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适于楼宇环境的全方位移动技术研究

王一治  
【摘要】: 由四个Mecanum轮构成的平面三自由度全方位移动系统,适宜在具有大量固定障碍及活动障碍的狭窄空间运行。但目前该系统只应用在如足球机器人或仓库搬运车辆中,且只能在平坦地面上运行。如果将Mecanum轮全方位行走技术推广应用在整个楼宇环境下,使之既能适应狭窄空间、也能适应不平地面、又能攀爬楼梯,为楼宇下移动服务机器人提供一种运行灵活、支撑稳定可靠的行走系统,必然促进服务机器人的实际应用。 本文针对楼宇环境,基于Mecanum轮全方位移动技术,提出一种适应楼宇环境的全方位移动系统,并研究了与之相关的技术问题。 论文的主要研究内容及结论包含以下三部分: 1.基础应用技术研究。即研究Mecanum轮及系统的结构特征,分析Mecanum轮全方位移动系统在平坦地面条件下的运动特性。目的在于解决现有Mecanum平面运动系统存在的如下三方面技术问题。 (1)分析解决Mecanum轮移动中的“敲地”问题。在分析并总结Mecanum轮结构特征和运动特性的基础上,得到“包络成圆”规则是Mecanum轮结构的基本特征,是验证轮结构设计正确与否的基本条件,也是解决“敲地现象”的理论基础,并给出了解决“敲地现象”的应用实例。 (2)分析解决Mecanum轮全方位系统布局结构优化问题。分析并总结用Mecanum轮构造全方位运动系统的规则和条件,从系统结构条件、运动性能、动力学性能三方面分析给出了Mecanum四轮系统的最优布局结构形式,解决了系统轮组布局结构优化问题。 (3)分析解决Mecanum轮移动系统行走效率低的问题。研究Mecanum四轮系统的平面运动特性,求解出系统运动学模型及动力学模型。在此基础上得出提高Mecanum系统行走效率的方法和技术措施,即采取全方位行走方式与普通行走方式结合的混合行走方式,给出了实现混合行走方式的技术措施和实例。 2. Mecanum全方位运动方式的拓展研究。目的是使Mecanum轮全方位移动方式能够全面适应实际楼宇环境,主要内容包含如下两个方面。 (1)提出一种能够适应不平地面的Mecanum四轮系统结构形式,并求解出该系统在不平地形条件下的运动学模型和动力学模型,且从理论上证明了该模型是Mecanum全方位系统适应平面及不平地面的通用模型。 (2)设计出一种Mecanum弹性轮结构,以此构成一种既能上下楼梯,也能全方位行走的四轮全方位系统,并研究了该系统上下楼梯的运动学及动力学特性,给出了该系统攀爬楼梯的系统结构条件和稳定性条件。 3.应用实例设计及虚拟样机试验。针对宾馆这一典型楼宇环境,设计了一种既能全方位行走也可攀爬楼梯的服务机器人移动平台,并用虚拟样机技术进行了模拟仿真,结果表明该平台能够较好地适应宾馆环境。


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