全方位移动载人机器人轮系的优化设计

摘要： 自主设计的全方位移动机器人在载人时行进阻力较大，无法满足任务要求。针对这一问题，从材料选用和小轮安装方式两个方面改进设计机器人的全方位轮系，并通过ADAMS运动学仿真的手段初步验证了优化设计的正确性。最后，在全方位移动机器人上先后搭载旧式和新式两代全方位轮系做载人实验，结果证明：搭载新设计的全方位轮系后，载人机器人的移动效率、稳定性和平顺性都得到了大幅提升，满足任务要求。

0 引言

在平面上可以实现前后、左右和自转3个自由度运动的机器人称为全方位移动机器人^[1]。由于其轮系直接影响机器人移动的灵活度、效率和平稳性，因此多年来轮系的优化设计一直是全方位移动机器人运动控制和路径规划领域的研究热点之一^[2]。

针对自主设计的旧式全方位轮在载人时行进阻力较大的问题，本文从材料选用和安装方式两个方面优化设计全方位轮系，进而改善全方位移动载人机器人的移动效率、稳定性和平顺性，对全方位移动机器人的运动控制和路径规划研究有一定的实际意义。

1 全方位轮系的新设计

全方位轮包括轮毂和从动轮，该轮毂的外圆周处均匀开设有数个轮毂齿，每两个轮毂齿之间装设有一从动轮，该从动轮的径向方向与轮毂外圆周的切线方向垂直。这个由大轮边缘套小轮组成的复合轮子结构，可以实现机身在不转向的情况下进行各个方向的直线或曲线运动。需要转向时也很灵活，且原地转向无转向半径限制，可以使机器人的运动更加灵敏。机器人运动过程中，轮上的各个小轮一般均处于纯滚动状态，不易磨损，小轮轴的受力情况也较好，对各个轮的转向和转速控制得当，即可实现精确定位和轨迹跟踪^[3]。