全向轮运动平台分析

麦克纳姆轮原理及应用摘要：麦克纳姆轮是由瑞典麦克纳姆公司的工程师Bengt Erland Ilon于1972发明的全向轮设计方案，基于麦克纳姆轮技术的全向运动平台可以通过四个车轮的旋向和速度的独立控制来实现整个平台的前行、横移、斜行、旋转以及上述各种运动的组合。

本文向读者介绍了这种独特的全向轮设计方案的运动原理，以及它的典型应用场景和他的优缺点。

关键词：全向平台；麦克纳姆轮；图 1 经典麦克纳姆轮设计方案图 2 改进的麦克纳姆轮设计方案麦克纳姆轮是发明家Bengt Erland Ilon于1972获得美国专利的全向轮设计方案，当时他是瑞典麦克纳姆公司的一名工程师，故该全向轮又称为麦克纳姆轮（Mecanum wheel），有时也称Ilong轮（Ilon wheel），该车轮基于如下构想：在车轮轮毂外缘上固定有与轴心成45°的自由滚子，这些自由滚子的母线很特殊，当轮子绕着固定的轮心轴转动时，各个自由滚子的包络线为圆柱面，进而保证该轮能够连续地向前滚动。

车轮旋转时这些与轮毂成45°排列的自由滚子与地面接触，地面会给予车轮与转轴45°的摩擦力，此摩擦力可分为X分量与Y分量，车轮在旋转是会把一部分的车轮驱动力转化到车轮的法向上面。

依靠各自机轮的方向和速度，这些力最终合成到任何要求的方向上产生一个合力矢量，从而保证了这个平台在最终的合力矢量的方向上能自由地移动，而不需改变机轮自身的方向。

进而实现整个车体的任意自由方向的移动。

通常情况下一台麦克纳姆轮全向平台配备四个麦克纳姆轮，两个A轮和两个B轮。

A轮和B轮上安装有自由滚子，自由滚子与轮毂轴间的夹角可以是任意值，但常用的应用这个值为45°，这些分别位于A轮和B轮上的自由滚子的旋向相反，运动时，驱动控制器通过交替分别控制各个位置的A轮或B轮的运行方向和速度即可以实现基于麦克纳姆轮技术的全方位运动平台的前行、横移、斜行、旋转以及上述各种运动的组合。

一种Mecanum轮全向移动平台的设计章玮滨;唐炜【摘要】针对传统移动平台无法满足在狭小空间内作业的问题,在对Mecanum轮结构及其工作原理进行分析的基础上,建立了其一般形式的运动学模型,并基于STM32和模糊PID自整定算法设计了一种嵌入式控制系统.由编写了上位机软件,通过蓝牙无线控制平台的运动,并采用模糊PID自整定控制算法实现了闭环控制;经过多组典型实验,结合测距传感器,对该移动平台进行了运动性能测试.测试结果表明:该全向移动平台的运动学模型是合理的,控制系统运行可靠,样机能较好地实现平面内的全方位运动,模糊PID自整定控制算法控制精度高、实时性好,可满足工程应用要求.【期刊名称】《机电工程》【年(卷),期】2018(035)007【总页数】6页(P679-684)【关键词】Mecanum轮;全向移动平台;运动学分析;模糊PID自整定算法【作者】章玮滨;唐炜【作者单位】江苏科技大学机械工程学院,江苏镇江212003;江苏科技大学机械工程学院,江苏镇江212003【正文语种】中文【中图分类】TH122;TP2730 引言轮式全向移动机构在平面内具有3个自由度，可做前后直线运动、横向侧移运动、斜45°直线运动、原地回转运动及任意组合运动[1]。

全向移动主要依靠全方位轮组来实现，Mecanum轮因其具有结构紧凑、运动灵活稳定等优点，已发展为全方位轮组机构的主要研究热点[2-3]。

Mecanum轮全向移动机构具有传统移动机构无法相比的优点，工作空间小、效率高，已在仓库储运等作业场合狭小的领域得到了应用。

建立运动学模型是分析全向运动能否实现的理论基础。

目前，对全向移动平台进行运动学建模主要有矢量分析法和矩阵变换法。

文献[4-6]中采用的是后者，虽然建模比较简单，但该方法使用标量分析，导致通用性较差，且在地面不平整时完全失效；文献[7]中研究了Mecanum轮的原理并做了运动仿真;文献[8]中研究了Mecanum轮采用Solidworks API的参数化实体建模的可行性。

机器人的移动平台【机器人的移动平台】机器人已经成为现代社会中的重要工具和助手，在许多领域发挥着重要作用。

为了实现机器人的灵活移动和适应各种环境的能力，研究者们致力于开发各种机器人的移动平台。

本文将探讨机器人的移动平台的种类和应用。

一、轮式移动平台轮式移动平台是一种常见且灵活的机器人移动方式。

它通常由一对或多对轮子组成，可以通过控制轮子的旋转来实现机器人的移动和转向。

轮式移动平台的优点是简单、稳定，适用于平坦的室内和室外环境。

例如，清洁机器人、仓库巡检机器人常采用轮式移动平台。

二、足式移动平台足式移动平台模仿了生物动物的行走方式，例如人类和动物的步态。

足式移动平台通常由多个自由度的机械臂和传感器组成，可以模拟人类的行走动作。

它在不规则地形和复杂环境中具有优势，适用于救援、探测和科研领域。

足式移动平台的发展还面临许多挑战，如动力系统和平衡控制等。

三、无人驾驶车辆无人驾驶车辆是一种集成了机器人技术的移动平台，它能够自主驾驶和导航。

无人驾驶车辆使用各种传感器和计算机视觉技术，可以感知周围环境并做出决策。

无人驾驶车辆的应用前景广阔，可以用于物流、交通管理和农业等领域。

然而，无人驾驶车辆的安全性和道德问题仍然是亟待解决的挑战。

四、飞行器飞行器是一种能够在空中自主飞行的机器人移动平台。

无人机是最常见的飞行器，它具有高度机动性和广阔的应用领域。

无人机被广泛用于勘测、搜救、农业和娱乐等领域。

此外，飞行器还有一些特殊类型，如气球、飞艇和卫星等。

飞行器的进一步发展将促进航空技术的进步和应用。

五、腿轮混合式移动平台腿轮混合式移动平台结合了轮式和足式移动的优点。

它可以在不同的环境中灵活移动，具有较强的适应性。

该平台的一个例子是犬型机器人，它可以通过四条腿进行步行，也可以通过轮子进行快速移动。

腿轮混合式移动平台在机器人研究和实践中具有重要意义。

总结：机器人的移动平台是机器人技术的核心组成部分，不同的移动平台适用于不同的应用领域。

《基于Mecanum轮的全方位移动平台》篇一一、引言随着科技的不断发展，全方位移动平台在工业、军事、医疗、服务等领域的应用越来越广泛。

Mecanum轮作为一种能够实现全方位移动的轮子，因其高灵活性、高效率等优点，被广泛应用于全方位移动平台的构建中。

本文将介绍基于Mecanum轮的全方位移动平台的设计原理、结构特点、应用领域以及其优越性。

二、Mecanum轮的原理与结构Mecanum轮是一种特殊的轮子，其结构与传统轮子有所不同。

Mecanum轮的轮面由许多小滚珠组成，这些滚珠可以在轮子的运动过程中实现全方位的滚动。

因此，当Mecanum轮被驱动时，它可以在水平方向上实现全方位的移动。

此外，Mecanum轮还具有承载能力强、抗干扰能力强等优点。

三、全方位移动平台的设计与结构基于Mecanum轮的全方位移动平台主要由Mecanum轮、电机、控制系统等部分组成。

其中，Mecanum轮是平台实现全方位移动的关键部件，电机则为平台提供动力，控制系统则负责协调电机的运动，实现平台的全方位移动。

在结构上，全方位移动平台采用模块化设计，方便后期维护和升级。

平台主体结构采用铝合金材料，具有重量轻、强度高等优点。

同时，平台还配备了多种传感器，如摄像头、激光雷达等，以便于实现更高层次的应用需求。

四、应用领域基于Mecanum轮的全方位移动平台在许多领域都有广泛的应用。

在工业领域，它可以用于巡检、搬运等任务；在军事领域，它可以用于侦察、运输等任务；在医疗领域，它可以用于辅助医生进行手术操作、病人转运等任务；在服务领域，它可以用于送餐、快递等任务。

由于Mecanum轮的全方位移动能力，使得这种平台在复杂环境下的应用具有很大的优势。

五、优越性分析基于Mecanum轮的全方位移动平台相比传统移动平台具有许多优越性。

首先，由于Mecanum轮的全方位移动能力，这种平台可以在狭窄、复杂的环境中自由运动，无需进行复杂的路径规划。

其次，该平台的运动速度快、效率高，可以大大提高工作效率。

基于ROS的全向轮自主移动底盘平台研制目录1. 内容概览 (2)1.1 研究背景与意义 (3)1.2 研究目标与任务 (4)1.3 文档组织结构 (6)2. 基础知识回顾 (7)2.1 ROS环境搭建 (8)2.2 全向轮底盘技术 (9)2.3 自主移动底盘分类 (11)3. 研究平台设计 (12)3.1 机械设计 (13)3.1.1 底盘结构 (14)3.1.2 动力系统设计 (15)3.1.3 传感器布置 (16)3.2 电气系统设计 (17)3.2.1 电源设计 (19)3.2.2 电机与驱动系统 (19)3.2.3 控制电路设计 (21)3.3 ROS集成与控制策略 (21)3.3.1 ROS架构介绍 (23)3.3.2 控制节点设计 (24)3.3.3 路径规划与控制 (26)4. 实验验证 (26)4.1 实验环境与设备 (28)4.2 功能验证实验 (29)4.3 性能测试与评估 (31)5. 结果分析与讨论 (32)5.1 实验数据分析 (33)5.2 技术改进建议 (34)5.3 未来研究方向 (35)1. 内容概览强调采用框架的必要性及其在自动化、模块化和标准化的机器人开发过程中的优势。

详细列出所需实现的技术指标，例如轮组配置类型、移动自由的度数、负载能力、通讯协议标准等。

提及预期成果，例如可扩展的模型库、开发文档和标准化的技术沟通渠道。

描述从需求分析到解决方案的详细流程，包括市场调研、技术评估、设计方案、原型开发、功能验证等步骤。

介绍预期采用的关键技术和工具，例如集成工具、编程语言、导航算法、路径规划等。

阐述移动底盘平台中各组成部分的功能与设计思路，包括全向轮配置、底盘结构、驱动电机、控制系统、传动系统等。

分析系统架构，包括感知模块、控制系统、数据通信模块和用户交互接口的设计方案。

指出在现行人车技术基础上本项目的创新之处，例如智能化程度提高、新的节能技术、变速控制机制等。

讨论可能的突破性技术，如新型高密度轮组结构、用户定制化接口设计等。

全向跑步机原理
全向跑步机原理是近年来运动健身领域的一项重大创新，它的出现极大地改变了人们的跑步方式和健身体验。

那么，全向跑步机是如何实现的呢？下面我们就来一起探究一下全向跑步机的原理。

1. 全向轮
全向跑步机的核心部分是全向轮。

全向轮是一种特殊的轮子，它可以在任意方向上自由旋转，而不受方向限制。

这种轮子的特殊性质使得全向跑步机可以在任何方向上运动，而不仅仅是单纯的前进和后退。

2. 传动系统
全向跑步机的传动系统是由电机、减速器、链条和轮子等组成。

通过电机的驱动，减速器将电机的高速旋转转换成低速高扭矩的输出，再通过链条将动力传递到轮子上。

全向轮的自由旋转使得跑步机可以在任何方向上运动，而传动系统的高效性则保证了跑步机的稳定性和安全性。

3. 控制系统
全向跑步机的控制系统是由电脑、传感器和控制器等组成。

电脑通过传感器感知跑步机的运动状态和用户的运动情况，再通过控制器对电机进行控制，从而实现跑步机的运动和速度的调整。

控制系统的高效性和智能化使得用户可以根据自己的需要进行个性化的运动训练。

4. 运动平台
全向跑步机的运动平台是由高强度材料制成的，可以承受高强度的运
动和重量负荷。

运动平台的平整度和稳定性对于跑步机的使用非常重要，它可以保证用户的安全和舒适度。

总的来说，全向跑步机的原理是通过全向轮、传动系统和控制系统等技术手段实现的。

它的出现不仅改变了人们的跑步方式和健身体验，也为人们提供了更加高效、智能的运动方式。

全轮转向式小车一、坐标系与位置表示图1地理坐标系与体坐标系定义如图所示的坐标系，地理坐标系｛&, hh体坐标系｛Xy Y R｝,坐标之间夹角为0, P点位置描述为rX-i山地理坐标转为体坐标的映射山正交旋转矩阵完成■ cosO sinO0x-E R = R ⑹5 =一sine cosO0y.00 1.3」反方向变换矩阵如下cosO-sine O'R⑹7 =sinO cosO000 1.£/= y二、运动学模型与控制律2.1全向轮直角坐标运动学方程参考位姿V实际位姿9图2轨迹跟踪示意图坐标系参照图2,对于地理坐标中的位置指令厂=(x r y r0r)和速度指令卬= (v r将对应的误差在体坐标系中表示出来/X e\ ( cosO sinO0\ /x r ~ x\厲=% = -sinO cosO0 7r - y\^/ \ 0 0 1/ \o r - oJ对上式求导的到⑴：x e = (x r一x)cosO - (%r一x)sinOO + (y r - y^sinO + (y r - y)cosOO =y e o)- (xcosO + ysinO) + v r cosO r cosO + v r sinO r sinO =y e o)-v x + v r cos(e厂一0) =y e a)-v x + v r cos O e y e = -(x r - x)sinO - (x r - x)cos0O + (y r - y)cosO一(％ - y)sin60 = -x&a)+ (xsinO - ycosO) - v r cosO r sinO + v r sinO r cosO =-x e o)-v y + v r sin O e将上式合并写出得到位置误差微分方程y e o)- v x + v r cos0e -x e a)-v y + v r sin O e0)r—(JL)2.1.1全向轮直角坐标下控制律设计设雅普诺夫函数为% = *(龙 + % + %)求其导数如下，当渐进稳定时导数小于0；% = I + y e y e + o e 6e乂 e =—眼尙/@ = -kyy@、£ =0e上式系数为正时，雅普诺夫函数的导数小于零，系统渐进稳定 代入微分方程得到控制律如下：v x = y e o )+ v r cos 0e + k x x e v y = -x e o )+ v r sin 0e + k y y eo )= o )r + k e 0e2.2差动轮直角坐标运动学方程差动轮与全向轮的区别是，全向轮小车速度方向与四个轮子的共同朝向相同 可为任意方向，而差动轮小车的切向速度方向与x 轴重合，故方程中s=o,微分 方程如下：y e a )-v + v r cos 0e -x e a )+ 坏 sin 0eo )r — 0)2.2.1差动轮直角坐标下控制律设计选择Lyapunov 函数如下：卩2 =扌显 + 廿)+ 士(1 一 COS8J对上式沿求导：1 .V 2=x e x e +y e y e + -0e s\n0e=尢- v + v r cos 0g) + y e (-x e (jo + v r sin 0e )+ — s)sin&eK1 1=-x e v + x e v r cos 0e + y e v r sin 0e + -b )r sin 0e - -to sin 0e K K1 1=-x e v + x e v r cos 0e + y e v r sin 0e + -o )r sin 0e --a )sin 0e 选择如下速度控制输入：v = v r cos 0e + k x x e o )= o )r + v r (ky e + k e sinO e )将上式代入Lyapunov 函数导数得到：V 2 = -k x x^ — ^-VrSin 2 0ee g g ・%・y ・e //n\ -当上式系数为正时，卩2 S 0,故以上Lyapunov 函数选择正确。

一种新型万向轮平台的设计与实现作者：吴晓林陈益萍蒋日乾林国英来源：《科技传播》2014年第12期摘要全向移动平台在二维平面上实现从一位置向任意方向运动，不需要改变车体姿态，可实现零回转半径为零灵活自由穿行，特别适合一些恶劣狭窄的环境，可以提高空间利用率和智能性。

本文设计了一种利用陀螺仪传感器ENC-03与电子罗盘GY-26进行万向轮姿态定型和运动控制的设计方案及其实现。

关键词全向轮；陀螺仪；电子罗盘；全向移动平台；运动分析中图分类号U46 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）117-0052-02传统的轮式转运设备由普通车轮构成的行驶系统和转向系统组成，在转运空间有限、工作通道狭窄的情况下，存在着转弯半径大、空间利用率低、运动灵活性差、转运效率不高等诸多缺点。

基于全向轮技术的全向移动平台切实解决了该难题。

本文提出一种全向轮式移动设备，其可以在二维平面上产生三个自由度的全向运动。

采用电子罗盘和陀螺仪来完成车身的姿态控制，同时根据摄像头得到的位置信息来计算下一步的速度方向，基于该速度方向来协调三个固定角度差的步进电机的转速，最终达到零转弯半径的灵活运动。

1 全向移动小车机械结构设计1.1 全向轮结构选择全向轮由轮毂和从动辊轮组成。

轮毂外圆周处均匀开设有3个或3个以上的轮毂齿，每两个轮毂齿之间装设有一个从动辊轮，从动辊轮径向方向与轮毂外圆周切线方向垂直，全向轮的这种互补结构提供了较好的承载力。

本文选用三轮底盘，三个万向轮的安装采用两两成120度对称分布，通过三个速度的合成实现小车的全向运动。

1.2 陀螺仪和电子罗盘选择及安装要保持车身姿态不变，首先要得到车身的姿态数据，本设计采用电子罗盘来检测车身姿态。

电子罗盘的工作原理是通过磁传感器中两个相互垂直轴感应地球磁场的磁分量，通过地磁场在X轴和Y轴的两个分矢量值来确定车身方位值。

电子罗盘内置温度补偿，可以最大限度减少倾斜角和指向角的温度漂移。