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，并設計了基于ROS機器人系統的全方位移動機器人控制系統，并圍繞移動機器人定位和軌跡跟蹤算法進行了深入研究。測試結果表明，麥克納姆輪更加適應SLAM導航系統，在測試結果中機器人可以自主建圖導航，實現了全向移動自主機器人的功能。

關鍵詞：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，具有平面內完全的3個自由度，可以實現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雜環境。目前，全方位移動機器人主要采用全向輪來實現全方位移動，一般常用的全向輪有麥克納姆輪、Grabowiecki輪、球形輪等。隨著技術的不斷發展，這些全向輪已被廣泛應用于軍事和工業的許多方面

1 全向機器人機械設計

機器人底盤機械的設計采用四輪驅動麥克納姆輪的方式，但在平面內運動時會出現如何保證四點都著地的問題。如果四輪中有驅動輪與地面接觸不好，容易出現打滑、空轉的現象，影響控制精度。雖然可以在機器人組裝后進行手動調整，但效果難以保證。而且由于機器人設計時考慮到室外應用的要求，機器人底盤的結構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，采用大疆創新研發的麥克納姆輪底盤，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導致底盤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動。每個懸掛模塊中，麥克納姆輪使用剛性聯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定性和可靠性。

機器人底盤由兩層結構組成，下板與上板之間用方鋁固定連接，保證兩層綠色環氧板的整體強度，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 全向機器人系統設計

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、自主導航；使用高性能微型迷你電腦，既保證機器人系統的處理速度，有減小設備對機器人的負載；所有電機均加入速度環、電流環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定，四個底盤電機控制使用模糊控制系統，此系統可以有效提高不同情況下輸出合適麥克納姆輪轉速的效率，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 設計結果

本在對ROS中的 Navigation導航功能包集進行配置后，基于上節的SLAM測試，進行本導航實驗。為了觀察機器人在較復雜環境中的性能。

實驗中，設定不存在瞬間進入Kinect盲區的物體，移動機器人在其離目標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定性，在移動機器人停止運動后增加一定的死區，避免輕微的擾動造成移動機器人的振動。

4 結束語

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計、系統設計等，通過理論分析和實驗論證，提出了機器人各機構性能的設計原理與方法。最后測試了SLAM導航系統，在測試結果中機器人可以自主建圖導航，實現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）在自主導航系統中，SLAM算法以及數據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自主導航系統進行深入的研究。

（2）針對麥克納姆輪底盤的機械結構進行進一步的設計與研究。

參考文獻：

[1]李磊，葉濤，譚民，陳細軍.移動機器人技術研究現狀與未來[J].機器人，2002.24（05）：475-477

[2]李育文，王紅衛，李芳.機器人發展概況及展望[J].河南科技，2002（01）：26-27

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