mecanum轮全方位移动机器人技术以及应用 王兴松

综述与展望王兴松Mecanum 轮全方位移动机器人技术以及应用 Machine Building Automation，Jun 2014，43（3）：1 作者简介：王兴松（1965－），男，江苏苏州人，博，东南大学机械学院教授，博士生导师，机械电子系主任，中国机械工程学会机床委员会常务理事，长期从事机器人与自动化理论及应用研究，获江苏省科技进步奖2 项，发表论文130 余篇，发明专利授 权14 Mecanum轮全方位移动机器人技术以及应用 （东南大学机械工程学院，江苏 南京 210096） 要：全方位移动机器人是指在地面可以进行前后、左右、原地回转等任意方向挪动的机器人技术，Mecanum 轮全方位移动机器人具有本体结构简洁、控制性能优良、通过性好的全方位 运动性能，在项目应用中受到越来越广泛关注。介绍了Mecanum 轮机器人的全方位移动原理、 Mecanum 轮的构架设计与生产科技、精确运动控制技术、自动循迹及模式规划技术，并介绍了 其在军事与民用领域的典型工程采用。 关键词：全方位移动机器人；Mecanum 轮；自动循迹；路径规划 中图分类号：TP24 文献标志码：A 文章编号：1671-5276（2014）03-0001-06 Introduction Mecanum-wheelsBased Omni-directional Mobile Ｒobots ApplicationsWANG Xing-song （School MechanicalEngineering，Southeast University，Nanjing 210096移动机器人控制技术及其应用，China） Abstract：Omni-directional mobile robots can move alldirections，e． spin．Due simplestructures，good control performances passingthrough abilities，Mecanum-wheels based omni-directional mobile robots attract extensive attention worldwide recentyears． omni-directionalmoving abilities mobilerobots，the designing manufacturingmethods Mecanumwheels，and motioncontrol pathfollowing pathplanning theo- ries Mecanum-wheelsbased mobile robots allbriefly introduced paper．Finally，varies military civilapplications demonstratedalso review．Keywords：omni-directional mobile robot；mecanum wheel；path following；path planning 全方位移动的定义及常用手段全方位移动机器人是在平面内带有前后移动、左右移 动和原地回转三个独立运动自由度的移动机器人。

由于 其带有原地零长度回转和横移的特征，非常合适在空旷空 间或对机器人的机动性要求高的场合 。另外，在必须准确定位或追踪复杂模式时，利用其可以原地回转的特 点，全方位移动机器人能适于更为复杂、紧凑的工作 环境 目前很多机构展开了全方位移动机器人的研发工作 ［3-4］ ，在机器人车轮的设计生产、机器人上轮胎的 轮子配置方案、以及机器人的运动预测和模式规划等方 面，进行了广泛的研究，形成了带有不同特色的全方位移 动机器人，较为常见有三种 ：麦克纳姆轮式全方位移动机器人、全轮偏转式全方位移动机器人和 caster 轮式全方 位移动机器人，见图1（a）-（c） ［6-7］ 其中，基于Mecanum 轮的全方位移动机器人具有整 车机械结构简单、运动控制灵活、通过性好等特点，近年来 得到更为广泛的应用 ［8-9］ 综述与展望王兴松Mecanum 轮全方位移动机器人技术以及应用 http：ZZHD． chinajournal． net． cn E-mail：ZZHD@ chainajournal． net． cn《机械制造与自动化》 Mecanum轮全方位移动的原理 麦克纳姆轮（Mecanum Wheel）是一种全方位移动车 轮，1973 年由瑞士人Bengt Lion 发明 ［10］ ，该轮的特征是在 传统车轮的基础上，在轮缘上再沿与中轴成 角方向安装若干可以自由转动的小辊子，这样在轮胎滚动时，小辊 子都会造成侧向运动。

通过麦克纳姆轮的组合使用跟各 车轮旋转方向跟速度的协调控制，可以让车体得到运动平 面内的任意方向挪动和旋转。 通常来说一个麦克纳姆轮含有多个辊子，并根据一定 的规定装配而成，均匀地排列在轮毂的周边，由于其外形 上与斜齿轮相似，麦克纳姆轮也有齿轮咬合时相类似的问 题：为了确保运动的平稳性，当前一个辊子与地面已经分 离时，后一个辊子必须与地板接触。 Mecanum 轮分为左旋和右旋两种，通常以两左、两右 四轮对称布置形式安装使用，如图2 所示。为易于研究， 麦克纳姆轮式全方位移动机器人运动学分析以机器人的中点O 为原点在车架上创建一个用户坐标系 ，机器人的前方为x轴的反向，向左行驶的方向为 的反向。假设车身长为2L，宽为2l，麦克纳姆轮轮毂轴线和工件轴线夹角为α，相应地 是对应车轮的翻转角速度。根据Mecanum 轮机器人运动学分析结果，在已知机 ，以及绕中心点O 垂直轴旋转角速率 tanα－Ltanα+l tanα+Ltanα+l tanα+Ltanα+l tanα－Ltanα+l 同样，在已知四个轮子转速的状况下，也可以用过这四个轮子的转速获得麦克纳姆轮全方位移动机器人在坐 由型（1）－（4），对前后移动、左右移动、原地转动、斜向移动等典型移动状况，可计算出的各车轮的旋转方向跟 速度，将这种计算结果集中表示，即可取得常见的 Mecanum 全方位移动状况的车轮转向关系（图3）。

Mecanum轮全方位移动科技的 关键技术 Mecanum轮的设计理论 辊子轮廓设计是Mecanum 轮全向移动机器人平稳运 行的关键，要综合考量轮子的运动连续性和端面接地重合 度、轮轴高度一致性和平稳性、辊子轴的凸缘强度等。 综述与展望王兴松Mecanum 轮全方位移动机器人技术以及应用 Machine Building Automation，Jun 2014，43（3）：1 Mecanum轮的结构设计，最重要的是轮毂和小凸缘外 轮廓线的设计。图4 Mecanum轮的正视图和侧视图。 从图中可以看出，小辊子的外轮廓面在一个圆柱体的圆柱 面上，这是运动过程中车体平稳的要求。 两端支撑方式的Mecanum轮正视图和侧视图 为满足小叶轮圆周分部产生圆柱包络的要求，其生成 方式需满足一定的几何关系。图5 为圆柱体的高度，即Mecanum 轮的理论长度；Ｒ 为圆柱体的直径，即轮 子的直径；AA 为圆柱体表面的一条曲线，假设AA Mecanum轮小辊子的外轮廓线，即车轮滚动时曲线 AA 旋转即产生了小辊子的外轮廓。C 上任意一点；θ为螺旋线 AC 轴转角。假设曲线AA 轴等速度运动时，也穿过顶面圆周等角速度转动，则 AA 辊子的外轮廓线并不是图中所示的整段的等速螺旋线AA ，而是取螺旋线中间的一段，例如图5中的DE 辊子外轮廓线生成图现在，Mecanum 轮常用的有两端支撑结构（图6a）和 中间支撑结构，中间支撑又分为中间单支撑（图6b）和中 间双支撑（图6c）。

两端支撑优点是受力状况比较好，运 动平稳，同样的承载下，车轮宽度比前面支撑小，适合于大 型承重车辆；缺点是构架复杂，对地面的要求非常高，如果 地面高低不平，轮毂容易与路面接触。中间支撑的特点是 结构相对简洁，对路面要求低，车辆通过性好；但轮毂和辊 子的受力状况不好，车轮宽度相对较大。 Mecanum轮常见的支撑结构 ［11］ 轮毂的精密加工科技轮毂采用一体化设计，最重要的参数有：轮毂的长度 W，轮毂上加装喷嘴的孔的位置。这2 个参数在 Mecanum 车轮计算过程中尚未受到。 由Mecanum 轮的构架可知，不论运用哪种支撑结 构，轮毂上用于调试辊子轴的支撑孔，既应确保沿圆周 的均匀分布精度，又要保证其孔的倾斜角度误差以及与 辊子轴齿轮的配合精度。图7 分别是两端支撑和前面单支撑两种支撑结构的典型轮毂结构，由此可见其 加工难度。 两端支撑Mecanum轮轮毂 中间单支撑Mecanum轮轮毂 目前，可以运用高精度五轴联动数控机床加工，也可 采用普通数控车床加精密分度头和专用夹具加工，加工成 本都非常高。 Mecanum 轮辊子轴线与后轮轴线的倾角 综述与展望王兴松Mecanum 轮全方位移动机器人技术以及应用 http：ZZHD． chinajournal． net． cn E-mail：ZZHD@ chainajournal． net． cn《机械制造与自动化》 分析跟设计加工都是一个重要参数，理论探究中常采 用α=45。

实际上，α 角是依据电机及负载的规格通过几 何参数函数的推导获得。由于加工、装配的偏差，α 实值与理论值常存在一定的偏差，该偏差会对机器人的速率及运动轨迹形成一定的妨碍。 精确运动控制现阶段全方位移动机器人的应用主要是在将全向移 动机器人作为一个移动系统，通过平台上的其它小位移机 构执行相应功能动作，如与机械臂组成的能移动加工、装 配移动机械臂。欲让移动机器人系统移动一微小位移，一 般做法是借助全方位移动系统上的小位移机构来推动。 如适用于飞机起落架的就位仪、导弹的挂弹车，就是通过 在全向移动系统上采用的各类执行机构和驱动平台来进 行小位移的移动以推动起落架的对接、拆卸，导弹的挂载 等。但这没有完全发挥出全向移动机器人运动灵活的特 点。若可以推动整个全方位移动机器人平台的准确运动 控制，实现小位移精密定位，则能简化整车结构，降低 成本。 由其逆运动学方程可知，Mecanum 轮式全向移动机器 人的整体运动是由其构架参数跟四个车轮的速率控制的。 而车轮加装的位置误差、车轮惯性、地面不平、辊子包胶的 变形、以及各个电机输出的实际温度与控制输入量之间关 系的不一致性，这些制约因素造成移动机器人车体运动的 实际速度与理论转速不一致，限制了机器人整车运动效率 的提升。

Mecanum 轮式全向移动机器人的构架参数精度 和四个车轮速度的控制效率对整车的运动精度极为重要。 除此之外，要推动机器人的准确运动，还必须建立合理的 辊子变形模型，以及辊子与路面摩擦模型，在轮胎速度控 制算法中合理控制这类不确定误差，提高 Mecanum 循迹控制与模式规划因为全向移动机器人能够原地横移、原地自转，它非 常适合在工作环境空间狭小、对机器人的机动性要求高的 场合。由于某些场合一般不适宜操作人员处于操作，因此 全向移动机器人拥有自动导引和轨迹追踪的功用是迫切 需求。研究全向移动机器人的轨迹追踪，一方面要求借助 控制算法使得全向移动机器人有准确的避障和轨迹修正 的用途；另一方面还要结合全向移动机器人的运动特点跟 结构特征，寻求各运动参数、几何长度参数与追踪轨迹的 特征参数的内在联系，使得全向移动机器人的避障效率更 高、精度很准。 在实际应用中，机器人所循迹的模式或轨迹要按照 工作意愿跟环境特征设计。路径规划的目的则是按照 环境、应用场合、实现目标的不同，在工作环境中改进设 计出一条遍历所有必须停靠的工作点、并且满足全向移 动机器人运动约束条件的轨迹。根据工作任务必须，以 最快速度、最节省电能、最短路径等为目标，规划出梦想 的运行模式，可进一步提升全向移动机器人的运行效 率，满足复杂的工作环境中的自动化搬运与运输应用的 各种需求。

Mecanum轮全方位移动科技的 典型应用 灵巧搬运麦克纳姆轮式全方位移动机器人国外成功的应用例 子有中国Airtrax 公司的 Mp2 搬运车、Sidewinder 叉车，德 国MIAG 公司的客机引擎就位车、运弹车，德国 KUKA 图13［12－14］ 此外，德国KUKA公司的 youBot 机器人搭载有五自 由度机械臂和二自由度的机械臂，可以完成机械加工工件 复杂转运安装（图14）。 AirtraxMp2 系列搬运车 图10 Airtrax 全向叉车ATX－3000 图11 MIAG 公司的飞机引擎就位仪 综述与展望王兴松Mecanum 轮全方位移动机器人技术以及应用 Machine Building Automation，Jun 2014，43（3）：1 图12德国MIAG 公司制造的弹体搬运装载车 图13 空客公司的机身搬运用Mecanum 图14德国KUKA 公司youBot 移动机械臂 教育与医疗服务机器人在教育和医疗领域，Mecanum 轮用于全向移动轮椅， 可以帮助残疾人提高移动能力（图15—图17） ［16］ 图15全方位移动轮椅 图16 全方位移动残疾人车 图17 常州全方位移动概念医用搬运机器人 Mecanum 轮另一个重要应用是Ｒobcup，即机器人世界 足球锦标赛。

本文来自电脑杂谈，转载请注明本文网址：
http://www.pc-fly.com/a/tongxinshuyu/article-136438-1.html