８自由度全方位移动式机器人行走数学模型的
精度控制
杜伟，宋德朝，高申兰
（同济大学机械工程学院，上海２０００９２）
摘要：介绍了一种具有非线形８自由度轮式机器人的行走路线估计与控制方法。该方法利用扩展卡尔曼滤波器来解决该机器人由于拥有过高移动自由度冗余度而不能从运动学关系层面得到精确位
置估计的问题。本文利用ＭＡＴＬＡＢ６．５．１设计了扩展卡尔曼滤波器函数并对该机器人的行走路
线进行模拟，从而验证了扩展卡尔曼滤波器在解决这一问题上的可适用性。
关键词：８一自由度；机器人；卡尔曼滤波器；ＭＡＴＬＡＢ６．５．１
中图分类号：ＴＰ２４２文献标识码：Ｂ
文童编号１００９－０１３４（２００４）０９一００２０—０３
０引言
近年来移动式机器人在工业生产和科学研究领域得到了广泛的应用和深入的研究，尤其是能够根据设定路径行走的８自由度全方位移动式机器人。该机器人安装有４个分别进行驱动的轮子，每个轮子通过一个转向步进电机与驱动步进电机分别进行转向与驱动。所有轮子的电机通过机器人中心控制器来实施控制，中心控制器负责根据机器人中心位置的整体运动参数来解算每个轮子的运动参数并传递给每一个轮子如图２所示。由于每个轮子都可以独立的进行驱动与转向而拥有两个自由度，整个机器人就拥有８４－自由度，同时产生很高的冗余度，因此必须施加一定的约束条件才能够保证此类机器人在行走的时候的稳定性与位置精确度，并且高冗余度产生的滑移使得很难在运动学关系层面上准确的对机器人位置进行预测以实施反馈控制，必须采用另外的方法，经过使用ＭＡＴＬＡＢ６．５．１设计的卡尔曼滤波器函数对机器人行走进行的模拟可以证明扩展的卡尔曼滤波器可以实现这一功能。
１机器人行走装置与控制器
欲要对机器人位置进行准确估计，就要先了解机器人的行走装置与控制器，机器人单轮行走装置如图１所示。
由图看出每一个轮子的状
态有一个转向步进电机和一个
驱动步进电机控制，所有的电
机直接与中心控制器进行通讯
并接受其指令，同时安装在轮
子上的传感器会把检测到的轮
子信息反馈给中心控制器，数
一
据存储器负责存储设定的路径一‘
数据，人机接口是操作者与中心控制器进行通信的接口。中心控制器就是通过不断的从存储器中读取数据并计算然后传递给步进电机并接受行走轮状态信息来执行存储器中已设定路线的。
图２
２机器人行走数学模型与卡尔曼滤波器
收稿日期：２００４—０４—０６
作者简介：杜伟，男，山东临沂人，硕士，研究方向为建设机械及其关键技术。１１２０ｌ
第２６卷第ｇ期２００４－０９ 万方数据