在竞赛机器人和特殊工种机器人中,全向移动经常是一个必需的功能。「全向移动」意味着可以在平面内做出任意方向平移同时自转的动作。为了实现全向移动,一般机器人会使用「全向轮」(Omni Wheel)或「麦克纳姆轮」(Mecanum Wheel)这两种特殊轮子。
全向轮:
全向轮与麦克纳姆轮(以下简称「麦轮」)在结构、力学特性、运动学特性上都有差异,其本质原因是轮毂轴与辊子转轴的角度不同。经过分析,二者的运动学和力学特性区别可以通过以下表格来体现。
另外一个原因,可能是麦轮的造型比全向轮要酷炫得多,看起来有一种不明觉厉的感觉……
麦轮一般是四个一组使用,两个左旋轮,两个右旋轮。左旋轮和右旋轮呈手性对称,区别如下图。
X-正方形:轮子转动产生的力矩会经过同一个点,所以 yaw 轴无法主动旋转,也无法主动保持 yaw 轴的角度。一般几乎不会使用这种安装方式。
X-长方形:轮子转动可以产生 yaw 轴转动力矩,但转动力矩的力臂一般会比较短。这种安装方式也不多见。
O-正方形:四个轮子位于正方形的四个顶点,平移和旋转都没有任何问题。受限于机器人底盘的形状、尺寸等因素,这种安装方式虽然理想,但可遇而不可求。
O-长方形:轮子转动可以产生 yaw 轴转动力矩,而且转动力矩的力臂也比较长。是最常见的安装方式。
以O-长方形的安装方式为例,四个轮子的着地点形成一个矩形。正运动学模型将得到一系列公式,让我们可以通过四个轮子的速度,计算出底盘的运动状态;而逆运动学模型得到的公式则是可以根据底盘的运动状态解算出四个轮子的速度。需要注意的是,底盘的运动可以用三个独立变量来描述:X轴平动、Y轴平动、yaw 轴自转;而四个麦轮的速度也是由四个独立的电机提供的。所以四个麦轮的合理速度是存在某种约束关系的,逆运动学可以得到唯一解,而正运动学中不符合这个约束关系的方程将无解。
先试图构建逆运动学模型,由于麦轮底盘的数学模型比较复杂,我们在此分四步进行:
①将底盘的运动分解为三个独立变量来描述;
②根据第一步的结果,计算出每个轮子轴心位置的速度;
③根据第二步的结果,计算出每个轮子与地面接触的辊子的速度;
④根据第三部的结果,计算出轮子的真实转速。
我们知道,刚体在平面内的运动可以分解为三个独立分量:X轴平动、Y轴平动、yaw 轴自转。如下图所示,底盘的运动也可以分解为三个量:
从辊子速度到轮子转速的计算比较简单:
「传统」的推导过程虽然严谨,但还是比较繁琐的。这里介绍一种简单的逆运动学计算方式。
我们知道,全向移动底盘是一个纯线性系统,而刚体运动又可以线性分解为三个分量。那么只需要计算出麦轮底盘在「沿X轴平移」、「沿Y轴平移」、「绕几何中心自转」时,四个轮子的速度,就可以通过简单的加法,计算出这三种简单运动所合成的「平动+旋转」运动时所需要的四个轮子的转速。而这三种简单运动时,四个轮子的速度可以通过简单的测试,或是推动底盘观察现象得出。
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