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摘要
全向移动机器人结构分析与设计
吕伟文
指导老师王兴松
东南大学机械工程学院南京
摘要
移动机器人是机器人家族中的一个重要的分支,也是进一步扩展机器人应用领域的重要研究发
展方向。自上世纪九十年代以来,人们广泛开展了对机器人移动功能的研制和开发,为适应各种工作
环境的不同要求而开发出各种移动机构。其中全方位轮可以实现高精确定位、原地调整姿态和二维
平面上任意连续轨迹的运动,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愈义。
本文主要是介绍了技术较为成熟的麦克纳姆全方位轮的运动原理结构,分析了由四个麦克纳姆
轮全方位轮组成的全向移动机构的运动协调原理,建立了该全方位移动机构的运动学、动力学模型,
提出了四轮协调的控制策略。运用算法、等软件对麦克纳姆轮进行了轮廓参数设计
和结构设计,设计制造装配零部件,制作成可全方位移动的机器人底盘。同时设计了协调控制测试
电路进行功能实验,控制并测试其运动性能。实验表明所设计的麦克纳姆全向移动机构的运动及转
位灵活且不受限于运动空间,应用前景非常广阔,可用于如导游机器人、导购机器人、清扫机器人、
拥挤的仓库作业等需要灵活平稳运动的场合。
关键词移动机器人全方位轮麦克纳姆轮全方位轮移动机构
东南大学硕士学位论文
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表示了谢意。
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第一章绪论
第一章绪论
选题的背景、目的及意义
机器人的应用越来越广泛,几乎渗透所有领域。进入九十年代以来,人们广泛开展了对服务机
器人的研制和开发。各国尤其是西方发达国家正致力于研究、开发和广泛应用服务机器人。目前,
在美国、日本等发达国家,机器人已应用于商场导购、物品移送、家居服务、展厅保安和大面积清
扫等多个服务领域。随着我的不断提高,将势必会在各个领
域广泛、大量地应用服务机器人。
与普通工业机器人相比,服务机器人具有更大更灵活的工作空间,因此其往往是移动机器人。
移动机器人狭义上指的是地面可移动机器人,是继操作手和步行机
之后机器人技术的一个新的研究目标,也是进一步扩展机器人应用领域的重要研究方向。移动机器
人目前主要包括军事和民用服务两大应用领域。在民用服务领域,美国和日本处于遥遥领先的地位,
机器人被广泛应用于车站清扫、大面积割草、商场导游导购、导盲和保安巡逻等各个方面。在我国
的移动服务机器人的研究和应用还处于起步阶段,上海大学、哈尔滨工业大学曾先后研制成功导购
机器人、导游机器人和清扫机器人。随着我的提高,广泛应
用服务机器人必将成为趋势。
上述移动服务机器人的应用场合决定了要求具有能在狭窄、拥挤的场合灵活快捷地自由运动的
性能,这也成为了机器人研究和设计的难点问题。
能在工作环境内移动和执行功能是移动服务机器人的两大特点。因此,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,与步行式移动机构相比,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、能借鉴至今已很成熟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,目前已
成为移动机器人运动机构的最主要形式。
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