基于麥克納姆輪的噴藥機器人底盤運動軌跡研究

王龍寧 林豐山

(西北農林科技大學，陜西 楊凌 712100 )

0 引言

目前，國內的農作物產業中果實的噴藥一般采用人工方式，同時，為了保證果實的質量，必須做到及時噴藥。這就要求在相應的時間及時噴灑農藥，必須投入大量的人力、物力、財力，使得噴藥成為整個農作物果實生產鏈中較為耗時耗力的環節，而且由于農藥對人體的不利影響，此種方法較不可取。因此，對于噴藥機器人的需求以及設計制造應運而生，通過運用噴藥機器人來降低生產成本。

基于麥克納姆輪的噴藥機器人底盤，整體采用車式底盤，車體采用麥弗遜式獨立懸架，由于每個車輪上單獨有電機控制，可適應不同的地形進行自適應調節。針對平坦地形噴藥機器人具有2種典型的行進方式，前進和橫移。本文則著重研究這橫移行進方式的運行機理，指出橫移行進方式相比于一般底盤的優點，為基于麥克納姆輪底盤的噴藥機器人的進一步智能化研究提供參考。

1 噴藥機器人的機械結構

圖1為一種基于麥克納姆輪底盤的噴藥機器人底盤。該機器人底盤由麥克納姆輪、麥弗遜獨立懸架和電機、支撐車架四種裝置組成。

圖1 基于底盤的噴藥機器人

2 噴藥機器人的橫移行進方式研究

1.小輥子；2.聯軸器；3.輪子輪廓圖2 麥克納姆輪實物圖

麥克納姆輪的突出應用是通過使用該輪讓機器人的移動機構變成全向移動機構，實現橫向、縱向、零半徑旋轉3個方向的運動[1]，本文麥克納姆輪噴藥車底盤的驅動方式是四輪單獨驅動，每個麥克納姆輪都配備一個直流電機來進行控制。底盤在運動時，通過對不同的麥克納姆輪所受軸向力的合成，就能判斷機器人的運動方向，麥克納姆輪上分布許多各自獨立的小輥子，小輥子不僅可以繞車輪軸線進行公轉和繞輥子的軸線進行自轉，還能繞輥子與運動地面的接觸點進行轉動，這使麥克納姆輪具有3個自由度的運動特點。車輪的布置對全向車輛的性能有一定的影響[2]，不同的車輪布可實現不同效果，本文底盤設計中使用了4個麥克納姆輪，車輪俯視X型安裝，如果要實現某一方向上的運動，如橫移運動，可通過軸向摩擦力的合成，小車所受的縱向分力被相互抵消，只保留了橫移方向的分力，從而讓移動機器人產生橫移的運動。如圖3所示，麥克納姆輪底盤進行橫移運動時，四個輪子的角速度相同，每個輪子的小輥子軸線方向都有獨立的軸向摩擦力，通過軸向摩擦力的合成，小車所受的縱向分力被相互抵消，只保留了橫移方向的分力，從而讓移動機器人產生橫移的運動。相比于一般底盤的旋轉運動，橫移運動節省了大量時間，同時保證了車體的穩定性和運動平順性。

圖3 橫向運動

以車體為中心做笛卡爾坐標系，假設各輪角速度分別為ωA、ωB、ωC、ωD，各輪小輥子的速度分別為vg1、vg2、vg3和vg4，小車的橫向速度、縱向速度和自轉角速度分別是Vx、Vy和ω，對車體進行速度分析。

以輪A為例，車輪轉動中心OA在全局坐標系XOY中的移動速度為：

OA在局部坐標系X1OAY1的移動速度為：

由公式(1)和(2)可得：

求得:

其余各輪受力及速度分析同A輪，經驗證得，本文設計的系統具備良好的全向移動的能力。實驗證明，在合理地控制4個麥克納姆輪的角速度的條件下，就能實現基于麥克納姆輪的噴藥機器人底盤的各種運動形式，。

在復雜地形運動時，主動式麥弗遜式懸架作為成熟車輛目前使用最先進的懸架系統，能根據實時工況，主動及時地調整和產生所需懸架控制力，使懸架處于最優的減振狀態[3]。同時，每個車輪單獨電機控制，各路電機可根據微型主控板發出的PWM脈沖信號進行不同的轉速配比，可以使每輪的速度不盡相同，從而達到精準調速的功能，使機器人底盤擁有較好的驅動力，保證在某一麥克納姆輪發生打滑等其他失效形式的情況下及時調整姿態，完成任務，以上兩點可保證基于麥克納姆輪的底盤可適應不同的地形條件，對系統的自適應程度做了有效提高。

3 結論

根據建立車體模型及受力實驗可精準確定基于麥克納姆輪的噴藥機器人底盤運動軌跡，橫移運動方式使基于麥克納姆輪的噴藥機器人底盤可更高效地完成噴藥作業，主動式麥弗遜式懸架保證了車體運行的穩定性，單獨電機控制保證了車體的容錯性。隨著基于底盤的噴藥機器人不斷完善，實現崎嶇路面上的精準前行，為人類提供更加高效精準的果實噴藥工作將逐步成為可能。