Mecanum轮式移动机构的优化设计与应用

Mecanum轮是目前应用最广泛，技术最成熟的一种全方位轮。它由轮毂和安装在轮毂外缘上的一组鼓形辊子组成，辊子绕车轮轴线旋转的同时也能绕自身轴线转动，辊子轴线与轮毂轴线通常呈45°角。为了保证运动的平滑性，辊子的形状要保证车轮的侧视图为圆形。Mecanum轮结构紧凑、运动灵活，是很成功的一种全方位轮。Mecanum轮式移动机构没有复杂的换向结构，通过车轮之间旋向与转速的配合实现全方位运动，运动控制相对简单。因此，本文针对四轮结构的Mecanum轮全方位移动机器人进行研究。

Mecanum轮常见的两种结构为：两端支撑和中间支撑，如图1-1所示。两端支撑结构具有较好的承载能力，但在坡道或不平的地面上行驶时车轮外缘可能与地面产生摩擦，进而影响机器人的正常运动。中间支撑结构将辊子分成两部分并固定于轮毂中间的支撑上。这种设计降低了机械结构的强度，但辊子的安装和维护更加方便，而且可以保证辊子与地面的接触，适用于不太平整有微弱起伏的地面。

图1-1　Mecanum轮的两种结构(www.xing528.com)

Mecanum轮最早由瑞典Mecanum公司的工程师Ilon于1973年提出。1980年美国海军购买了该专利并进行军事应用开发。1996年专利失效后，美国及世界众多大学、研究机构和公司从车轮结构、车轮配置方案、运动学和动力学分析等方面进行了全方位、深层次的研究。Diegel在中间支撑结构的基础上进行了改进，设计了一种辊子可以锁定的结构和一种可以改变辊子方向的结构，这两种结构都能达到降低能量损耗，提高运动效率的作用。此外，他还结合传统车轮和Mecanum轮设计了既能用于室外环境又能适应狭窄空间的多用途移动机器人。Gfrerrer分析了Mecanum轮的几何学特性，给出辊子曲面参数的设计方法，该方法可以提高辊子的加工精度，保证机器人运行的平稳性。

运动学和动力学模型是实现机器人控制的必要条件，国内外学者为此进行了大量的理论分析和实验，也取得了相当丰富的研究成果。卡耐基-梅隆大学的Muir和Neuman用矩阵变换的方法推导出Mecanum轮的运动学方程，建立了基于运动学模型的机器人控制系统，并应用其进行了航位推算、车轮打滑检测和反馈控制算法的设计。Jorge比较了传统车轮与Mecanum轮的区别，用旋量方法给出了四轮结构机器人的运动学方程和三轮结构的动力学方程。Viboonchaicheep提出了一种新的Mecanum轮机器人的位置校正方法，该方法首次集合运动学方程、动力学方程、状态方程于一身，通过征兆性和预测性的位置校正，能够解决由于车轮打滑造成的位置偏差问题。

国内关于Mecanum轮机器人的研究也较多。哈尔滨工业大学的赵言正分析了Mecanum轮机器人的运动学和静力学特性，设计了能够全方位移动的遥控式壁面爬行检查机器人。王一治研究了四轮结构的Mecanum轮机器人系统实现全方位运动的条件，比较了六种常见的Mecanum轮的布局形式，并优选出能实现全方位运动的最佳方案。他还分析了四种不平地面条件下Mecanum轮与地面的接触状态，用矢量变换结合笛卡儿坐标变换方法分析给出Mecanum轮机器人系统在不平地面上运动的六维运动学模型。杨飞建立了三轮结构的Mecanum轮机器人的运动学模型，比较了机器人机构参数对曲线运动和双路径运动的影响。