轮式移动机器人外文翻译资料

 2022-05-06 21:02:51

2.3 轮式移动机器人

迄今为止，轮子一般是移动机器人学和人造车辆中最流行的运动机构。它可达到很高的效率，而且用比较简单的机械就可实现它的制作。

另外，在轮式机器人设计中，平衡通常不是一个研究问题。因为在所有时间里，轮式机器人一般都被设计成所有轮子均与地接触。因而，3个轮子就足以保证稳定平衡。虽然我们将在下面看到，两轮机器人也可以稳定。如果使用的轮子多于3个，当机器人碰到崎岖不平的地形时，就需要一个悬挂系统以容许所有轮子都保持与地面接触。

轮式机器人研究不是忧虑平衡，而是倾向于把重点放在牵引、稳定性、机动性及控制问题。为覆盖所有期望的地形，机器人的轮子能否提供足够的牵引力和稳定性？机器人的轮子结构能对机器人的速度进行充分控制吗？

2.3.1 轮式运动：设计空间

正如将要看到的，当我们考虑移动机器人运动的可能技术时，可能的轮子结构有很大的空间。因为有很多数目不同的轮子类型，各有其特定的优点和缺点，故我们从详细讨论轮子开始，然后来检验为移动机器人传送特定运动形式的完整的轮子构造。

2.3.1.1 轮子的设计

有四种主要的轮子类型，如图2.19所示。在运动学方面，它们差别很大。因此轮子类型的选择对移动机器人的整个运动学有很大的影响。标准轮和小脚轮有一个旋转主轴，因而是高度有向的。在不同的方向运动，必须首先沿着垂直轴操纵轮子。这两种轮的主要差别在于标准轮可以完成操纵而无副作用，因为旋转中心经过接触片着地；而小脚轮绕偏心轴旋转，在操纵期间会引起一个力，加到机器人的底盘。

图2.19 四种基本的轮子类型：（a）标准轮：2个自由度，围绕轮轴（电动的）和接触点转动；（b）小脚轮：2个自由度，围绕偏移的操纵结合点旋转；（c）瑞典轮：3个自由度，围绕轮轴（电动的）、辊子和接触点旋转；（d）球体或球形轮：技术上实现困难

瑞典轮和球形轮二者的设计比传统的标准轮受方向性的约束少一些。瑞典轮的功能与标准轮一样，但它在另一方向产生低的阻力，它有时垂直于常规方向，如瑞典90°轮；有时在中间角度，如瑞典45°轮。装在轮子周围的辊子是无源的，轮的主轴用作唯一主动地产生动力的连接。这个设计的主要优点在于：虽然仅沿主轴给轮子旋转提供动力（通过轮轴），轮子以很小的摩擦，可以沿许多可能的轨迹按运动学原理移动，而不仅仅是向前或者向后。

球形轮是一种真正的全向轮，经常被设计成可以沿任何方向主动地受动力而旋转。实现这种球形构造的一种机构模仿了计算机鼠标，备有主动提供动力的辊子，这些辊子安置在球的顶部表面，并给予旋转的力。

无论用什么轮，在为所有地形环境设计的机器人和具有3个以上轮子的机器人中，正常情况下需要一个悬挂系统以保持轮子与地面的接触。一种最简单的悬挂方法是轮子本身设计成柔性的。例如，在某些使用小脚轮的四轮室内机器人情况下，制造厂家已经把软橡胶的可变形轮胎用在轮上，制作一个主悬挂体。当然，这种有限的解决方案不能与应用中错综复杂的悬挂系统相比拟。在应用中，对明显的非平坦地形，机器人需要更动态的悬挂系统。

2.3.1.2 轮子几何特征

移动机器人轮子类型的选择与轮子装配或轮子几何特征的选择紧密相关。移动机器人的设计者在设计轮式机器人的运动机构时，必须同时考虑这两个问题。为何轮子的类型和轮子的几何特征如此重要？因为机器人的三个基本特征受这些选择所支配：机动性、可控性和稳定性。

汽车大都为高度标准化的环境（道路网）而设计，与其不同的是，移动机器人则是为应用在种类繁多的环境而设计。汽车全部共享相同的轮子结构，因为在设计空间中存在一个区域，使得它们对标准化环境（铺好的公路）的机动性、可控性和稳定性最大。可是，不同的移动机器人面临各种不同环境，没有单独一个轮子结构可以使这些品质最大化。所以，你会看到移动机器人的轮子结构种类繁多。实际上，除了为道路系统设计的移动机器人外，很少机器人使用汽车的Ackerman轮子结构，因为它的机动性较差（图2.20）。

表2.1给出了轮子结构的概貌，按轮子数目排序。表中描述了特殊轮子类型的选择和机器人底盘上它们的几何结构这两个方面。我们注意到，所示的某些轮子结构在移动机器人的应用中很少用到。例如，两轮自行车装配，其机动性中等，可控性差。再像单腿跳跃机，它根本不能静止地站着。不过，表中提供了在运动

机器人设计中可能用到的许多种类轮子结构的说明。

图2.20 Navlab I是第一个自主式高速公路交通工具。它使用视觉和雷达传感器操作和控制油门，由CUM开发

表2.1中种类的数目是很多的。不过，这里列出了重要的趋向和分组，它可帮助理解各结构的优点和缺点。下面，根据以前确认的三个问题：稳定性、机动性和可控性，我们来确认一下某些关键性的折衷。

2.3.1.3 稳定性

令人惊奇的是，静态稳定所要求的最小轮子数目是2个。如上所述，如果质心在轮轴下面，一个两轮差动驱动的机器人可以实现静态稳定。Cye就是使用这种轮子结构的商业移动机器人（图2.21）。

图2.21 Cye是家用机器人，它可以在家里坐真空吸尘和传递员

可是，在普通的环境下，这种解决方案要求轮子的直径大得不切实际。动力学也可引起两轮机器人以接触的第3个点撞击地面，例如，从静止开始要有足够大的电机转矩。常规情况下，静态稳定要求至少有3个轮子．且需要警告的是：重心必须被包含在由轮子地面接触点构成的三角形内。增加更多的轮子可以进一步改善稳定性，虽然一旦接触点超过3个后，几何学的超静态性质会要求在崎岖不平的地形上有某种形式的灵活悬挂系统。

2.3.1.4 机动性

一些机器人是全向的，这意味着它们可以在任何时候沿着地平面(x，y)向任意方向运动，而不管机器人围绕它垂直轴的方向。这一层次的机动性需要能朝一个以上方向运动的轮子。所以，全向机器人经常使用有动力的瑞典轮或球形轮。这个机器人使用4个瑞典轮，能独立地旋转和平移且不受限制。

一般来说，由于构造全向轮的机械上约束，带有瑞典轮和球形轮的机器人其地面清洁度是受某些限制的。在解决这种地面清洁度问题的同时，一个令人感兴趣的最新解决全向导航的方案是四小脚轮结构。在这种结构中，各小脚轮有源地被操纵，并主动地平移。在这种配置中，机器人是真正全向的。因为，即使小脚轮面向一个垂直于行走的期望方向，通过操纵这些轮子，机器人仍能向期望的方向移动。因为垂直轴偏离了地面接触路径，这个操纵运动的结果就是机器人的运动。

在研究领域中，可实现高度机动性的其他类型的移动机器人是很普遍的，它只比全向结构的机器人稍微差一点。这种类型的机器人，在特定方向上的运动，可能一开始需要一个旋转运动。机器人的中央有一个圆底盘和转动轴，使得这种机器人可以旋转而不改变它的地面脚印。这种机器人中最普遍的是两轮差动驱动的机器人，在那里2个轮子围绕机器人的中心点转动。为了稳定，根据应用的特点，也许要用1～2个附加的地面接触点。

与上面的结构相反的是，我们在汽车中常见的Ackerman操纵结构。这种车辆典型的地方是有一个比小汽车大的旋转直径。而且它运动在小路上时，需要一个停车调动，向前和向后重复改变方向。尽管如此，ACkerman操纵几何结构在业余爱好的机器人市场中仍一直特别地流行。这里，开始用一个遥控的赛车工具包，然后把感知和自主性加到现有的机械机构上，就可以制作机器人了。另外，Ackerman操纵的有限机动性有一个重要的优点：它的定向性和操纵的几何结构，向它提供了在高速旋转中非常好的横向稳定性。

2.3.1.5 可控性

一般来说，可控性和机动性之间存在逆相关性。例如，诸如四小轮的全向结构，需要重大的处理，把所需的转动和平移速度转换成单个轮子的指令。而且，这种全向装置经常在轮子上有更高的自由度。例如，瑞典轮沿着轮周有一组自由的滚轮。这些自由度造成滑动的累积，趋向于减小航位推算的准确度，增加结构的复杂性。

对一个特定的行走方向，控制全向机器人也比较困难，而且当它与较小机动性机构比较时，往往准确度较低。例如，一个Ackerman操纵车辆，通过锁住可操纵轮和驱动它的驱动轮就可以简单地走直线。在差动驱动的车辆中，装在轮上的2个电机必须精确地沿同样的速度分布函数受驱动。考虑到轮子间和电机间的差异以及环境的差异，这可能是具挑战性的难题。对于具有四轮的全向驱动，如Uranus（天王星）机器人，它有4个瑞典轮，问题更为困难。因为对在理想直线上行走的机器人，必须精确地按相同速度驱动所有的4个轮子。

总之，没有“理想”的驱动结构可以同时使稳定性、机动性和可控性最大化。各移动机器人的应用对机器人设计问题加上唯一的约束，而设计者的任务就是在这个可能的折衷空间中，选择最合适的驱动结构。

3.6 运动控制

如上所述，对非完整系统，运动控制（运动学控制）可并不是一个容易的任务。但不同的研究群体已研究了这个问题，例如参考文献[10，60，90，300]，而且已经有了移动机器人运动控制的某些合适的解决方案。

3.6.1 开环控制

运动控制器的目标是跟踪一条轨迹，该轨迹由它的位置或速度分布曲线描述成为时间的函数。这常常是通过将轨迹（路径）分割成形状清晰的被定义的运动区段来完成的，例如直线或圆弧段。因此，控制问题是根据直线和圆弧段，预先计算平滑的轨迹，驱动机器人从初始位置走到最终位置（图3.17）。这个方法可以被当作开环运动控制（轨迹跟踪），因为所测量的机器人位置不作速度或位置控制而反馈。它有几个缺点：

图3.17 根据直线和圆轨迹段的运动机器人的开环控制

·如果必须考虑机器人的速度和加速度的所有限制和约束，预先计算一条可行的轨迹根本不是一个容易的任务。

·如果环境发生动态的改变，机器人不会自动地适应或修正轨迹。

·最终的轨迹常常不是平滑的。因为对大多数常用的区段（例如，直线和圆的一部分）,从一个轨迹段到另一个轨迹段的转变是不平滑的。这意味着在机器人的加速度中，存在不连续性。

3.6.2 反馈控制

在移动机器人的运动控制中，更为适宜的方法是使用一个状态反馈控制器。有了这种控制器，机器人的路径规划任务被简化为：设置处于所要求路径上的中间位置（子目标）。在 3.6.2.1节中，为稳定的差动驱动移动机器人的反馈控制，提出了一个有用的解决方案。它非常类似于参考文献[61，189]中提出的控制器。其他的方法可在参考文献[10，90，92，300]中找到。

图3. 18 移动机器人反馈控制的典型情况

3.6.2.1 问题陈述

考虑图3.18所示的情况，机器人具有任意的位置和方向，以及一个预定的目标位置和方向，在机器人参考框架中，所给定的实际姿态误差向量为，x，y和是机器人的目标坐标。

控制器设计的任务是寻求一个控制矩阵，如果它存在的话，

使得和的控制

驱使误差e趋向零。

3.6.2.2 运动学模型

一般来说，我们假定目标是在惯性框架的原点（图3.19）。在下面，位置向量总是被表示在惯性框架中。

图3.19机器人运动学和它感兴趣的框架

在惯性框架中，所描述的差动驱动移动机器人的运动学，给定如下：

式中和 是在惯性框架和方向中的直线速度。

令表示机器人参考框架轴和连接轮子轴中心与最终位置的向量之间的角度。如果，这里

那么考虑坐标转换到原点在目标位置的极坐标

这样利用矩阵方程，在新的极坐标中，得到一个系统的描述

式是机器人轮轴的中心与目标位置之间的距离．表示机器人参考框架轴和与最后位置有关的轴之间的角度，和分别为切向速度和角速度。

另一方面，如果，式中

通过设置，重新定义机器人的前向方向，我们得到由矩阵形式描述的系统：

3.6.2.3 对极坐标中运动学模型的评注

·坐标变换不是被定义在，因为在这样的点上，变换的雅可比矩阵的行列式是不定的，即是无界的。

·对．，机器人的前向方向指向目标；对，它是相反方向。

·在它的初始配置中，通过适当地定义机器人的前向方向，常常有可能在时，有。然而，这并不意味对所有时间，都保持在。因此，为了避免在到达目标时机器人改变方向，如果可能，有必要以这样的方式确定控制器：只要，，则对所有，。对反方向，同样可用（见以下稳定性问题）。

3.6.2.4 控制律

现在必须设计控制信号和，以把机器人从它的实际配置，比如，驱动到目标位置。显然，方程(3.53)在出现不连续，但Brockett定理不妨碍平滑稳定性。

如果我们现在考虑线性控制律

我们用方程(3.53)得到下式描述的闭环系统

系统在没有任何奇异，并在，有一个唯一的平衡点。因此，它会驱动机器人到该点，这就是目标位置。

·在笛卡儿坐标系，控制律(方程(3.57))产生了在．r—y—O是不定的方程。

·要知道这样的事实：角度和经常被表达在范围中。

·观察到控制信号#39;U，它经常有一个恒定的符号，即只要，它是正的；其他情况它总是负的。这说明机器人执行它的停车任务总是在单个方向，而无逆向运动。

在图3.20中，当机器人起初处在x，y平面的一个圆上时，可得到最终的路径。所有的运动具有趋向目标在中心的平滑的轨迹。对该仿真，控制参数被设置为

3.6.2.5 局部稳定性问题

进一步可以证明，闭环控制系统(方程(3.58))局部指数地稳定的，如果

证明：

围绕平衡点位置线性化，方程(3.58)可以被写成：

因此，它是局部指数地稳定，如果矩阵A的特征值

全部有负的实部。矩阵A的特征多项式为

如果

所有的根有负的实部，证毕。<!--

全文共5893字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

英语原文共 13 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[12612]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章