其順著f⊥的方向轉(zhuǎn)動起來，從而在接觸點會有相對的線速度vg′。 根據(jù)滾輪在地面上滾動時，軸心的速度等于邊緣接觸點的線速度，方向與邊緣接觸點的線速度方向相反。 圖1（b）中v″i表示A 麥輪在地面上滾動時軸心Oi相對的速度，vig表示輥子在地面上滾動時軸心Oi相對的速度，正交分解可以看出速度vig抵消了一部分的速度v″i， 也可以理解為速度v″i和速度vig合成的軸心Oi的總速度vOi，即A 麥輪的實際真實速度，大小為

方向沿著輥子軸線方向（平行紙面右斜向下）。同理對B 麥輪進(jìn)行運動學(xué)分析，如圖2 所示。

圖2 B 麥輪運動學(xué)分析Fig.2 Kinematic analysis of type B Mcnamu wheel

A 麥輪和B 麥輪分別以順時針和逆時針轉(zhuǎn)動，麥輪軸心Oi的速度vOi有所不同，如圖3 所示。 垂直紙面方向從上往下看，虛線矩形表示下方與地面接觸的輥子，實線矩形表示上方可看見的輥子。

圖3 A 麥輪和B 麥輪速度分析Fig.3 Speed analysis of Mcnamu wheel A and Mcnamu wheel B

圖3（a）顯示A 麥輪順時針和逆時針轉(zhuǎn)動時速度分析圖，圖3（b）顯示B 麥輪順時針和逆時針轉(zhuǎn)動時速度分析圖，可以看到A，B 麥輪軸心Oi的速度vOi都是斜向的速度。 A 麥輪順時針轉(zhuǎn)動時可分解出一個向前的運動和一個向左的運動，逆時針轉(zhuǎn)動時可分解出一個向后的運動和一個向右的運動；B 麥輪順時針轉(zhuǎn)動時可分解出一個向前的運動和一個向右的運動，逆時針轉(zhuǎn)動時可分解出一個向后的運動和一個向左的運動。 正是因為麥輪的這種特性，與傳統(tǒng)輪子相比麥輪可以解決側(cè)向運動的問題， 經(jīng)過組合不同的麥輪以實現(xiàn)全向運動、原地旋轉(zhuǎn)。

2 四麥輪逆運動學(xué)分析

麥輪逆運動學(xué)是指已知移動平臺中心速度和角速度，求解4 個麥輪對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。 上一節(jié)已經(jīng)對單個麥輪進(jìn)行了正運動學(xué)分析，了解了麥輪轉(zhuǎn)動時軸心速度的大小和方向。 接下來將對麥輪移動平臺做逆運動學(xué)分析。

四輪麥輪組合有很多種，但不是所有組合都滿足實際需求。 自主打磨機(jī)器人采取B-A-B-A 麥輪組合的移動平臺，如圖4 所示，圖4（a）是移動平臺向前運動時，4 個麥輪對應(yīng)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。 對麥輪進(jìn)行編號，以左前B 麥輪為1，逆時針計數(shù)，對應(yīng)左后A 麥輪為2，右后B 麥輪為3，右前A 麥輪為4。圖4（b）中O 表示移動平臺的中心點，對應(yīng)坐標(biāo)系XO－O－YO，Oi表示對應(yīng)麥輪的中心點，對應(yīng)坐標(biāo)系如圖中所示。

圖4 移動平臺運動分析Fig.4 Motion analysis of mobile platform

vO表 示 移 動 平 臺 中 心 的 速 度，vO（i）表 示 移 動 平臺中心速度在i 麥輪坐標(biāo)系中的速度，ωO表示移動平臺繞中心軸ZO旋轉(zhuǎn)的角速度。Ri表示i 麥輪軸心到移動平臺的中心點的距離，α 表示移動平臺中心速度與YO軸的夾角，得到移動平臺中心的速度vO（i）與麥輪軸心的速度vOi之間的關(guān)系式

其中

由以上式得式（6）

根據(jù)式（6），按圖4（b）紅色坐標(biāo)系建立移動平臺坐標(biāo)系和各麥輪坐標(biāo)系，且θ=45°，得到各麥輪轉(zhuǎn)速與移動平臺運動狀態(tài)的關(guān)系，如以下式

設(shè)世界坐標(biāo)系為XS-S-YS，如圖4（c）所示,為了降低分析難度， 世界坐標(biāo)原點與麥輪平臺中心重合， 麥輪平臺中心速度在世界坐標(biāo)系XS軸上的投影為vXS， 麥輪平臺中心速度在世界坐標(biāo)系YS軸上的投影為vYS， 麥輪坐標(biāo)系的XO軸與世界坐標(biāo)系的XS軸的夾角為δ。 則可得到如下式

由式（9）得

由式（8）～式（10）得式（11）

由式（11）可知

為了便于控制，麥輪平臺平移運動和旋轉(zhuǎn)運動分開作用，不同時進(jìn)行，即有速度時，ωO=0；有角速度時，vXS=vYS=0。

3 建立移動平臺仿真模型

3.1 Vrep 軟件介紹

Vrep 軟件全稱為Virtual robot experimentation platform，中文名叫虛擬機(jī)器人實驗平臺，現(xiàn)在已經(jīng)更名為CoppeliaSim。 根據(jù)軟件名稱可以知道Vrep是一個針對機(jī)器人的仿真模擬器，它集成了許多的開發(fā)環(huán)境并且是跨平臺的， 提供了多種控制接口，包含了各類現(xiàn)有的機(jī)器人模型 （移動式和非移動式）、室內(nèi)墻壁模型、家具模型、人物模型等，如果Vrep 中沒有合適的模型，也可以快速方便地搭建自己的模型，模型屬性的腳本可以運用多種編程語言進(jìn)行編程。 Vrep 軟件具有強(qiáng)大的兼容性，在Windows 系統(tǒng)、Linux 系統(tǒng)、Mac 系統(tǒng)都可以運行，擁有多個物理引擎，多方面滿足仿真的需求。 Vrep 相比較于其他仿真軟件，界面更友好，大大提高了仿真的效率。

3.2 麥輪平臺仿真模型搭建

麥輪平臺是打磨機(jī)器人機(jī)動性的保證， 仿真麥輪平臺的運動特性是十分重要的。 Vrep 在移動型機(jī)器人模型中提供了一款KUKA YouBot 麥輪平臺機(jī)器人模型，因為只研究麥輪移動平臺的特性，去除YouBot 機(jī)器人機(jī)械臂部分。 在YouBot 外觀基礎(chǔ)上，搭建自己的麥輪平臺。 麥輪的搭建由兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成， 一個關(guān)節(jié)是提供麥輪旋轉(zhuǎn)，設(shè)置為主動輪；另一關(guān)節(jié)是輥子旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，設(shè)置為從動輪。 輥子旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸相對于麥輪旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸成45°。

4 個麥輪模型建立好后，需要為模型添加腳本，實現(xiàn)模型的驅(qū)動和運行。 根據(jù)式（7）編寫麥輪移動盤平臺的腳本，完成腳本代碼編寫。

4 麥輪運動特性仿真結(jié)果

在麥輪正、 逆運動學(xué)仿真中分別添加了一個GUI 控制界面，如圖5 所示，方便改變各麥輪的運動狀態(tài)，觀看仿真結(jié)果。 圖5（a）是麥輪正運動學(xué)GUI 控制界面，圖5（b）是麥輪逆運動學(xué)GUI 控制界面。

圖5 麥輪正、逆運動學(xué)GUI 控制界面Fig.5 GUI control interface of Mcnamu wheel forward and inverse kinematics

4.1 麥輪逆運動學(xué)特性仿真結(jié)果

在Simulink 中搭建麥輪平臺逆運動學(xué)模型，計算不同速度下對應(yīng)的各麥輪轉(zhuǎn)速。假設(shè)模型參數(shù)L=0.6 m，K=0.6 m，r=0.6 m， 對機(jī)器人的運動進(jìn)行模擬，實驗移動平臺在多種情況下運動，包括沿軸正、負(fù)方向移動，Y 軸正、 負(fù)方向移動，±45°斜移，±135°斜移， 原地逆時針和順時針旋共10 種常見運動案例。

根據(jù)麥輪平臺逆運動學(xué)Simulink 模型計算每種情況下各麥輪角速度，表1 顯示了移動平臺不同運動狀態(tài)下各麥輪對應(yīng)的角速度。

表1 通過求解逆運動學(xué)而得到的車輪角速度Tab.1 Wheel angular velocity obtained by solving inverse kinematics

4.2 麥輪正運動學(xué)驗證結(jié)果

將4.1 中計算的各麥輪轉(zhuǎn)速輸入Vrep 中搭建的仿真模型中，GUI 控制界面中的值都取整數(shù)，若取小數(shù)需要除以對應(yīng)數(shù)量級。 由于以上轉(zhuǎn)速有一位小數(shù)， 所以在仿真模型腳本中添加對應(yīng)取值除以10，得到仿真結(jié)果如圖6 所示，從圖6 中可以看到麥輪平臺在各麥輪對應(yīng)轉(zhuǎn)速下實現(xiàn)了預(yù)期的運動，且可以實現(xiàn)傳統(tǒng)車輪做不到的橫向移動、斜向移動和原地旋轉(zhuǎn)。

圖6 仿真驗證結(jié)果Fig.6 Simulation verification results

4.3 麥輪平臺軌跡運動驗證結(jié)果

為了檢驗麥輪移動平臺的全向運動性， 基于ROS 系統(tǒng)對麥輪移動平臺做軌跡運動的仿真驗證，并截取了一百秒數(shù)據(jù)，如圖7，從圖中可以看到麥輪移動平臺在沿著給定軌跡運動時，移動平臺中心繞Z 軸的角速度值在零附近有一個極小的波動， 由于數(shù)量級在千分之一，所以可以忽略不計，說明移動平臺的方位角基本保持不變，證明了麥輪移動平臺可以實現(xiàn)移動平面內(nèi)全向任意移動。

圖7 軌跡運動仿真結(jié)果Fig.7 Trajectory motion simulation results

5 結(jié)論

1） 通過對麥輪平臺進(jìn)行正、 逆運動學(xué)分析，了解了麥輪的結(jié)構(gòu)、麥輪的運動方式、麥輪安裝組合等，推導(dǎo)出了移動平臺運動學(xué)的正、逆解公式。

2） 利用Simulink 建立逆運動學(xué)模型計算出各輪的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速， 在Vrep 中進(jìn)行仿真驗證和軌跡運動仿真驗證，結(jié)果驗證了麥輪平臺的逆運動學(xué)公式的正確性和麥輪移動平臺優(yōu)秀的全向移動性能。

3） 為控制移動平臺提供理論基礎(chǔ)，為打磨機(jī)器人后期的路徑規(guī)劃打下良好基礎(chǔ)。