六轮移动机器人运动学建模与仿真

充气按摩器六轮移动机器人运动学建模与仿真
王殿君;吴乐;郑世杰;关似玉;刘占民
【摘 要】To meet the needs of the petrochemical industry, a six wheeled mobile robot with strong flexibility and the ability to work in narrow space and complex environments was designed.The kinematics model of the robot was set up by using the wheel configuration of mixing four omnidirectional wheels with two ordinary rubber wheels, and the relationship between the wheel moving parameters and the position appearance of the robot was analyzed, The ADAMS software was adopted to build the simulation model of the robot, and through the kinematics simulation of the performance of linear driving and pivot steering, the robot's kinematics curve was obtained, thus the correctness of the kinematic model and the rationality of the robots' mechanism design were verified.The results of the on situ steering error experiment showed the robot's strong ability to place steering.Its minimum error reached 2.299mm, meeting the needs of the robot's high flexibility.%针对石化行业的需求,设计了一款具有较强运动灵活性的适合在狭小空间、复杂环境中工作的六轮移
动机器人.采用4个全向轮与两个普通橡胶车轮混搭的车轮配置方案,建立机器人的运动学模型,并分析了车轮的运动参数与机器人本体位姿之间的关系;运用ADAMS仿真软件构建了机器人的仿真模型,通过对直线行驶、原地转向性能进行运动学仿真,得到了机器人的运动学曲线,验证了运动学理论模型的正确性和机器人机构设计的合理性.原地转向误差实验表明,机器人具有较强的原地转向能力,原地转向最小误差可达到2.299mm,较好地满足了该机器人的高灵活性需求.
【期刊名称】《高技术通讯》
【年(卷),期】2017(027)002
【总页数】9页(P184-192)
【关键词】六轮移动机器人;运动学模型;运动学仿真;原地转向误差实验
【作 者】王殿君;吴乐;郑世杰;关似玉;刘占民
【作者单位】北京石油化工学院机械工程学院 北京 102617;北京化工大学机电工程学院 北
京 100029;机器时代(北京)科技有限公司 北京 100083;北京石油化工学院机械工程学院 北京 102617;北京石油化工学院机械工程学院 北京 102617
诺基亚cdma【正文语种】中 文
近年来,随着机器人技术的快速发展,移动机器人以其具有运动灵活性、复杂环境适应性等优点而备受关注。根据移动方式的不同,全地形移动机器人可分为轮式、腿式、履带式、组合式等类型[1]。其中,轮式移动机器人的优点是机械结构简单、承载力大、控制系统简单、行驶速度较快。按照车轮数量主要包括单轮式、三轮式、四轮式、五轮式、六轮式等[2]。最具有代表性的有日本NASDA公司研制的Tri-starⅡ三轮移动机器人,但其机械结构很不稳定,越障能力有限。美国的Klarer等人研制了RATLER四轮全地形月球探测机器人,其本体质心与几何中心重合,才能保证机器人的运动灵活性[3]。日本宇航开发局(JAXA)与美国CMU大学联合研制了五轮全地形移动机器人Micro 5,其具有较强的越野性和稳定性。现有的六轮全地形移动机器人是由瑞士自动化研究所(SASL)研制的SHRIMP[4]。本研究针对石油化工企业在危险工作环境巡检工作的需求,设计了一款能够代替工作人员完成巡视检查任务的巡检机器人。考虑到石化巡检环境的工作空间可能会很
狭窄,巡检机器人的移动平台就需要具有较强的运动灵活性。本文以六轮移动机器人为研究对象,利用全方位移动机器人的运动特性,采用全方位轮和普通车轮的混合配置方案建立机器人的运动学模型[5],通过ADAMS仿真分析,并进行了原地转向误差实验,分析其运动灵活性。
1.1 六轮移动机器人的结构
本文根据石化企业的巡检环境需要,设计了一款转向灵活的六轮移动机器人,其三维模型如图1所示。转弯半径是衡量移动机器人灵活转向能力的重要指标,转弯半径越小,转向越灵活。本文设计要求机器人的转弯半径为0mm。
1.2 机器人运动学建模
轮式移动机器人的运动学模型主要是研究轮子的运动参数与机器人本体位姿之间的关系,它是移动机器人轨迹控制的基础[6]。每个轮子对机器人的运动既有驱动作用,又有约束作用,并且每个轮子的运动变化都会导致机器人位姿的变化。因此,需要用统一的机器人坐标系来表达各个轮子的运动速度和方向,同时在世界坐标系与机器人坐标系之间需要具有一个清晰的转换关系。
为了便于建立六车轮运动与机器人本体运动之间的关系模型,作了如下假设:
(1)机器人本体视为刚体;
(2)机器人在水平面上移动;
(3)机器人本体的结构中心与重心重合;
(4)轮子与地面之间的摩擦力足以保证轮子不发生打滑现象。
本文所设计的六轮移动机器人所配备的车轮主要有全向轮、普通橡胶车轮,由于单独的全向轮无法实现原地转向,这里采用了4个全向轮、2个橡胶车轮,其中4个全向轮位于机器人前后位置,2个橡胶车轮位于机器人中间位置。
为了建立六轮移动机器人的运动学模型,绘制了机器人运动参数及结构尺寸示意图,如图2所示。
XPY为机器人坐标系,P为机器人运动的中心,O1-O6为各车轮中心,车轮半径均为R,设4个全向轮绕轮轴转动的角速度分别为ω1、ω2、ω3、ω4;4个全向轮上从动轮的速度分别蓝牙门禁
为vg1、vg2、vg3、vg4;2个
橡胶车轮绕轮轴转动的角速度分别为ω5、ω6;2个橡胶车轮沿X轴方向的速度为v5、v6;机器人运动中心点P的速度为[vX,vY,ωP],其中vX为机器人沿X轴方向的行驶速度,vY为机器人沿Y轴方向的行驶速度,ωP为机器中心点P的角速度。
(1)全向轮的运动学方程
全向轮是由海丹等人研发的一款专利产品。图3为全向轮的结构示意图,它是由轮毂和从动轮组成的,在轮毂的外缘均匀地安装有可绕自身轴线自由转动的从动轮,从动轮轴线与轮毂轴线的夹角为90°。当全向轮转动时,轮毂是主动机构,从动轮是从动机构,并能绕自身轴线旋转,这样机器人在横向移动时产生滚动摩擦力,从动轮就可以提供与轮毂轴线重合的扭矩,所有从动轮扭矩的合成提高了机器人的全方位移动能力[7]。因此,全向轮以其具有良好的移动性能得到了广泛的应用,其实物如图4所示。
当六轮移动机器人的电机驱动全向轮旋转时,全向轮会有两种运动:一是前后移动;二是与地面接触的从动轮绕其自身轴线旋转。在机器人坐标系XPY下,设全向轮1中心点O1的移动速度为v1X、v1Y,可以得出
v1X=ω1R
v1Y=-vg1
全向轮固连在移动机器人上,由机器人的整体速度可得
v1X=vX-ωPl1
v1Y=vY-ωPl2
联立式(1)-(4)可得
由式(5)可以得出全向轮1的转动角速度ω1及从动轮速度vg1:
ω1
同理分析全向轮2、全向轮3、全向轮4可得
ω1=ω2=ω3=ω4
vg1=vg2=vg3=vg4
双挂调法综上分析得,4个全向轮的转动角速度ω1、ω2、ω3、ω4及从动轮速度vg1、vg2、vg3、vg4与机器人中心点P的运动状态矢量[vX,vY,ωP]之间的关系如下:
(2)橡胶车轮的运动学方程
当电机驱动橡胶车轮旋转时,车轮只有一个运动,就是前后移动。其实物如图5所示。
在机器人坐标系XPY下,设橡胶车轮5中心点O5的移动速度为v5,橡胶车轮6中心点O6的移动速度为v6,得出
v5=ω5R
v6=ω6R
橡胶车轮只能使机器人产生沿X轴方向的行驶速度,则有
vX
机器人的转动角速度为
ωP
联立式(14)和(15)可以得出2个橡胶车轮的转动角速度ω5、ω6与机器人中心点P的运动状态矢量[vX,vY,ωP]之间的关系为
(3)六轮移动机器人的整体运动学方程
通过对全向轮和橡胶车轮进行运动学分析,联立式(10)、式(11)和式(16)建立机器人在机器人坐标系XPY下的运动学方程为厕所除臭机
分析式(17)和(18)可以得出以下结论:
(1)当vX=0,vY=0,ωP≠0时,机器人可以实现原地转向运动,即
(2)当vX≠0,vY=0,ωP=0时,机器人可以实现直线行驶,即
(3)当vX=vcosθ,vY=vsinθ,ωP=0时,机器人可以实现沿与X轴成θ角度的速度v(v为vX和vY的合速度)行驶,即
为了确定机器人的位姿,需要将机器人在世界坐标系xoy中的运动转换到机器人在坐标系XPY中的运动,机器人在世界坐标的位置和姿态如图6所示。
图中,xoy表示平面世界坐标系,XPY表示机器人坐标系,P为机器人本体的中心点,一般该点与机器人本体的质心重合。世界坐标系与机器人坐标系的夹角为θ,机器人本体中心点P的位置可以由世界坐标系中的x、y确定。
因此机器人在世界坐标系下的位姿ξo可以由x、y、θ 3个矢量表示为
为了根据轮子的运动表示机器人本体的运动,需要把沿世界坐标系的运动转换成沿机器人坐标系轴的运动,实现该转换的正交旋转矩阵为
根据该正交旋转矩阵将世界坐标系{x,y}中的运动转换到机器人坐标系{X,Y}中的运动,其中ξo表示机器人坐标系下机器人的位姿,用下式表示:
ξP=R(θ)ξO
反之可得,将机器人坐标系{X,Y}中的运动转换到世界坐标系{x,y}中的运动为
ξO=R(θ)-1ξP
根据式(17)、式(18)和式(24)可得出机器人4个全向轮中从动轮的速度及6个车轮的转动角速度与机器人中心点P在世界坐标系中位置坐标之间的关系式:
sccnn
2.1 机器人仿真模型的建立
该机器人具有较多的零部件,若将整个三维模型导入ADAMS中,则会导致零部件之间的连接关系失效,这就需要逐个设置所有零件之间的连接关系和连接点,不仅工作量大容易出错而且没有必要,因此必须在SolidWorks建模环境中合理简化机器人的模型(如图7),再导入到ADAMS中进行仿真[8],虚拟样机如图8所示。
2.2 机器人运动学仿真
为了得到相对准确的仿真结果,仿真过程不考虑机器人的传动系统。本文基于ADAMS的仿真主要分为两大部分,分别是直线行驶仿真和原地旋转仿真。
(1)直线行驶仿真
根据运动学模型可以看出,当机器人直线行驶时,6个车轮的角速度相同,其中全向轮上的从动轮不绕自身轴线转动。设置6个车轮上的驱动函数均为step(time, 0, 0d, 1, 120.38d)+step(time, 1, 0d, 2, 0d)+ step(time, 2, 0d, 3, -120.38d)。根据设置的驱动函数绘制车轮运动的角速度曲线,如图9所示。

本文发布于:2023-06-15 19:17:32,感谢您对本站的认可!

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