四轮移动机器人平台的设计与实现
Electrical Automation 《电气自动化》2018年第40卷第5期
计算机技术及其应用
ＣｏｍｐｕｔｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ
四轮移动机器人平台的设计与实现
周卫华，张德发
（台州职业技术学院，浙江台州 318000）
摘 要：提出了一种基于连续切换轮的移动机器人平台的设计与实现。每个连续切换轮由十根自由运动的辊子组成，轮子不仅能轴向
滚动，同时每根辊子也能绕自身轴旋转。轮子采用直流无刷电机单独驱动的方式。主控制器采用工控主板，通过PCI 插口扩展CAN 通信卡，与四个电机驱动器组成一个CANOpen 通信网络。通过CANOpen 网络，工控主板可以实时地与四个电机驱动器通信，工控主板发送指令给电机驱动器，电机驱动器反馈电机电流、转速和位置等信息给工控主板。试验结果表明，基于控制系统的移动机器人，通过四轮的运动学组合，能实现全向运动，为以后的深入研究打下基础。
关键词：连续切换轮；移动机器人；CAN 通信；全方位运动；控制系统ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－３８８６．２０１８．０５．００４
［中图分类号］TP 242．6 ［文献标识码］A ［文章编号］1000－3886（2018）05－0010－03
Design of Omni －directional Mobile Robot with Alternate Wheel
Zhou Weihua ，Zhang Defa
（ＴａｉｚｈｏｕＶｏｃａｔｉｏｎａｌ＆ＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅ，ＴａｉｚｈｏｕＺｈｅｊｉａｎｇ318000，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：The design and implementation of anomni －directional mobile robot platform based on continuous switching wheel was proposed in this
paper ．The whole robot system was composed of four alternate omni －directional wheels ．Each continuous switching wheel was comprised of 10freely moving rolls ，which could not only roll in the axial direction ，but also rotate around the axis of each roller ．All the wheels wereindependently driven by DC brushless motors ．The main controller used an industrial control motherboard ，it extended
the CAN communication card through the PCI socket ，and formed a CANOpen communication network with four motor drivers ．Through the CANOpen network ，the industrial motherboard could communicate with four motor drivers in real time ．The industrial motherboard sent instructions to the motor driver ，and the motor driver would feedback the current ，speed and position information of
motors to the industrial control motherboard ．The experimental results show that the mobile robot based on control system can achieve
omni －directional motion through the kinematic combination of four wheels ，and lay the foundation for further researches ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：alternate omni －directional wheel ；mobile robot ；CAN communication ；omni －directional movement ；control system
定稿日期：2017－11－23
基金项目：浙江省教育厅一般科研项目（Y 201636417）；台州市科技计划
项目（1701gy 25）
０ 引 言
移动机器人已经成为机器人领域一个重要的分支，在军事、危险作业和服务业等行业发挥着越来越重要的作用
［1－2］
。
移动机器人按照运动的机构可分为轮式、履带式和腿式等。其中轮式移动机器人由于其机构简单、运动灵活等优点，尤其受到青睐
［3－4］
。考虑到文中研究的对象是轮式移动机器人，故后续
所称的移动机器人都是指轮式移动机器人。物体在平面上具有三个自由度，分别为前后运动、左右运动和自转运动，传统的汽车具有的自由度少于三个，又如文献［5］中描述的四轮移动车，具有前后运动和自转运动的能力，但是不能横向移动。全方位移动机器人可以实现前后、左右和旋转三个自由度的运动，运动灵活性高，可以原地旋转，在狭小空间运动优势明显，如物流仓储行业、星球探测
［6］
和服务机器人等。
全方位移动平台需要设计相应的控制系统，如文献［7］中采用专用芯片作为主控制器来控制基于Mecanum 轮全方位移动机器人，控制简单，但是很难做进一步的扩展与深入研究。东南大
学的夏国庆
［8］
用主控芯片DSP 2812控制四个电机，每个电机驱
动一个Mecanum 轮。这种方法的优势在于节省成本，但是外围电路设计复杂且稳定性较差。
本文设计的轮式机器人采用工控主板作为主控制器，计算功能强大，而且丰富的接口可以方便扩展，为进一步深入研究提供
了良好的硬件平台。
图１ 连续切换轮
１ 连续切换轮的结构
连续切换轮的轮毂周围由十根辊子相互交错排列，辊子与轮毂是相互垂直，如图1所示。连续切换轮不仅具有轴向滚动的能力，且十根辊子也能绕自身轴旋转。图2所示为正交连续切换轮的实际样机，其中轮毂是主动轮，辊子是被动轮。辊子在外力的作用下绕着自身的轴旋转，速度方向与轮毂的速度方向垂直。
平面运动包含前后运动、左右运动和旋转运动三个自由度，故移动机器人要实现全方位运动，必须要有三个或三个以上的独立驱动的轮子。四轮机构相对于三轮结构，车体稳定性好且易于控制，四轮以上则结构冗余，故文中采用四轮的结构
［9］
。移动机
01万方数据