全向移动机器人驱动轮同步转向机构设计

根据运动方式的不同，移动机器人主要分为轮式、履带式和腿式三大类。随着科技进步和工业发展，移动机器人通过不同运动方式的结合使得其行走机构得到了新的发展，如已研发出轮腿机器人、履腿机器人、轮履机器人和轮履腿机器人等，这类机器人统称为混合机器人。

轮式移动机器人具有运动灵活、运行稳定、速度快、载重大等特点，广泛应用在实际工程中。

目前全向轮和转向机构是轮式全向移动机器人研究的热点，全向轮主要包括麦克纳姆轮、正交轮和连续切换轮等口，转向机构形式分为滑动转向、艾克曼转向、全轮转向、轴关节式转向及车体关节式转向等。澳大利亚卧龙岗大学开发了一款名为Titan的移动机器人，该机器人运用了艾克曼转向机构，4个车轮当中的前两个设计为自由万向轮，后两个车轮由电机驱动并且差速配合完成机器人转向。滑动转向机构在日本鸟取大学设计开发的DREAM-1机器人以及加拿大综合理工大学设计研发的Pioneer3-AT机器人中得到了有效应用，这2种移动机器人均有4个车轮，通过2个电机分别控制前、后车轮，采用电机差速来实现机器人运动控制。MobileRobots公司研发的Seekur扫地机器人采用四轮全向转向，每个轮子既是转向轮又是驱动轮，由8个电机控制4个轮子的转向与驱动。

目前国内外轮式全向移动机器人多采用麦克纳姆轮作为全向轮，该全向轮由瑞典的麦克纳姆公司设计，主要特点在于滚轮自身相对轮轴倾斜并且规则分布在轮缘周围，靠这些小滚轮与地面的摩擦可实现横向滑移，但是麦克纳姆轮与地面的摩擦导致机器人运行时震动大、噪声大，而传统四轮全向机器人电机数目多、控制难度大、动作协调性差且运动形式单一。针对上述存在的问题，本文在传统轮式全向移动机器人的基础上进行创新，设计开发了一种驱动轮同步转向机构，可以实现1个步进电机控制4个驱动轮同步转向。本文主要对轮式全向移动机器人驱动轮同步转向机构以及整机运动性能进行分析，以期降低全向移动机器人控制难度，实现机器人高速、高精度、高稳定性全向移动。

1 轮式全向移动机器人结构设计

如图1所示，所研究的轮式全向移动机器人采用一种由单个步进电机通过三级齿轮传动系控制4个驱动轮实现同步转向的结构形式，机器人主要分为四部分，包括移动机器人框架、转向驱动装置、转向机构和驱动轮。转向驱动装置位于移动平台框架内部，由步进电机、减速器以及联轴器组成；转向机构由螺旋齿轮传动系、锥齿轮传动系、齿轮齿条传动系、导轨滑块和转向轴组成，其中，齿轮齿条传动系中齿轮为带法兰齿轮，法兰通过螺栓与齿轮连接且内部装有衬套，衬套用于夹紧转向轴，转向轴一端衬在齿轮内部，另一端用螺栓连接全向轮。转向驱动装置利用步进电机通过转向机构传递动力使全向轮转向，每个全向轮内部都自带伺服电机驱动平台移动，二者相互配合实现机器人的全向移动。移动平台框架采用30mm×30mm的铝型材框架立方体结构，为保证其刚度，框架在较接的基础上又采用厚度为15mm的钢板在铰接处加固。机器人外形尺寸（长×宽×高）为715mm×600mm×500mm，总质量为45kg。

2 驱动轮同步转向机构设计及其工作原理

2.1 驱动轮同步转向机构设计

如图2所示，轮式全向移动机器人全向轮由转向电机和驱动电机提供动力，转向电机控制全向轮转向，驱动电机控制全向轮滚动，因此只要协调4个全向轮的动作就可以实现对机器人的运动控制。

全向移动机器人具有4个完全相同的全向轮，当机器人转向时，需要4个转向电机同步工作，并且需要4个驱动电机配合转向电机同时工作，这就对移动机器人8个电机的配合提出了很高的要求，增大了控制算法的复杂性，并且捋会造成全向移动机器人运动不稳定。为了解决上述问题，必须设法对机器人转向机构进行设计改进。为此，考虑在各个转向传动系统之间加入一个同步转向机构，利用该机构具有的1个输入可以产生4个同步输出的特性，使全向移动机器人的4个驱动轮能够同步转向。如图3（a）所示，驱动轮同步转向机构由螺旋齿轮传动系1、齿轮齿条传动系2、锥齿轮传动系3、滑轨组件4和转向轴5组成，可以实现驱动轮0°~360°转动。螺旋齿轮传动系包括主动螺旋齿轮、从动螺旋齿轮和空间交错轴，2根交错轴异面垂直安装，主、从动螺旋齿轮分别安装在2根交错轴上。锥齿轮传动系包括主动锥齿轮、从动锥齿轮，主、从动锥齿轮分别安装在2根传动轴上配合传动，移动机器人共有2组锥齿轮传动组件，分别安装在移动机器人前、后两侧。齿轮齿条传动系包括主动直齿轮、从动直齿轮、齿条和齿条支撑板，移动机器人共有2组齿轮齿条传动组件，分别安装在移动机器人前、后两侧。滑轨组件包括直线导轨、导轨支板和支撑架，用来作为齿条滑动的移动载体。图3（b）为转向机构实物图。

2.2 驱动轮同步转向机构工作原理

图4为加入同步转向机构的轮式全向移动机器人同步转向示意图。如图4所示，驱动轮同步转向分为3个传动阶段：螺旋齿轮传动、锥齿轮传动及齿轮齿条传动。驱动轮的转向通过三级传动配合实现，因此转向机构的耦合运动控制是完成机器人转向的关键。轮式全向移动机器人具有4个驱动轮，它实现全方位转向运动的过程为：转向驱动装置中的步进电机带动减速器转动，减速器的输出轴通过联轴器与一根交错轴连接，交错轴上装有主动螺旋齿轮，主动螺旋齿轮与从动螺旋齿轮配合传动，从动螺旋齿轮与锥齿轮传动系的主动锥齿轮安装在同一根轴上，从而使得步进电机通过螺旋齿轮系捋动力均匀传递给移动平台两端的主动锥齿轮，主动锥齿轮带动从动锥齿轮转动，从动锥齿轮与齿轮齿条传动组件中的主动直齿轮连接在同一根传动轴上，主动直齿轮带动齿条在直线滑轨上滑动，齿条带动2个从动直齿轮进行转动。齿轮齿条传动组件中从动直齿轮为免键直齿轮，通过衬套与转向轴连接在一起，因此主动直齿轮可以带动转向轴转动，转向轴与移动机器人的驱动轮相连接，可以实现驱动轮在0°~360°范围内自由旋转，同时驱动轮由伺服电机驱动运转，在转向驱动装置与驱动轮伺服电机的配合控制下，整个移动机器人可以实现全方位移动。

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