第2卷第3期 智能系统学报 Vol.2 N23 2007年6月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Jun.2007 四轮全方位移动机器人各向相异性研究 冷春涛，曹其新 (上海交通大学机器人研究所，上海200030) 摘要：由于全方位轮的特殊构造，使得全方位移动机器人沿不同方向运动时具有的最大速度不同，以及在不同方 向上的加速性能也不同，称之为各向相异性(anisotropy).为了充分发挥全方位移动机器人的优越性，通过对4轮全 方位移动机器人进行运动学动力学建模，分析了机器人各向相异性，确定了轮系布置与最大速度曲线的相关规律， 以及当机器人沿某一方向以一定加速度运动时，不同轮子上驱动电机所需提供的转矩，从而使得机器人加速运动时 更好地避免轮子打滑.并且通过MatlabrADAMS联合仿真以及实际实验，验证了分析结果的正确性.对机器人的各 向相异性作了全面系统的研究，从而更清楚地表述了模型特性，为更好地控制全方位移动机器人提供了基础 关键词：全方位移动机器人；全方位轮；相异性 中图分类号：TP24文献标识码：A文章编号：1673-4785(2007)03-004500 Anisotropy of 4-wheeled omnidirectionally mobile robots L EN G Chumtao,CAO Qi-xin (Research Institute of Robotics,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200030,China) Abstract:Due to the special structure of omnidirectional wheels,the maximum velocity that a robot can a- chieve is different when the robot moves in different directions,and acceleration in different directions also varies.This is called anisotropy.To understand issues with omnidirectionally mobile robots,kinematic and dynamic models were established and the effects of anisotropy discussed.The relationship between the arrangement of omnidirectional wheels and the curve of maximal velocity was then determined.In order to reduce the effects of slipping on results,values of torques were given on every wheel that was being driven while the robot moved in each direction with acceleration.Simulations by ADAMS and MA TLAB,and our experiments,verify the effectiveness of the theory.This thorough study of the anisotropy of omnidirec- tionally mobile robots provides a foundation for optimization of their control. Key words :omnidirectional mobile robot;omnidirectional wheel;anisotropy 轮式移动机器人由于控制简单、移动灵活，己经显的差异.文献[2·3]提出了当轮子速度相同，轮系 被广泛应用于人类的生产、生活实践中，全方位移动 布置不同时，全方位移动机器人速度将改变，因此可 机器人采用全方位轮这种特殊的驱动机构，在二维 以通过改变轮子的布置，来实现机器人速度的无级 平面上具有3个自由度，可以沿任意方向同时作平 变速：文献[4]则提出了当全方位机器人由不同数量 动与转动，在保持姿态不变的情况下，可以完成任意 轮子组成时，机器人所能达到的最大速度不同.而对 方向的移动，因此引起了研究人员的广泛关注，特别 模型进一步分析可知，由相同数量轮子组成的机器 是四轮全方位移动机器人在竞赛机器人山、服务机 人，当沿不同方向运动时，机器人也将体现出不同的 器人)领域中都有所应用 性能.虽然研究全方位移动机器人运动学的文献有 正是由于全方位轮的特殊构造，使得全方位移 很多5.)，但在建立模型的基础上并没有对运动性 动机器人的运动特性与传统轮式机器人相比有着明 能的各向相异性进行研究，因此文中通过建立4轮 全方位移动机器人的运动学模型，分析在4个全方 收稿日期：200607-26. 位轮的不同布置方式下，机器人各个方向上所能达 基金项目：因家自然科学基金资助项目(60443007) 到的最大速度，并推导出了最大速度曲线与轮子间 @1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net第 2 卷第 3 期 智 能 系 统 学 报 Vol. 2 №. 3 2007 年 6 月 CAA I Transactions on Intelligent Systems J un. 2007 四轮全方位移动机器人各向相异性研究 冷春涛 ,曹其新 (上海交通大学 机器人研究所 ,上海 200030) 摘 要 :由于全方位轮的特殊构造 ,使得全方位移动机器人沿不同方向运动时具有的最大速度不同 ,以及在不同方 向上的加速性能也不同 ,称之为各向相异性(anisotropy) . 为了充分发挥全方位移动机器人的优越性 ,通过对 4 轮全 方位移动机器人进行运动学、动力学建模 ,分析了机器人各向相异性 ,确定了轮系布置与最大速度曲线的相关规律 , 以及当机器人沿某一方向以一定加速度运动时 ,不同轮子上驱动电机所需提供的转矩 ,从而使得机器人加速运动时 更好地避免轮子打滑. 并且通过 Matlab2ADAMS 联合仿真以及实际实验 ,验证了分析结果的正确性. 对机器人的各 向相异性作了全面系统的研究 ,从而更清楚地表述了模型特性 ,为更好地控制全方位移动机器人提供了基础. 关键词 :全方位移动机器人 ;全方位轮 ;相异性 中图分类号 : TP24 文献标识码 :A 文章编号 :167324785 (2007) 0320045200 Anisotropy of 42wheeled omnidirectionally mobile robots L EN G Chun2tao , CAO Qi2xin (Research Institute of Robotics , Shanghai Jiaotong University , Shanghai 200030 , China) Abstract :Due to the special struct ure of omnidirectional wheels , t he maximum velocity t hat a robot can a2 chieve is different when t he robot moves in different directions , and acceleration in different directions also varies. This is called anisotropy. To understand issues wit h omnidirectionally mobile robots , kinematic and dynamic models were established and t he effects of anisotropy discussed. The relationship between t he arrangement of omnidirectional wheels and t he curve of maximal velocity was t hen determined. In order to reduce t he effects of slipping on results , values of torques were given on every wheel t hat was being driven while t he robot moved in each direction with acceleration. Simulations by ADAMS and MA TLAB , and our experiments , verify the effectiveness of the t heory. This t horough study of t he anisotropy of omnidirec2 tionally mobile robots provides a foundation for optimization of t heir control. Keywords :omnidirectional mobile robot ; omnidirectional wheel ; anisotropy 收稿日期 :2006207226. 基金项目 :国家自然科学基金资助项目(60443007) . 轮式移动机器人由于控制简单、移动灵活 ,已经 被广泛应用于人类的生产、生活实践中 ,全方位移动 机器人采用全方位轮这种特殊的驱动机构 ,在二维 平面上具有 3 个自由度 ,可以沿任意方向同时作平 动与转动 ,在保持姿态不变的情况下 ,可以完成任意 方向的移动 ,因此引起了研究人员的广泛关注 ,特别 是四轮全方位移动机器人在竞赛机器人[1 ] 、服务机 器人[ 2 ]领域中都有所应用. 正是由于全方位轮的特殊构造 ,使得全方位移 动机器人的运动特性与传统轮式机器人相比有着明 显的差异. 文献[ 2 - 3 ]提出了当轮子速度相同 ,轮系 布置不同时 ,全方位移动机器人速度将改变 ,因此可 以通过改变轮子的布置 ,来实现机器人速度的无级 变速 ;文献[ 4 ]则提出了当全方位机器人由不同数量 轮子组成时 ,机器人所能达到的最大速度不同. 而对 模型进一步分析可知 ,由相同数量轮子组成的机器 人 ,当沿不同方向运动时 ,机器人也将体现出不同的 性能. 虽然研究全方位移动机器人运动学的文献有 很多[5 - 6 ] ,但在建立模型的基础上并没有对运动性 能的各向相异性进行研究 ,因此文中通过建立 4 轮 全方位移动机器人的运动学模型 ,分析在 4 个全方 位轮的不同布置方式下 ,机器人各个方向上所能达 到的最大速度 ,并推导出了最大速度曲线与轮子间