【正文】 ............................................ 84 3) 橫向運(yùn)動(dòng) 動(dòng)力學(xué)建模分析過(guò)程： ...................................................................... 86 4) 斜向運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)建模分析過(guò)程： ...................................................................... 88 2. 符號(hào)說(shuō)明 ................................................................................................................ 92 1) 原地旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)模型符號(hào)說(shuō)明： .................................................................. 92 2) 向前運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型符號(hào)說(shuō)明： .................................................................. 93 3) 橫向運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型符號(hào)說(shuō)明： .................................................................. 93 4) 斜向運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型符號(hào)說(shuō)明： .................................................................. 94 二、 系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)分析推導(dǎo)過(guò)程： .................................................................... 102 1. 坐標(biāo)系建立 .......................................................................................................... 102 2. 輪體的雅可比矩陣 ............................................................................................. 103 3. 復(fù)合方程 .............................................................................................................. 105 4. 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題解 ................................................................................................. 106 5. 運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)題的解 ............................................................................................. 107 三、 系統(tǒng)建模局限性解決中模型影響分析說(shuō)明 .............................................. 108 1. 反向力偶作用下原地旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)模型符號(hào)說(shuō)明： ..................................... 108 2. 反向力偶作用下向前運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型符號(hào)說(shuō)明： ..................................... 108 3. 反向力偶作用下縱向運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型符號(hào)說(shuō)明： ..................................... 109 4. 反向力偶作用下斜向運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型符號(hào)說(shuō)明： ..................................... 109 四、 輥?zhàn)佑?jì)算程序： ...............................................................................................116 五、 減速器與電機(jī)的安裝圖解： .........................................................................117 六、 E6CNN5CA 端子配置接線(xiàn)表： ......................................................................119 七、 PLC 控制編程： ............................................................................................. 120 北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 1．前言 選題依據(jù) 我國(guó)制定的“十一五”、“十二五”以及中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃中把智能機(jī)器人技術(shù)作為重點(diǎn)發(fā)展方向，并以家用機(jī)器人、危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人和醫(yī)療機(jī)器人等作為突破口，促進(jìn)我國(guó)智能機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 而為了促進(jìn)這類(lèi)服務(wù)機(jī)器人技術(shù)的突破，其問(wèn)題的關(guān)鍵還是如何能讓機(jī)器人從原有的直線(xiàn)位移或是較寬的道路上行駛逐漸轉(zhuǎn)向如何能在狹窄、擁擠的各種路徑中精確、平穩(wěn)、靈活地運(yùn)行。 同時(shí)在文章書(shū)寫(xiě)階段本人還廣泛閱讀了有關(guān) GPRS 無(wú)線(xiàn)通信 、無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)選型 及其驅(qū)動(dòng)控制原理分析 、以及各類(lèi) PLC 輸入輸出元件選型的相關(guān)手冊(cè)和書(shū)籍， 為明確各類(lèi)控制芯片的選型步驟，理清系統(tǒng)的通信、驅(qū)動(dòng)、控制原理打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。另外，全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)可以對(duì)自己所處的位置進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整，使得它具有精確定位和高精度軌跡跟蹤的能力。 (3) 另外還有一種稱(chēng)為 Mecanum 的全方位輪。 3) 應(yīng)用領(lǐng)域： 足球機(jī)器人、全方位輪椅、月球車(chē)、工程叉車(chē)等。 ： 總而言之，作為一種新興的產(chǎn)品，全向輪智能移動(dòng)平臺(tái)目前面向軍、民用戶(hù)的推廣仍局限在較小的行業(yè)和地域內(nèi)。選用 PLC控制對(duì)機(jī)器人的自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本和工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，效果良好。而全向移動(dòng)機(jī)構(gòu)恰好以其零回轉(zhuǎn)半徑的特點(diǎn)使得其能在各種各樣的路徑都實(shí)現(xiàn)自由運(yùn)轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向，因而它也必將成為未來(lái)機(jī)器人研究和設(shè)計(jì)的方向。從第二節(jié)開(kāi)始本文從分析全向移動(dòng)平臺(tái)的車(chē)體 底盤(pán) 布局 形式 對(duì)其受力的影響分析對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了建模分析 ，進(jìn)而全面分析并建立了系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并分析了其在各種運(yùn)動(dòng)中的運(yùn)動(dòng)原理與特點(diǎn) 及自身的運(yùn)轉(zhuǎn)協(xié)調(diào)原理 ，并對(duì)系統(tǒng)做全向運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程做出了具體細(xì)致的描述。 在第三 章 本文首先針對(duì)設(shè)計(jì)要求給出了整體的控制方案，并針對(duì)這一方案進(jìn)行了系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)。 同時(shí)本文綜合以上 的分析，全面分析了 GPRS無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程通信方式的選擇緣由，同時(shí)還綜合通信要求對(duì) GPRS無(wú)線(xiàn)通信模塊進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)。之后 本文對(duì)系統(tǒng)的控制調(diào)試過(guò)程和其中遇到的問(wèn)題進(jìn)行全面地?cái)⑹雠c分析，并給出了系統(tǒng)的最佳控制方案與仿真結(jié)果。 其中對(duì)整個(gè)平臺(tái)是否能進(jìn)行全向運(yùn)動(dòng)起決定性作用的主要是其輪子上的輥?zhàn)拥慕Y(jié)構(gòu)組成，本節(jié)將針對(duì)這一特點(diǎn)， 通過(guò)引入 Mecanum 全向輪 的特點(diǎn)分析其實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)的過(guò)程 。這樣的特殊結(jié)構(gòu)使得輪體具備了 3個(gè)自由度：繞主輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和沿輥?zhàn)虞S線(xiàn)垂線(xiàn)方向的平動(dòng)，以及繞輥?zhàn)优c地面接觸點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)。 以上這些特點(diǎn)恰好符合本文的設(shè)計(jì)要求：系統(tǒng)在無(wú)需車(chē)體做出任何轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下便可以實(shí)現(xiàn)任意方向的移動(dòng)，并且能在原地旋轉(zhuǎn)任意角度，運(yùn)動(dòng)非常靈活，可沿平面 上任意連續(xù)軌跡走到要求的位置。 全向移動(dòng)平臺(tái)的車(chē)體 底盤(pán) 布局 如何使機(jī)器人具有良好的運(yùn)動(dòng)性能 ， 是進(jìn)行車(chē)體布局及運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí) 首先要考慮的因素。 為了防止這類(lèi)現(xiàn)象的發(fā)生，以延長(zhǎng)輥?zhàn)拥倪\(yùn)轉(zhuǎn)壽命，我們考慮采用鋁制芯筒外裹硬質(zhì)橡膠材料制造輥?zhàn)樱ㄔ蛟谟谟操|(zhì)橡膠材料具有很好的防滑能力，例如我們所穿的防滑運(yùn)動(dòng)鞋大部分都是硬質(zhì)橡膠底的）。對(duì)于全向移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì) ， 由于空間比較小 ，因而其 對(duì)于結(jié)構(gòu)緊湊性的要求很高 。四個(gè)全方位輪組成的機(jī)器人本體的受力與運(yùn)動(dòng)分析如圖中所示，其中 aF 為輪子滾動(dòng)時(shí)小輥?zhàn)邮艿捷S向的摩擦力； rF 為小輥?zhàn)幼鰪膭?dòng)滾動(dòng)時(shí)受到的滾動(dòng)摩擦力（相比 aF 較小，可忽略） ； ? 為各輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度矢量。因而根據(jù)滾珠軸承的特性我們可以得知滾動(dòng)摩擦力fF很小。根據(jù)上述分析，經(jīng)過(guò)繁瑣的計(jì)算可以求解得其動(dòng)力學(xué)模型為： 對(duì)于車(chē)身，有： 312cozbKIK? ? ， 312oo ozIKXZ IK?? 對(duì)于車(chē)輪，有： 512oz ozKKI? ? ， 2 81ox oz ozbKaa IK?? 對(duì)于滾輪，有： 4122pozKIK? ? ， 4222 pp ozKra IK? ?， 61p ozKR IK? ? ， 71ozKF IK?? 向前移動(dòng) 受力與運(yùn)動(dòng)參數(shù)分析 根據(jù)上文分析出的運(yùn)動(dòng)原理和自身車(chē)體結(jié)構(gòu)我們可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行受力分析，并列出受力方程，并用 matlab 軟件對(duì)其線(xiàn)性方程組進(jìn)行求解（具體求解過(guò)程見(jiàn)附錄）。根據(jù)上述分析，經(jīng)過(guò)繁瑣的計(jì)算可以求解得其動(dòng)力學(xué)模型為： 北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 對(duì)于 車(chē)身，有： 21oxPa P? ， 31ozPa P? 對(duì)于車(chē)輪，有： 41oxPP? ?? ， 5122oz PP? ? 在點(diǎn) P 處，有： 2 61ppx rPa P? ， 71ppz rPa P?? ， 81PPX P? ， 91PmPZ P? 對(duì)于滾輪，有： 6122pp PP?????? ， 10122pprPa P? ? ?， 6122 pprPa P? ?， 7122p PP?? ? ? ， 7122pprPa P? ? ?， 1112p PR P? ? ， 12122p PR P? ? ， 13122p PR P? ? ， 141122pPF rP? ? ， 151122PF P? ? ， 72122 ppIPF rP?? ?， 162 122PF P? ? 運(yùn)動(dòng)學(xué)建模 由 上 節(jié)所分析出 的動(dòng)力學(xué)方程可知，系統(tǒng)無(wú)論在做何種運(yùn)動(dòng)，只要其運(yùn)動(dòng)的方向一定 ，它的運(yùn)動(dòng)就是 勻加速度運(yùn)動(dòng)！而只有當(dāng)運(yùn)動(dòng)的方向發(fā)生改變時(shí)，其加速度的大小和方向才有可能改變，因而可利用勻加速運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)去建立全向移動(dòng)車(chē)在做縱向、橫向 、斜向 與原地旋轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。 首先我們要根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)原理求解出輪體的雅可比矩陣，然后建立本體和輪體之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系復(fù)合方程，然后利用最小二乘法對(duì)系統(tǒng)正逆問(wèn)題進(jìn)行求解（具體推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)附錄），可得到系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)關(guān)系如下： 北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 ? ?? ?? ?? ?1234111111111yxxyyyyzzyW sd VVW sd V W VW sdR WWW sd?????? ? ? ? ????? ?? ? ? ? ??? ?? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? ????? ? ? ? ?????? ?? 112233441 1 1 1yyx ab ab ab aby ab ab ab abyyzWWV l l l lV l l l l WWWW?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? 其中 abl s d?? 注： 上面兩 式中 d 、 s 分別為同側(cè)輪距、兩側(cè)輪距 。為實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的高精度ABCD EFG HIJKL北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 軌跡跟蹤，下文將就這一問(wèn)題的解決提出具體的解決方案。 圖 25 電機(jī)反向力偶的施加 ?北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 1. 電機(jī)反向力偶的添加 為了使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，我們可以考慮 通過(guò) 改變電機(jī)驅(qū)動(dòng)力的方向的方式來(lái)施加一個(gè)反向力偶的作用力（如圖 26 所示）。 112cozbXIK? ? ， 39。39。 51p ozXR IK? ? ， 39。1ppx rYa L?? ， 39。122 ppprYaa L??? ? ?， 39。12 2 p p pp pY m r IR Lr ????? ， 39。 21oxZN? ? 在點(diǎn) P 處，有： 339。39。 5122ppZR Nr? ? ， 北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 ? ?2339。 11oxWa P? ， 39。1ppx rWa P? ， 639。39。 6122p WP?? ?? ， 639。 10122p WR P? ? ， 39。 132 122WF P? ? 注：由于以上四種運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型的分母并未發(fā)生變化，故可在上 述式