基于麥克納姆輪的全向移動自主機器人設計研究＊

陳鎮江，封瀟揚

（黃河科技學院，河南 鄭州 450063）

目前，在社會生產和生活中，機器人已經替代一部分的工作崗位，人們對機器人的依賴性也在不斷增強，隨著相關機器人生產技術的不斷優化，機器人能夠完成更多的復雜任務，機器人內部精密性也在不斷提升。而隨著市場對機器人要求的不斷提升，機器人需要提升自身的適應性和移動性，這樣可以突破空間限制，在更多復雜的環境中工作，完成相應任務，這樣的機器人設計效率也會顯著提升[1]。

除了機器人執行部件外，相關移動平臺設計也至關重要。這種移動平臺是基于環境感知、運動控制、運動執行、動態決策和規劃等多種技術為一體的綜合性系統。該平臺可以促使機器人或機械手臂有效移動到工作位置，平穩跨越障礙物，促進機器人整體平穩推進。

為了應對機器人在復雜工作環境中的相關移動問題，提升運動軌跡的精準度，要求生產出全向移動自主機器人，這類機器人在工作中能夠自由移動，相關機器人可以圍繞相關中心點進行旋轉，確保目標位置有效實現。機器人還能夠基于移動平臺不斷拓展自己的移動范圍，提升移動性和穩定性。在一些救援現場、地勢多變的勘測地帶、有毒物品泄漏環境中，都可以有效應用，完成復雜任務。這類機器人也是目前機器人技術研究中重點探究的領域之一，在未來社會發展中有著很廣泛的應用前景。

1 全向機器人機械設計思路優化

1.1 底盤設計優化思路

對此次全向機器人的底盤機械設計以麥克納姆輪的四輪驅動方式為主，在設計中需要解決這類四輪驅動在平面運動中確保四點著地的問題。這4 個輪子中，要是有一個驅動輪與地面接觸不好，就可能導致機器人移動中出現打滑、空轉的情況，導致相應控制精度受到嚴重影響[2]。一般針對這一問題，在機器人完成組裝后可以進行手動調整，但是不能保證調整后問題就能被有效解決。且在機器人設計中，基于室外應用需要，機器人底盤結構設計需要確保在地面平整度較差的情況下也能夠有效與地面接觸，簡單平面組裝的方法一般很難滿足相應需要。在開展此次的全向移動自主機器人設計中，初期嘗試通過大疆研發的麥克納姆輪底盤，這種底盤通過獨立彈性懸掛法使用，將避震器和輪組連接起來，這樣可以確保底盤穩定運行，避免底盤運動中出現的車體震動情況出現，也能夠提升底盤的越野能力，使底盤在地面不平整的路面有效運行，減少運行中的震動影響，幫助機器人更好地跨越障礙物，提升機器人的攀爬能力。不過這類底盤在地面障礙通過時，麥克納姆輪的地面的角度很難保證達到90°，所以使用中可能導致麥克納姆輪因為受力不均導致其底盤行駛性能下降，甚至導致驅動輪的嚴重損壞，且在這類底盤的生產加工中，需要使用大量的CNC加工金屬件，相應成本會比較高，所以，可以以麥克納姆輪為基礎，自主設計機械底盤，發現設計四輪縱臂獨立懸掛底盤對于解決上述問題有很好的效果[3]。

基于麥克納姆輪進行底盤優化，實際上是對整個底盤使用四輪縱臂獨立懸掛設計，這樣各個麥克納姆輪的集成懸掛模塊都可以安裝上減震器，在不同移動場景中，通過不同壓力負載的彈性減震器作用發揮，確保7 個驅動輪都能夠在運行中全部著地。相應懸掛模塊中，麥克納姆輪使用剛性聯軸器和電極減速器與相關電機軸連接，電機可以固定在高強度定做的鋼套中，這樣整體模塊和車底盤底板使用2 塊工業合頁鉸連接，使懸掛在底盤橫向位置的公差精度能夠有效控制。此外，彈性減震器通過縱臂方式與底盤上板連接，可以通過軸承來解決相關減震器的穩定性問題。

在全向機器人底盤結構中，通過上板和下板連接，確保2 層綠色環氧板整體強度，一般使用方鋁固定，這樣即使在崎嶇不平的路面上行駛，也能保證機器人的4 個驅動輪全部落地，同時，相應懸掛還能有效縮小底盤上層板與地面距離的變化，提升底盤的整體減震性能[4]。

1.2 全向自主機器人結構設計優化

基于麥克納姆輪設計全向移動自主機器人，考慮到機器人結構比較復雜，在機器人中間箱體中，包含多個可變性的驅動輪單元，通過模塊化設計，呈左右對稱分布。這個箱體能夠將電動機裝載在內，還包含傳感器、控制硬件、電池、機械臂等，這個中間箱體可以看作是運載的主平臺，能夠確保機器人保持水平姿態。這里的機器人4 個驅動單元都是可變形的，其具體運動可以通過獨立控制來實現。相應可變形的驅動單元和兩邊配合的驅動輪進行摩擦傳動，最后，輪式移動和驅動式移動相結合，確保機器人結構更加緊湊，在保證其性能的情況下重構機器人體積和機身結構。

1.3 障礙跨越設計方案

在全向機器人設計中，跨越障礙的能力關系到機器人的使用性能，車輪和移動平臺車身在連接中，4個驅動輪安裝于平臺底座，這樣可以有效提升驅動輪之間的距離精度，但是也會存在一些問題：在路面不平整的情況下，驅動輪很難與地面同時接觸，移動平臺的整體運動方向和速度是全部驅動輪共同影響的結果，只要有一個輪子距離地面的方向出現變化，就會導致整個機器人方向變化。這是因為麥克納姆輪自身圓周輥子能夠繞相應軸被動自由旋轉，這樣很可能造成其在重載情況下出現打滑情況，在路面不平整情況下不能有效控制相應移動速度和方向，導致其跨越障礙的能力不足。基于這一問題，可以嘗試在驅動輪移動平臺上增加彈簧阻尼懸掛系統，這樣可以改變質心，提升驅動輪的跨障礙能力。彈簧阻尼懸掛示意圖如圖1所示。

圖1 彈簧阻尼懸掛示意圖

相關懸掛系統一般可以用在汽車中，對提升汽車減震效果很有幫助，還能夠增強舒適性。對比獨立懸掛系統和非獨立懸掛系統，發現獨立懸掛系統性能更優越，可以有效提升控制精度。

2 全向移動機器人設計

2.1 設計要點

2.1.1 麥克納姆輪設計

這類全向移動自主機器人能夠借助4 個驅動輪內部的伸展機構伸展動作實現彈性變形，在伸展機構回歸到4 個驅動輪內部的時候，減震器就能夠借助彈力作用快速收縮，形成圓形狀態。相應伸展機構通過聯動曲柄擺桿機構應用，介于2 個驅動輪之間，這時候用螺釘將曲柄和連桿之間以及連桿和擺桿之間進行連接。這樣擺桿就可以借助銷釘鉸接在固定盤中，而固定盤則和中間箱體處于靜止狀態。此外，為了進一步降低機器人的質量，讓機器更加輕盈，在具體結構設計上，可以通過有效的質量縮減，在受力情況下，使用密度較小的輕金屬材料作為制造機器人的主要材料，用一些輕型的金屬材料替代笨重的機械材料。基于麥克納姆輪的全向移動自主機器人的設計中，驅動輪的減震設計也是重要組成部分，因為機器人需要適應不同復雜的地形，所以將輪式和減震器設計相結合，構建復合式的減震結構?？紤]到車體要適應山地、丘陵、凹地等多種地域狀態，所以要設計傳動，具體設計應該在電動缸驅動車體前的位置安裝起落架來適應不同地形和障礙跨越需要，通過有效減震和傳動，有效跨越前方障礙。

2.1.2 合理選擇電機

在全向移動自主機器人設計中，電機設計是機器人設計中的核心環節，電機容量需要滿足要求，這里就需要把握電機運行中的發熱條件，具體的發熱條件與實際的工作情況有一定聯系。電機在長期運轉中，相應的載荷是呈現變化趨勢的，即使是在常溫環境下，只要確保負載在額定值范圍內，就不會產生過熱的情況，所以需要確保電機額定功率大于等于小車電機輸出功率。在電機功率計算中，應該確保其參數值合理性，因為這個參數值過大會導致小車運動速度增大，造成車輛結構不穩，也會導致控制板負荷也會增加；而參數值過小會導致電機過載運行，導致電機故障出現。所以要通過精確計算確定機器人設計中相關電機的額定電壓、轉速和電流的控制。

2.2 全向機器人系統設計

此次全向移動自主機器人設計中，選擇底盤四輪獨立縱臂懸掛方式，確保相應驅動輪能夠在機器人的多環境移動中，始終保持與地面的充分接觸，找著力點。在機器人行進路線設計中，通過ⅠMU 和Kinect融合算法來提升機器人行駛路線的精度，保證精確控制機器人移動方向和距離。機器人采用激光雷達對位置地域開展自主建圖和自主導航，可以通過與微型電腦的連接，確保機器人系統處理速度可靠，降低設備對機器人的負載。相關電機需要全部加入速度環、電流環，確保速度誤差以及機器人功率有效控制目標的實現。在相應點位電機中增加位置環，保證機器人運動方向精準可靠。考慮到機器人底盤的4 個麥克納姆輪在地面上需要保持一定的速度，也要確保運行中的穩定性，所以4 個底盤電機控制都選擇模糊控制系統，這一系統能夠讓不同狀況下的輸出適應4 個驅動輪轉速的速率，避免機器人在行進中不走直線或者是不按相應路線行駛的問題。

在具體控制上，需要借助多個控制設備和通信模塊，實現對機器人的監測和控制，實現機器人集中控制效果。在系統設計中，包含幾個PLC 控制單元，它們共同構成了相應的數據傳輸網絡，能夠確保規?？刂菩б?，對系統內的皮帶、設備等進行全流程監控。在控制系統啟動之前，需要在集控臺發布預告信息，30 s 后，如果滿足現場啟動要求，可以自動啟動。在系統工作中，多采取自動控制模式，相應設備根據工藝要求順序以及流程對中央控制臺進行啟停操作；而采取集控手動控制的方式，就可以由中央控制臺來對相關設備進行操作，不存在閉鎖關系。系統需要對機器人實施集中監控，對設備運行狀態和參數進行有效監控，并將相應的數據信息存儲在系統硬盤中。此外，系統針對設備故障以及異常信號實施報警處理，還要同時出現聲光提示，確保相關人員能夠及時關注到異常信號。在該全向機器人控制系統設計中，通過Ⅰ/O控制系統應用，在故障診斷系統中增設主控計算機，在現場設計前端數據采集設備，通過以太網接口以及主控計算機來實現有效的數據通信操作，借助主控計算機及時發送相關控制信號，做好現場設備的操控。這里應用的前端數據信號采集設備一共有4 臺，這些信號數據采集設備分別與一體化設備的相關單項電氣設備連接，構成了一個二級分布式控制系統。在機電一體化設備運行出現異常情況的時候，系統能夠及時將故障信號以及設備故障名稱傳輸到故障診斷計算機中，執行相應的故障診斷程序，最后計算機對故障范圍進行判斷，確定維修步驟和方案，結合系統提示開展故障分析，借助電纜對需檢測的故障設備以及前端數據采集設備連接，在將信號和故障診斷計算機連接，這樣系統輸入監測設備號后，就可以模擬信號輸入和輸出，對測量結果進行分析處理，確定故障所在位置，并按照系統提示做好必要的板級調換。

3 總結

目前，社會生產和生活對機器人的依賴性不斷增強，設計一種全向移動自主機器人，對解決很多復雜環境中的問題有很大幫助?；邴溈思{姆輪設計全向移動自主機器人，對相關機器人性能進行優化，解決了機器人在復雜地面上的行駛問題。本文通過研究分析，探索基于麥克納姆輪進行優化的全向機器人設計思路，對指導新時期全向機器人設計和發展具有一定的借鑒意義。