Mecanum轮全向移动搬运机器人控制系统设计(2)
1。2。1 国外研究现状
1。2。2 国内研究现状
1。3 主要研究内容
本课题的主要任务是开发以 Mecanum 轮为基础的全向移动搬运机器人，并完成 机器人控制系统的设计和加工调试工作。其控制系统设计主要包括各控制模块的选 择、控制电路设计、电路板的整合与焊接、编写程序代码、上电调试等。本文重点
阐述了控制流程图的设计，控制方法的选择及其优缺点，运动学模型的解算，硬件 电路的设计过程及调试方法等。详列如下：
1）移动搬运机器人控制系统总体方案的设计；
2）机器人控制系统的电路设计；
3）选择元器件并完成实物制作；
4）规划控制系统软件流程，编写控制系统程序代码；
5）相关软硬件调试工作；
第二章 机器人运动学分析
2。1 机器人的总体机械结构
机器人结构可分为车身和机械手两部分（图 2-1）。车身采用四 Mecanum 轮全 向移动底盘，整体框架为角钢结构并设计有缓冲减震装置，底盘部分的悬挂模块为 单纵臂式悬挂结构。机器人行走在不平地面时，纵臂式悬挂减震模块能有效吸收车 身的震动，保证轮子和地面充分接触。机器人底盘的传动装置包括无刷直流电机和 涡轮蜗杆减速器，所述减速器的输入轴和无刷直流电机的输出轴固连。从装配角度 看，车轮轴线和电机轴线呈正交放置，可大幅度减小传动装置的安装尺寸，使全向 底盘整体更加紧凑。
机械手结构由 PVC 板材叠加装配而成，机械手包括六个自由度，全部为旋转副， 类似于人体腰部旋转、大臂的俯仰、小臂的俯仰、肘部旋转和腕部旋转。在腕部的 末端配备机械手抓，团队为拓展的机械手的功能设计了手抓过渡架。每个关节由步 进电机驱动，采用了 52 和 47 两种型号的步进电机。腰部、大臂、小臂关节同时采 用了同步带减和谐波减速器，减速比为 250；肘部和腕部采用两级同步带传动，减 速比为 6。25;爪部为单极同步带传动，减速比为 2。5。夹持手爪有直流电机直接驱动。
图 2-1 机器人总体结构
2。2 全向底盘的运动学分析
全向底盘的运动学分析就是建立各个车轮的转速与底盘中心速度的方程。其中， 正运动学分析是在已知每个车轮的转速情况下，求解出底盘中心速度的问题；逆运
动学分析是在给定平台的期望速度的情况下，反解出每个车轮的转速的问题，运动 性分析确切地反映出了四个车轮转速与底盘中心速度的映射关系。
2。2。1 全向底盘的正运动学分析
Mecanum 轮的结构特征是：轮毂轴线的周围均匀分布着若干个可自由旋转的从 动辊子，辊子的轴线与轮毂的轴线有一固定夹角，由这些辊子的包络面形成 Mecanum 轮的圆柱工作表面[11]。Mecanum 轮的这种结构特征为实现移动平台的全向运动提供 了可能。在将问题抽象为数学模型时，为了减少影响因素，在不影响分析结论正确 性的情况下做出如下合理的假设：
（1）Mecanum 轮是刚体，不存在形变的情况；
（2）平台在一绝对平整的地面上运动，即所有的轮子都能着地；
（3）辊子与地面之间的摩擦为纯滚动摩擦，不存在打滑现象 ；
（4）轮子的着地点始终位于轮心的正下方，辊子与地面接触点不变。 在还未确定本全向底盘轮组布局的情况下，为保证底盘的运动学分析不失一般