1、南京航空航天大学硕士学位论文全方位移动混联式操作臂机器人系统分析设计姓名：刘洲申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：吴洪涛2011-03全方位移动混联式操作臂机器人系统分析设计 II Abstract As an important branch in the robot system, mobile robot has become a hot issues of robot applications in recent years.is not only all. People have widely developed the mobile mechanism which can
2、 adapt different kind of working conditions and request since 1990s,and have developed many kinds of mechanism successfully. Omnidirectional mobile mechanism has become has become the top priority of robot mobile mechanism, because of its unique advantages, such as high-precision positioning of the
3、system, situ rotation and function and the ability of omnidirectional mobile in 2D plane. In this thesis,the main content is to design an omnidirectional mobile hybrid-type manipulator with four Mecanum wheels. Especially in-depth study of the performance of this robots mobile platform,and study the
4、 control of this robot based on preceding research. First of all,this thesis introduced some princinple and structure of the Mecanum wheel.analyzed the movement coordinated princinple of omnidirectional mobile mechanism comprises four Mecanum wheels,finished the model of kinematics and dynamics of t
5、his mechanism. According to the movement principle of Mecanum wheel,finished the research of how the rollers shaped and got the Parameter equation of the rollerscontour. Have designed some important parameters of Mecanum wheel. Based on the mobile platform, the thesis proposes a new parallel operati
6、on based on differential driven, this mechanism contains the advantages of both parallel and series machines,it has a large crawl / weight ratio. In this thesis established a mathematical model of the manipulator and finished the positive and inverse kinematic analysis of this pleted the 3D modeling
7、 and motion simulation of the system to verify the theoretical analysis and design results by using Solidwork and ADAMS software. Finally, the thesis described the soul of overall design and the structure of the robot control system，including the choice of drive motor, speed control,drive circuit an
8、d completed the simulation of the motor and the PWM signal generation by using Matlab/SimuLink.All these works will be helpful to the development of this new hybrid-type omnidirectional mobile manipulator. The robot designed in this thesis is a clever mechanism which can move freely,and can be used
9、in many areas such as the narrow space for cleaning, handling, assembly and so on. Key Words: mobile robot;omnidirectional wheel; Mecanum Wheel;omnidirectional mobile mechanism;differential gear 南京航空航天大学硕士学位论文 V 图表清单 图1.1球轮模型.3 图1.2偏心轮模型.3 图1.3 TRANSWHEEL轮结构.4 图1.4全轮转向式.4 图1.5 MECANUM轮全方位轮椅5 图1.6变结构
10、Mecanum轮.5 图1.7正交轮模型.5 图1.8 4偏心轮全方位移动机器人.6 图1.9 3Rover轮全方位移动机器人6 图1.10 Mecanum轮全方位操作机器人.7 图1.11 Rover轮全方位操作机器人.7 图1.12全方位移动操作机器人机构模型.8 图2.1麦卡纳姆车轮结构示意图10 图2.2第I轮结构.10 图2.3 MECANUM轮移动平台及其坐标系12 图2.4辊子与地面接触受力示意图.13 图2.5质心和几何中心示意图.15 图3. 1辊子轮廓成型示意图.17 图3. 2辊子曲线生成原理图.18 图3. 3 完整辊子轮廓效果(0,).19 图3. 4实际设计时选出的
11、辊子轮廓.19 图3. 5 全方位轮辊子轮廓曲线.20 图3. 6多段圆弧近似的辊子曲线.21 图4. 1行星差动轮系结构简图.22 图4. 2行星齿轮机构模型.23 表4.1行星齿轮各种运动情况分析.24 图4. 3操作机构简化图.25 图5. 1 SOLIDWORKS各功能模块关系.29 图5. 2 MECANUM轮辊子与轮毂三维模型.30 全方位移动混联式操作臂机器人系统分析设计 VI 图5. 3全方位轮装配后效果图.30 图5. 4 ADAMS各模块图.32 图5. 5移动机构ADAMS软件下模型.33 图5. 6 X方向直线运动时移动机构中心位移曲线.34 图5. 7 Y方向直线运动
12、时移动机构中心位移曲线.34 图5. 8斜向运动时移动机构中心X-Y曲线35 图5. 9移动机构原地转动时中心位移曲线.35 图5. 10 移动机构运动时竖直方向位移曲线.36 表5. 1移动机构几种典型运动控制方案.36 图5. 11 GEARTRAX创建齿轮界面.38 图5. 12 差动驱动机构简化模型.38 图5. 13 竖直方向转动角速度曲线.39 图5. 14 机构水平输出轴的角速度曲线.39 图6. 1 PID控制原理框图.42 图6. 2增量PID和传统PID响应曲线43 图6. 3 移动机构驱动电机控制框图.43 图6. 4 PWM仿真模型45 图6. 5系统仿真输入输出信号波
13、形图.45 图6. 6 MATLAB直流电机模型.46 图6. 7 电机突加负载曲线.47 图6. 8接入PID控制器后电机曲线.47 图6. 9 H桥驱动电路原理图.48 图6. 10 H桥电路驱动电机顺时针转动.48 图6. 11 H桥电路驱动电机逆时针转动.48 图6. 12 L298内部结构框图.49 图6. 13 L298驱动电路示意图.49 表6. 1 L298逻辑功能模块 .50 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工
14、作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 (保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1机器人发展简介 机器人的发展历史相对来说并不算长，1920年捷克斯洛伐克作家卡雷尔恰佩克在他的一篇科幻小说中，根据 Robota和Robotnik两个单词创造出“机器人（robot）”这个词。之后很多的学者开始进行相关的研究，1939年纽约世博会上展出了
15、西屋电气公司制造的家用机器人Elektro。它由 电缆控制，可以行走，会说77个字，甚至可以抽烟。虽然离真正家庭服务还差得很远，但它的出 现让人们对机器人的憧憬变得更加具体。直到1959年，经过不断地努力和探索美国人Engborge和Devol终于成功制造出第一台工业机器人，至此机器人正式进入了工业应用时代。由于机器人很好的满足了社会对工业生产柔性化的需求，使得机器人技术得到了飞快的发展。今天机器人的应用已经非常广泛，渗透到当今工业、科研、服 务业等绝大部分领域。不仅有从事喷漆、 电焊、搬运、装配等工作的工 业机器人，在很多人 类自己无法到达的的领域也得到了应用，如海底、太空探 测等。尽管现代
16、机器人技术的历史很短，但是它是一个多学科共同发展的综合性的结果。由于机器人的出现人类社会发生了很多变化生，随着机器人的使用社会生产效率得到提高，不仅提高了产品的质量，还降低了产品成本，人类的劳动强度也大大减轻1。 机器人技术的发展至今先后经历了3个阶段：最早的示教再现型机器人到后来的低智能机器人（感觉机器人）再到现在的高级智能机器人2。高级智能机器人不但要有感觉功能和自适应能力，而且 还要求能够充分识别工作对象和工作环境，并能够结合人给的指令和机器人自身的判断结果自动确定与之相适应的动作。 机器人学是一个非常复杂、综合性的学科，其涉及到力学技术、机械工程、 计算机技术、传感技术、控制技 术以及
17、图像处理等多个学科的前沿技术。其中任何一个学科技术的发展、突破都有可能直接影响到机器人技术的进步、更新。因此，机器人学的发展被很多人认为是人类科学整体技术发展的标志。 由于各方面的原因，我国的机器人研究相对欧美及日本起步较晚。直到20世纪70年代后期我国才开始了机器人研制，那个时候的研究主要都还局限于机器人理论的探讨阶段3。直到1986年我国实施了863高技术发展计划，并且将机器人技术的研究作为一个重要的发展主题，国家一次性投入了几个亿的资金开始进行了机器人研究，这使得我国在机器人这一领域得到很快地、迅速地发展，并取得了一系列的成果。但是从 总体水平上来说，我国机器人技 术与一些发达国家相比还
18、是存在很大的差距。 全方位移动混联式操作臂机器人系统分析设计 2 1.2移动机器人概述 机器人的种类众多，移 动机器人就是各种机器人中的一个重要分支。由于移动机器人的广阔应用空间，一直以来移动机器人的研究备受研究人员的青睐。移动机器人的研究起步于上个世纪60年代， 60年代后期，美国和苏联为完成月球探测计划，研制并应用了移动机器人。美国“探测者”3号,其操作器在地面的遥控下，完成了在月球上挖沟和执行其他任务。苏联的“登月者”20号在无人驾驶的情况下降落在月球表面，操作器在月球表面钻削岩石，并把土壤和岩石样品装进回收容器并送回地球。目前移动机器人系统除用于宇宙探测、原子能和海洋开发等领域外，在工
19、厂自动化、 军事、排险、服 务、建筑、农业、采矿等方面也有广泛的应用。由于其广泛的应用背景和商业价值，已经有越来越多的人加入移动机器人系统研究的行业。所以近年来， 对移动机器人的相关研究已经成为机器人研究领域的一个热点。 跟机器人繁多的种类一样，移动机器人的也有多种多样的分类方法。有从活动环境来分，也有从工作环境来分， 还有从功能和用途来分等等各种分类方法。这里讨论下移动方式的分类，按移动方式移动机器人主要有轮式、履带式、腿足式等几种常见的形式34，此外， 还有一些不是很常见的移动方式，如步进式、蠕 动式和蛇行式等。 履带式的移动机器人是在几个车轮外卷绕一个圆环状的循环轨道履带，这种方式车轮不
20、直接与地面接触，利用履带缓冲地面的凹凸不平。履带式移动机构主要优点是着地面积比较大，着地压强小，与路面有较强的粘着力，能 够在凹凸不平和松软路面上稳定行驶。 腿足式的移动机器人是模仿人或动物的行走方式而研制的，这种机构适应地面的能力很强，特别适用于障碍物较高的场合，例如太空和海床的探索。但是腿足式移动机构一般比较复杂，运动控制的难度也较其他形式的大，而且机构运动速度较慢。 轮式移动机器人与其他几种方式相比机构简单、运动灵活，所以特别受到青睐，得到广泛应用。与其他移动机构相比，轮式移动机器人的优点可概括为:能够实现高速稳定的移动；机构整体能量利用效率高；机构简单；轮式移动机器人控制方面与汽车控制
21、相似可以借鉴现在己经有很多积累的汽车技术和经验3。轮式移动机器人主要适合于障碍物比较少和地势比较平坦的工作场所，例如室内或者比较开阔的室外地带。由于轮式移动机器人的广泛应用，下面单独讨论轮式移动机构。 轮式移动机构根据移动平台的驱动轮、方向轮等轮子数量不同又可以进一步分为：二轮机构、三轮机构、四轮机构以及全方位移 动机构5。二轮移动机构的结构非常简单，但是 这种机构存在一个主要问题：机构在静止或低速运动时的缺乏稳定性。三轮移动机构是一种比较常见的机构，其特点是机构组成比较容易，其中最常见的三轮形式是由一个前轮与两个后轮组成的移动机构，驱动 通过两个后轮施加，前 轮只起到支撑作用。四 轮移动机构
22、的运动特征基本上与南京航空航天大学硕士学位论文 3 三轮机构相同，不过比三轮机构运动更加平稳。但是，对于一个四轮移动机构，如果在同 时在四个轮子上用独立的电机驱动的话，因为机构在平面上运动时最多只有三个自由度，所以四轮机构运动时会出现冗余的情况4。所以，上述的移动机构都不能实现机构的平面任意方向移动，而且它们都需要一定的旋转半径来进行转弯，而在很多情况下，由于操作空间的限制常常会因为无法横向移动以致于无法灵活的转向，这就在一定程度上限制了轮式机器人的使用范围。而由全方位轮组成的全方位移动机构就可以避免这一问题，全方位机构可以在保持机构整体姿态不变的前提下实现任意方向的移动，在比较狭小的工作空间
23、中也能很好的完成任务。所以全方位移动机器人吸引了很多研究人员和学者的目光，也正成为机器人移动机构主要发展趋势。 1.3全方位移动机构介绍及国内外研究现状 首先，了解下什么是全方位移动机构。根据移 动特性移动机器人可以分为非全方位和全方位两种。从理论上来说，在平面上移动的机构可以实现3个自由度的运动：前后、左右和自转6。而在 实际中，若移动机器人的移 动机构的自由度少于3个则称为 非全方位移动机器人，而如果其移动机构具有完全的3个自由度，则称之为全方位移动机器人。全方位移动机构可以利用其车轮所具有的定向和定位功能，实现在不改变机构姿态的前提下在平面上从当前位置向任意位置、方向的运动。它与非全方位
24、移动机构相比具有非常明显的优势。例如，当移 动机器人在狭窄或拥挤的空间内工作时，由于全方位移动机构具有零回转半径的特点，全方位移动机器人就能够轻松的穿行于空间狭小的场所。 由于全方位移动机构的巨大优势，为了实现移动机器人的全方位移动，不断地有人对可实现全方位移动的轮子进行研究，并且也取得了很多的进展和成果。就当前来说，主要的全方位轮形式一般有以下几种： (1)球轮 球轮是由日本的Masayoshi Wada和Haruhiko Asada等人研制。其结构一般包括滚动球体、支撑 滚子和驱动滚子，其中支撑 滚子固定在移动机构的底盘上，驱动滚子固定在一个可以绕球体中心转动的支架上，如图1.1所示。当伺
25、服电机驱动驱动滚子转动时，球轮可以实现绕驱动滚子构成平面的法线方向转动的同时还可以绕与其垂直的轴线方向自由转动7。通常由四个球轮能够组成具有全方位移动能力的机构。但是，球轮的驱动力是滚子和轮子的摩擦力提供的，由于摩擦力一般不会特别的大， 这就对球轮机构的驱动力和速度有很大限制。 图1.1 球轮模型 图1.2偏心轮模型 全方位移动混联式操作臂机器人系统分析设计 4 (2)偏心轮系 偏心方向轮89基本结构为万向轮,由于一般具有两个电机驱动所以也被称为驱动万向轮。偏心 轮的每个轮子具有2个自由度，分别是绕轮子轴心的转动和绕轮子支架轴心的转动，两个 转动的轴心是正交的，而且两个转动都由电机驱动。偏心方
26、向轮与其他的很多万向轮子不同，没有采用滚子切换的运动方式，所以偏心方向轮在滚动和换向的过程中轮子与地面的接触点可以保持不变。这种特性使得使用偏心方向轮的机器人在运动的过程中不会产生振动，而且也不容易出现轮子打滑的现象。 由于偏心轮的的这些优点，近年来也有很多学者对其进行了研究，并且形成了一些典型的机构。如Normadic XR4000、安全保 卫机器人CyberGuard SR3等。还有些研究人员设计了采用很多万向轮结构组成的机器人，例如用六个轮子构成的月球探测机器人，这种机器人可以根据地面的凹凸不平程度调整自己轮子的高度，从而能够实现越过一定高度的障碍物的动作。 图1.3 Transwhee
27、l轮结构 图1.4 全轮转向式 (3)连续切换轮 连续切换轮的基础是Transwheel轮，它由一个轮盘与一系列滚子组成，其中滚子固定在轮盘的外周。轮盘轴心与滚子轴心互相垂直，当电机驱动轮盘绕其轴心转动时，安装在轮盘上的滚子依次与地面接触，同时滚子还绕自身轴心自由转动。 后来，为了减少 Transwheel轮工作过程中产生的震动，Paromtchik和Byun提出了另外一种连续切换轮10。这种连续切换轮的轮辐装上有内圈和外圈两种滚子，它们都可以绕与轮盘轴垂直的轴心转动，并且两种滚子具有公共的切面方向。这样的机构既能保证轮盘滚动时同地面的接触点高度不变，从而避免移动机器人运动时产生振动，也可以保
28、证在任意位置都可以实现沿与轮盘轴平行方向的自由滚动。 (4)全轮转向式 图1.4是一种比较典型的全轮转向式全方位移动机构示意图4。驱动力首先通过蜗轮蜗杆5传递到锥齿轮2驱动轮1转动。转向时，转动驱动力由蜗轮蜗杆6、再由圆柱齿轮副4传递到后面的大齿轮带动车轮架旋转从而实现转向，整体机构共装有两个转向电机3和7，通过相 应的离合器的适当转换，可以 实现机构的全方位移动。 (5)Mecanum轮系 Mecanum轮又称为瑞典轮，轮子由轮毂和分布在轮毂圆周上的的若干小辊子组成，轮 子和辊子之间存在一个夹角（通常情况下=45），辊子拥有2个自由度：绕南京航空航天大学硕士学位论文 5 自身的转动和绕车轴的
29、转动。这样，每个 Mecanum轮就具有三个自由度：绕轮子轴心转动、绕辊子轴心转动和绕轮子和地面的接触点转动。当电机驱动轮子绕轮子轴心转动时，其余的两个自由度可以自由运动。由三个或以上的Mecanum轮子就可以构成具有全方位移动能力的全方位移动机器人。 Mecanum轮是当前做的较为成功、技术也较为成熟的一种全方位轮。有很多专家学者对Mecanum轮系进行研究，如Carnegie Mellon University的Patrick F.Muir在1987年成功研制了一个由四个Mecanum轮组成的全方位机器人11。Brno University的Bohumil Honzik在2003年研制了一
30、种可以全方位移动的四个Mecanum轮组成的全方位助残车12，后来被人们称为布尔诺椅（Brno flat chair）。2006年，澳大利 亚西部大学的Benjamin Woods运用EyrBot内核也研制了一种基于四个Mecanum轮组成的全方位移动轮椅，如图1.5所示。后来还出现了一些改进的Mecanum轮，如来自 马赛诸塞大学的Olaf和Diegel在2002年研制了一种小辊子与大轮子之间的夹角可调的Mecanum轮13，如图1.6所示。 图1.5 Mecanum轮全方位轮椅 图1.6 变结构Mecanum轮 (6)正交轮系 正交轮是由两个形状相同的球形轮子架14，固定在同一个壳体上构成
31、的。每个球形轮子架都具有两个自由度：绕轮子架的转动和绕轮子轴心的转动，其中前一个转动由电机驱动，后一个 为自由转动。两个 轮子架具有相同的转动轴方向，并统一由一个电机驱动，又因为两个轮子的轴线是相互垂直的，所以该机构被称为正交轮。 图1.7 正交轮模型 全方位移动混联式操作臂机器人系统分析设计 6 其实，正交轮 是Mecanum轮的一个演化物，它就是用两个可自由运动且运动方向成900的滚子代替了轮毂上的诸多辊子，而且这两个滚子被固连在一起，统一通过一个电机来驱动，从而实现万向轮的功能。这种结构比较适合于足球机器人系统，澳大利亚昆士兰大学所设计的RoboRoos 2001机器人用的就是这种结构1
32、5。 通过上面的介绍可以看出，对于全方位移动机器人的研究，国外的研究起步较早并且也取得了很多的成果。出于各种原因国内对全方位移动机构的研究起步相对较晚。但是，随着社会的发展，近年来我国对全方位移动机器人的研究也在不断升温，越来越多的人加入研究行列。我国全方位移动机器人的研究早期，主要的研究方向是全方位移动机器人的移动机构和移动方式，以及对机器人的机械机构的运动学和动力学进行分析。目前，国内关于全方位移动机器人的研究很多都集中在高校中，许多高校都有老师正在或曾经参与过全方位移动机器人的研究。 上海大学张海洪、 谈士力、龚振邦等人针对清洗壁面对机器人系统提出的特殊要求，研制了一种全方位越障爬壁机器
33、人，这种机器人中有拥有一种可越障轮式全方位移动机构车轮组机构，该机构可以保 证机器人在整体姿态保持不变的情况下，沿壁面任意方向直线移动、或绕自身中心的原地转向，同时还能跨越机器人运行路径中的一些障碍。此外，该机构还不需要传感装置检测障碍以及非常复杂的辅助机构就可以实现机器人平面运动和越障运动之间的转换16。另外，该校马全军，陈振华等人也对拥有全方位移动能力的全方位行走AGV进行了研究17。 浙江大学张翮、熊蓉、褚健等人 对四轮全方位移动机器人进行了运动建模与控制研究，并在其自主研制的足球机器人系统中予以实现，并在实际比赛中实现了对足球机器人的实时、快速、准确控制3。 高学山、徐殿国、王炎等人研
34、制了一种全方位地面移动清扫机器人18，可以用于家庭和办公室等空间比较狭窄或人员较多的公众场所的清扫工作。军事医学科学院卫生装备研究所的侍才洪、康少华 、段秀兵等人利用Mecanum轮设计了一种伤员转运全向行走机器人19，此机构能够在医院或家庭等环境比较复杂的地方灵活运行，对伤员的转运工作有很大帮助。 1.4全方位移动操作机器人国内外研究综述 机械操作臂由于其工作效率高，重复精度好，功能强大等优点，被广泛应用于各种领域，如生产加工、服 务运输等20。但一般情况下机械操作臂都固定在一个操作台上，这就使得操作臂的工作空间变得十分有限，极大地制约了操作臂功能发挥和拓展。因此有很多学者提出将操作臂安装在
35、移动机器人上，从而使操作臂具有更大的工作空间，更高的灵活性。操作臂也就可以实现更广泛的应用，于是移动操作机器人诞生了。 移动操作机器人通常由一个移动平台和安装在平台上的操作机构组成。移动操作机器人的应用范围比移动机器人或操作机器人都要宽得多，可以在有毒、辐射强烈、粉尘较多等危险的南京航空航天大学硕士学位论文 7 环境中工作，也可以应用在日常生活中来代替人们的日常工作，如商场导购、家居服务、高 层建筑物的清洗、医用辅助机器人等，还可以用于灾难营救、地质勘探、科学考察等更多的 领域。但是，与机器人的研究一样，国外 对移动操作机器人的研究较早也较多，而国内此方面的研究则要晚和少些。 新加坡国立大学的
36、M H Jr Ang与Li Y P共同研制了一种由4个偏心轮组成的全方位移动操作机器人21，如 图1.8所示。美国斯坦福大学的Oussama K研制了一种由3个Rover轮组成的全方位移动操作机器人(Stanford Robot)22，如图1.9所示。 图1.8 4偏心轮全方位机器人 图1.9 3 Rover轮全方位移动机器人 日本东部大学的Z D Wang和Yasuhisa H研制了一种基于Mecanum轮系的四轮全方位移动操作机器人23，如 图1.10所示。此外，日本三菱重工也参与了全方位移动操作机器人的研究，并且自行研制了一种基于Rover轮的全方位移动操作机器人，该机器人由四个Rove
37、r轮组成，如图1.11所示。 图1.10 Mecanum轮全方位操作机器人 图1.11 Rover轮全方位操作机器人 美国非常出名的火星探测机器人“勇气”号也是一种全方位移动操作机器人，它由6个Rover轮子组成。 全方位移动混联式操作臂机器人系统分析设计 8 在国内，北京中科院自动化研究所研制了一种全方位移动机械手，该机构由3个偏心方向轮构成。此外，哈尔滨工 业大学的李瑞峰教授也研制了一种基于Mecanum轮系的双臂服务机器人24。 1.5 本文主要研究内容 全方位移动操作机器人是全方位移动机器人和操作机器人的完美结合，所以对其进行的研究已经成为机器人研究领域的一个重要、热门方向。目前，关于
38、全方位移动操作机器人的研究主要采用的是全方位移动机构上安装一个传统的机械手臂来完成。本文借鉴Jorge Angeles提出的一种差动驱动机构25，设计了一种串并联混合机构的操作机构。该机构通过一个差动齿轮机构实现了腰关节和大臂的并联驱动，相比于串联机构并联机构拥有很多优点。例如与串联机构相比并联机构刚度大， 结构稳定；这就使得自重或体积下相等的情况下并联机构具有较大的承载能力；另外串联机构是前面各个关节的误差会积累和放大到机构的末端误差上，所以机构误差较大而且精度低，而并联机构不存在那样的积累和放大关系，所以机构误差较小且精度高等。操作机构的小臂与大臂之间采用串联形式，可以串联接上不同的机构来
39、达到不同的任务需求。至于机器人的移动机构本文采用技术较为成熟的Mecanum全方位轮，采用四个Mecanum轮组成一个全方位移动机构。机构简图如图1.12所示。 图1.12 全方位移动操作机器人机构模型 本文主要研究内容可以概括为如下几点： （1）全方位轮移动机构和操作臂结构的研究及设计。对麦克纳姆轮的运动和结构原理进行研究分析，确定采用四轮组合结构，并 对麦克纳姆轮的主要参数和结构进行设计。 （2）分析研究四个全方位轮组成的移动机构的运动学模型和动力学模型。为从理论上证明南京航空航天大学硕士学位论文 9 全方位轮是如何协调实现机器人的全方位运动，并为进一步研究机器人自主运动规划问题打下基础，
40、有必要 进行运动学和动力学的研究。运 动学模型是全方位轮协调无碰运动轨迹时规划的理论依据，而 动力学模型是研究动态环境下的实际时变运动规划问题的基础。本文从全方位移动机构的运动学问题入手，建立移动机构的运动学模型，并完成了移动机构的动力学分析。 （3）完成机器人的操作机构的设计，并完成了机器人移动机构及操作机构的运动仿真、分析。为了验证 理论分析结果和直观的观察机构的运动情况，本文运用Solidworks造型软件和ADAMS分析软件对各结构进行造型、分析。 （4）机器人控制系统理论设计和讨论。完成系统分析、设计后，本文将对全方位移动操作机器人的控制问题进行相关设计、讨论。主要有驱动电机选择、电
41、机驱动电路以及电机调速等问题进行讨论，并在 Matlab/Simulink环境下完成直流电机的模型以及PWM信号发生的仿真。 全方位移动混联式操作臂机器人系统分析设计 10 第二章 Mcanum轮结构及其运动原理 2.1全向移动轮特征 Mecanum轮最早由瑞典一公司Mecanum AB的工程师Bengt Ilon在1973提出26。跟一般的轮子不同， Mecanum轮是一种全方位移动轮，它的圆周上安装了许多小辊子，从外形上看Mecanum轮跟斜齿轮较为相似，但是与斜齿轮不同的是圆周上的轮齿是若干个经特殊设计的鼓形辊子。这些 辊子的轴线与轮毂的轴线成一角度（一般为450），在运动时这些辊子可绕
42、通过自身轴线的长轴自由转动。若干个辊子的外轮廓面包络成一个圆柱面。由于这样的特殊结构使得Mecanum轮具备了3个自由度：绕轮子轴心转动,绕滚子轴心转动,绕轮子和地面的接触点转动。这样 ，驱动轮在一个方向上具有主 动移动能力的同时，另外一个方向也具有自由移动(被动移动)的运动特性。当电机驱动车轮转动时，车轮以普通方式沿着垂直于驱动轴的方向前进，同时车轮周边的辊子沿着各自的轴线自由旋转25。 若干个（一般为三个及以上）这样的轮子通过适当的组合就能够构成具有三个自由度的平面全方位移动机构。本文所讨论的就是有4个这种全方位轮子组成全方位移动机构。 2.2移动机构运动学解析 系统运动学分析可以从理论上
43、说明全方位轮的运动原理，并且可以说明其如何实现移动机器人的全方位运动，还为后续对移动系统的动力学分析提供基础。机器人的运动学分析一般包括系统的正运动学分析和逆运动学分析。已知机器人各关节角度和连杆长度，计算机器人的位姿的分析称为正运动学分析。如果已知机器人的期望位姿，而求解各关节的角度或连杆长度则称为逆运动学分析。逆运动学的分析一般可以作为机器人运动控制的理论基础，根据运动学模型可以协调机器人系统完成预定轨迹的运动。所以移动系统运动学模型分析就显得十分有必要。 在建立移动机构系统运动学分析之前，为了便于建模，同时根据实际应用我们可以做出如下假设： (1)小车是在一个平坦规则的表面上运动，四个全
44、方位轮能同时正常运转； (2)全方位轮与工作面有足够大的摩擦力，轮体不存在打滑现象。； (3)机器人小车是刚体，不考虑形变的情况。 本文采用的4个全方位轮的移动机构的车轮组合情况如图2.1所示，其中斜线表示轮毂上辊子方向。我 们定义四个移动机构的四个Mecanum轮的速度分别为1 v 、2v 、3v 、4v ，各轮辊子速度分别为1 gv 、2 gv 、2 gv 、4 gv 。, SCiOO 分别为移动系统运动中心和轮i的旋转轴中心，SSSxoy 为与系统运动中心相固联的直角坐标系， CiCiCixoy 为与轮毂中心 Cio固联的坐标系。 南京航空航天大学硕士学位论文 11 SOSySx1Cy
45、2Cy3Cy4Cy1Cx 2Cx3Cx 4Cx1CO 2CO3CO 4CO1l2lR1=4=2=3=CiOCi xCiyiRgiv 图2.1麦卡纳姆车轮结构示意图 图2.2第i轮结构 对于轮1： 由坐标系111 CCCxoy 可得到车轮轴心移动速度1COv： 11g1Rcos0sinCOvv= （2.1） 由坐标系 SSSxoy 可得到车轮轴心移动速度1 Ov ： x11y201001OVlvV l= （2.2） 由（1）（2）得到方程: x11yg12010Rcos010sinVlV vl=（2.3） 同理：对于轮2， x21yg22010Rcos010sinVlV vl =（2.4） 对于
46、轮3， x31yg32010Rcos010sinVlV vl=（2.5） 对于轮4， 全方位移动混联式操作臂机器人系统分析设计 12 x41yg42010Rcos010sinVlV vl =（2.6） 综合式（2.3）-（2.6）有： 112233044121212121111111141111xyV RVJllllllll= +(2.7) 121121221231200312(tan)11tantan11()tan11111tantan11(tan)11tantantan11tantanxxyyllRRRllllVVllRRRKVVlllRRRRllRRR +=+12012)11xyVVlll + （2.8） 1212121212121212(tan)11tantan11()tan11111tantan11()(tan)11tantan11tan11tantanllRRRllllllRRRKllllRRRRllllRRR+ +=+（2.9） 式（2.9）中的K是移动机构逆运动学分析的雅克比矩阵。由机器人运动学原理可知：当系统逆运动学雅克比矩阵列不满秩时，系统将存在奇异位形，从而减少系统的运动自由度28。对于四Mecanum轮全方位移动机构，其逆运动学方程反映了四个Mecanum轮转速与移动机构中心速度的映射关系，雅可比矩阵的性质直接反映了移动机构的运动特性。若移动机
