改进的全方位机器人的机械车轮设计外文翻译资料

本科毕业设计（论文）

外文翻译

改进的全方位机器人的机械车轮设计

奥拉夫 ·迪格尔，阿帕尔纳 ·巴德格伦 ·布 莱特，约翰 · 波吉特， 西尔维斯特 ·特莱尔机电一体化和机器人研究小组

奥克兰，梅西大学技术与工程学院abadve@massey.ac.nz，

mechatronics.massey.ac.nz

作者：奥拉夫 ·迪格尔，阿帕尔纳 ·巴德夫，格伦 ·布莱特，约翰 · 波吉特，西尔维斯特 ·特莱尔

国籍：新西兰

出处：2002年澳大拉西亚机器人和自动化奥克兰会议

全方向移动用于描述系统从任何配置向任何方 向瞬间移动的能力。在拥挤的环境中的移动方 面，全向机器人平台比传统设计具有巨大的优势。它们能够在充满静态和动态障碍和狭窄通 道的环境中轻松执行任务。这些环境通常出现 在工厂车间办公室、仓库、医院和老年护理设施中。提出了一种改进的全方位机器人机械轮设计。 该设计将通过降低摩擦力，从而提高性能。

1、介绍

灵活的材料处理和移动，通过实时控制， 已成为现代 制造不可分割的组成部分。AGV被广泛用于柔性制造系 统， 以移动部件并根据需要定位它们(卡尔帕吉安， Schmid，2000)。许多全方位或接近全方位的车辆的设 计已经被提出。这些通常可以分为两种方法： 传统的 车轮设计和特殊的车轮设计。

传统车轮机械简单，负载能力高，工作表面不规则公 差高。然而， 由于它们的非完整的性质，它们并不是 真正的全方位的。设计已提出实现近全方位移动使用 传 统 车 轮 。 最 常 见 的 设 计 是 使 用 方 向 盘 的 (Borensental.等， 1996) 。基于这种设计的车辆至少 有两个主动轮，每个主动轮都有驱动和转向执行器。 它们可以从任何配置中向任何方向移动。然而，这种 类型的系统并不是真正的全方位的，因为它需要停止 和重新定位它的方向当它需要在非连续曲率的轨道上行驶时，车轮到所需 的方向(杜博斯基，斯科尔斯基，Yu，2000)。大多数特殊的车轮设计都基于一个概念，即在一个方 向实现牵引力，并允许在另一个方向实现被动运动， 从而允许在拥挤的环境中具有更大的灵活性(West和 Asada，1997) 。其中一个更常见的全方位车轮设计是 机械轮， 由瑞典机械轮公司的工程师在1973年发明。 许多其他目前常用的设计都是基于伊伦最初的概念。

四轮麦克纳姆轮全方位运动系统的轮组布局形式多种多样，并不是每一种布局形式都能实现全方位运动，判定系统实现全方位运动性能优劣的必要条件是：系统逆运动学雅 克比矩阵是否列满秩。满足必要条件后还必须根据系统的驱动性能综合优选其结构布局形 式。从运动性能和驱动性能两方面综合选择，六种常见的布局结构形式中最优的布局结构 形式如图 3-11(b)所示。 麦克纳姆轮结构特点决定了麦克纳姆轮系统具有上述的特殊运动性能和结构特征。

2、传统的麦片风轮

伊伦的机械轮是基于一个中心轮的原则，在与许多滚轮放置在车轮周围的一个角度。独自成角的外围滚轮将车轮 旋转方向上的一部分力转换为垂直于车轮方向的力。 根据每个单独的车轮的方向和速度，所有这些力的结 果组合在任何期望的方向上产生一个总的力向量，从而允许平台在由此产生的力向量的方向上自由移动，而不改变车轮本身的方向。

图1： 基于Ilon概念的机械轮

图1中的设计显示了一个传统的机械轮，外围滚轮从外 部固定到位。这种设计虽然具有良好的承载能力，但 其缺点是，当遇到倾斜或不均匀的工作面时，车轮的 边缘可以制造

与表面而不是滚子接触，从而防止车轮的形式正常工 作。这一点如图2所示。

图2： 倾斜面上的传统机械车轮

Ilon也提出了一个简单的替代方案，它减轻了这个问题，包括将滚轮分成两部分并中央安装，如图3所示：

图3： 带中央安装滚轮的机械轮

这种设计确保了辊总是与工作表面接触，从而允许在 不均匀的表面上有更好的性能。

3、用机械式车轮控制车辆

对于使用机械车轮实现全向运动的车辆，车轮布置在 平台上，配置如图4所示：

图4： 全方位车辆的机械车轮配置

根据电机的方向，车轮总是产生向前或反向的力， 以 及内向或向外的角度外围辊引起的力。根据这些力的 结果组合，可以控制平台向任何方向移动，如表1所 示。通过改变车轮的方向和速度，还可以实现各种其 他的运动。

虽然令人难以置信的通用，标准的机械轮有一个不幸 的副作用，这大大降低了其效率。它的广泛移动范围 是由于外围滚轮将电机力的一部分转换为垂直或与电 机产生的角度的力。这意味着通过滚轮转化成产生的 力，一个方向上的大部分力丢失。作为这种低效率低 下的一个极端例子，当平台对角移动时，只有前后对 侧轮旋转，而其他两个车轮上的滚轮造成直接阻力， 电机必须对抗。

4、使用“扭曲”改进了设计

本文提出了两种提高机械轮效率的方法； 第一种是一 种机械简单的方法，可以提高AGV平台直线行驶时能量 损失的性能。第二种在机械上更为复杂，但提出了一 个模型，其中外围滚轮能够动态地将其角度调整到合适的角度

图5： 带可锁定滚轮的机械轮

图6： 带可旋转滚轮的机械轮

表1： 使用可旋转滚轮改善运动

每个车轮上的滚轮的角度通过通过锥齿轮系统连接的 所有滚轮轴进行控制，使其中一个轴上的旋转执行器

同时控制所有其他滚轮轴。然后只需要一个简单的软件算法来确定理想的每组滚轮的理想角度。

5、改进设计的机械轮在一个移动机器人上的应用

机电一体化和机器人研究小组2梅西大学的G)开发了一 种全地形AGV，使用一套机械车轮和一套传统车轮。一 般的机械轮在粗糙的户外地形上不能有效地工作，其 中小物体被困在滚轮中 ，从而阻止了它们的 自由旋 转 。先生2G已经克服了这一限制，提供了第二组正常 车轮与重踏板轮胎为户外使用。将自动检测到任何地 形变化，并使用一组气动执行器从Mecanum车轮（用于 室内和高移动性要求使用） 转换为常规车轮（用于室 外使用和粗糙地形）

图7： 梅 西 大 学 的 地 图 环 境 引 导 自 动 导 航 器 (M.E.G.A.N.)

当AGV行驶时，地形的表面粗糙度是有效选择车轮的决定因素。边缘安装的超声波传感器用于在旅行过程中 扫描地形。收集适当的表面信息，并在车轮选择和激 活过程中使用预定的超声波频谱边界条件。如果确定 地形是粗糙的，气缸降低正常车轮与一个沉重的踏板 轮胎。AGV有一个车载储气罐和12V压缩机，为气缸提 供动力。一个直流伺服电机独立驱动每个车轮，这样就可以通过改变每个车轮的转速来操纵车辆。这种车 轮选择的灵活性已经被证明在开发一种能够在各种地 形上行驶的全方位车辆方面是有效的。

参考文献

[博雷恩斯坦，埃弗雷特，冯，L.，1996]，导航移动机器人。 彼得斯，威尔斯利百货公司， 马萨诸塞州

[杜博斯基，吉诺，F.，戈丁，戈丁，S.，科佐诺。， “PAMM-一个对老年人的移动援助和监测的机器人援助： 一个对老年人的帮助之手” 。IEEE机器人与自动

化国际会议 B.E.，1975], 车轮用于a 课程稳定的自拍车辆可以在任何想

要的方向上移动在地面上或其他一些基地， 美国专利公司和商标办公室，专利3876255

[基洛，s.m.，和平，f.g.，1994]， “移动机器人的 全向和完整轮式平台的新系列” ，IEEE机器人与自动化学报，卷。10号。4，pp.480-489[劳蒙德 ， j.p. ， 1998] ，机器人运动规划和作品简介。斯普林格-弗拉格，伦敦。

1. “全向车辆球轮机械设计”
2. 《运动与不变运动学》 ，机械设计杂志，卷。119， pp153-161[卡尔帕吉安，施密德，2000]，制造业工程与技术， 普伦蒂斯厅]

Proc. 2002 Australasian Conference on Robotics and Automation

Auckland, 27-29 November 2002

Improved Mecanum Wheel Design for Omni-directional Robots

Olaf Diegel, Aparna Badve, Glen Bright, Johan Potgieter, Sylvester Tlale Mechatronics and Robotics Research Group

Institute of technology and Engineering, Massey University, Auckland

abadve@massey.ac.nz , mechatronics.massey.ac.nz

Abstract

Omni-directional is used to describe the ability of a system to move instantaneously in any direction from any configuration. Omni- directional robotic platforms have vast advantages over a conventional design in terms of mobility in congested environments. They are capable of easily performing tasks in environments congested with static and dynamic obstacles and narrow aisles. These environments are commonly found in factory workshops offices, warehouses, hospitals and elderly care facilities.

This paper proposes an improved design for a Mecanum wheel for omni-directional robots. This design will improve the efficiency mobile robots by reducing frictional forces and thereby improving performance.

1 Introduction

Flexible material handling and movement, with real-time control, has beco

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