第 1 章 绪论
1.1 课题研究背景
由于全方位移动机器人控制简单、移动灵活的特点已经被广泛应用于人类的生产、生活实践中，因此引起了研究人员的广泛关注。在竞赛机器人[2]中，上海交通大学开发了一种全方位移动足球机器人；在服务行业中[3]，Mobile Robots Inc 开发了 Seekur 清扫机器人；在工业领域中，西班牙塞维利亚大学研制了 ROMEO-3R 移动机器人；在商业领域中，Airtrax 公司将4 个麦克纳姆轮做成工程叉车，用于仓库货物运输用途；在农业领域中，全方位移动平台可以用于粮食搬运、果蔬采摘、园林护理等工作。在农业领域中全方位移动平台应用并不多。目前，为机器人开发的全方位移动机构主要有轮式、履带式、脚腿式等多种形式[4]。农间实际地形多为非结构化狭窄地形，例如起伏的路面、斜坡、凸台和沟道等[5]。现有的农用移动平台存在很大的局限性，具有一定越障能力的农用全方位移动平台可以在复杂的环境中更好的完成工作任务，提高工作效率，这类移动平台的工作空间复杂，故需要其移动机构具有很好的环境适应能力[6]。结构合理的移动机构是确保移动平台适应能力的关键，所以研究适应非结构化地形的全方位移动平台具有重要的意义。
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1.2 全方位移动技术发展
1.2.1 国外全方位移动平台研究现状
20 世纪 90 年代，全方位移动技术的研究得到了广泛的重视，但全方位移动技术应用在农业领域尚属于起步阶段。麦克纳姆轮在所有全方位移动机构中是研究最早、进展最快最成熟的一种全方位轮系。麦克纳姆轮是 1973 年由瑞典 Mecanum 公司的工程师提出来的，它是由轮毂和围绕着轮毂周围许多均匀分布的小棍子构成，并直接与悬架固定连接。麦克纳姆轮的特点是不需要转向机构，棍子的轴线与轮毂的轴线夹角通常有固定角度，如图 1.1 所示。棍子的组成必须满足“包络成圆”，如图 1.2 所示，这样能使麦克纳姆轮运动更加稳定。麦克纳姆轮由电机提供动力，麦克納姆轮上的小棍子依靠与地面的摩擦力旋转运动，通过各个轮子的转速和旋转方向的配合，使麦克纳姆轮式移动平台在不做出任何转向就可以完成任意方向的运动。美国 Airtrax 公司将全方位移动技术应用到商业上，该公司用四个大型的麦克纳姆轮做成工程叉车，在车间狭小的工作环境中体现了全方位移动叉车的灵活性与机动性。1986 年，卡内基梅隆大学研发了一款轮式移动机器人 Uranus，如图 1.3 所示，移动机器人由四个麦克纳姆轮构成，主要进行了机器人的运动学建模和车轮打滑相关的研究[7]。万向轮是另一种使用较为广泛的全方位移动轮系结构，它是中心可以转向的轮系，将普通轮式移动机构加上一个可绕中心转动的轴，如图 1.4 所示，这种机械结构使得轮系可以绕中心轴任意旋转，实现全方位运动的功能。移动机器人公司开发一款大型、全天候的 Seekur 打扫移动平台[8]，如图 1.5所示，主要采用 4 个电机控制驱动和 4 个电机控制转向来实现平台全转向能力，该移动平台的特点为转弯半径小，转向灵活且可以通过崎岖的地形。2002 年澳大利亚 Eze Corp 公司研发了一种概念底盘，如图 1.6 所示，使用该底盘结构的车辆具有四轮独立转向独立驱动的特点，从而实现原地回转、斜行以及四轮转向模式，在平台行驶过程中，可以通过控制车轮转角来减小轮胎与地面的磨损。
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第 2 章 农用全方位移动平台方案
农用全方位移动平台主要由机械结构和控制系统两部分组成。实现移动平台的运动是通过控制系统的指令使机械结构产生运动，所以机械结构的设计直接影响移动平台的运动能力，对控制系统设计也起到直接影响。本章主要根据运动要求完成移动平台的方案分析、结构设计与设备选取，搭建一种可以在农业作业环境中实现全方位行走的移动平台。
2.1 设计要求
目前国内的农业移动作业平台结构庞大，运动不灵活。在复杂的农业环境下移动平台的可操作性不高，为了实现移动平台的用途多样性，本文设计的农用全方位移动平台需要具备以下功能：（1）实现全方位移动，例如斜行、原地回转等运动；（2）结构和传动方式简单；（3）负载能力良好，方便后期增置其它工作器件，移动平台载重约 150kg；（4）移动平台质量小，稳定性和适应能力好，爬坡能力大于 20 度，垂直越障能力不小于 100mm。
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2.2 农用全方位移动平台机构方案
全方位移动平台需要在农间环境下具有良好的通过性与适应地形的能力，因此，选择合理的移动机构对于设计移动平台至关重要。一般常用的移动机构主要分为三类，轮式（Wheeled）、履带式（Tracked）和脚腿式（Legged）。三种移动机构方式都能实现全方位运动，因此，对于全方位移动平台的设计还需要考虑环境适应性、运动稳定性等方面。对于不同的路面情况，三种移动机构方式都有各自的优缺点。所以对全方位移动平台的选择与设计需要综合考虑。轮式移动机构在移动平台中应用最广，该移动平台机构具有结构相对简单，制造成本低，负载能力良好，在性能方面该移动机构便于控制，能耗较低以及灵活性好的特点。然而普通轮式移动机构运动时，车轮与地面接触面积小，在非结构化地形下容易沉陷和侧滑，运动过程中功能会受到限制。履带式移动机构在军事领域应用较为广泛，主要是因为具有较大的附着力，较小的触地压力以及适应松软路面的特点，履带式移动机构主要由驱动轮、导向轮、履带板、履带架和托带轮等构成，由于其结构的特殊性使得履带式移动机构在复杂的路面上仍具有良好的通过性，但是履带式移动机构体积过大，制造成本较高以及转向不灵活。脚腿式移动机构对复杂的路面适应能力最好，基于仿生学目前研究的脚腿式移动机构有两足、四足、六足等多种脚腿式移动机构，该机构的最大特点是可以适应各种路面，具有良好的机动性，但脚腿式移动机构的结构较为复杂，并且负载能力不佳、成本过高，并不适用于农间环境。三种移动机构在各方面性能的综合评价，见表 2.1，其中 A 到 D 表示性能分数由高到低。本文对农用全方位移动平台的研究重点为转向灵活性、良好的适应路面能力、负载能力、较低的制造成本以及能源消耗，因此，综合分析我们最终选择特殊轮式作为本文全方位移动平台的移动机构。特殊轮式机构种类较多，但同时具有全方位移动能力的轮式机构并不多。全方位轮式机构不仅能够在任意方向移动，还可以维持车体姿态不变的情况下，像汽车那样改变机体方位[41]。其中使用最为广泛的全方位轮式移动机构为麦克纳姆轮和全方位转向轮。麦克纳姆轮的结构由均匀分布的多个棍子组成，棍子的倾斜方向相同，它操作简单、行动灵活，最大问题就是对轮毂外缘的棍子加工有很高的要求[42]。全方位轮也叫全轮偏转式移动机构，与普通轮子相比多了一套偏转装置，使车轮可以按照转向结构的设计进行全方位转向，全方位轮的最大特点就是结构简单，可自由设计转向方式。目前绝大多数的移动平台在改变运动方向时都有少量的回转半径，但是全方位移动机构的回转半径可以为零。在农田环境下，全方位轮式机构相比其他轮式机构有明显的优势，例如，在狭小、复杂的果园，没有足够的空间给移动平台调头转弯，但全方位移动平台可以利用自身灵活性的特点，在果园里进行自如的穿行工作，例如横行、斜行以及原地回转，这是大多数移动机构不具有的。目前常用的轮式全方位轮式机构有麦克纳姆轮、万向轮[43]、瑞士轮[44-46]、球轮[47]和正交轮[48]等，另一种与正交轮相似的轮系[49]，每个轮子分别由 2 个中心轴正交的小轮组成。同样还有一种连续切换轮[50-51]与之相似，轮子主要由轮盘和许多滚子构成。通过对上文介绍的多种全方位轮式机构进行分析比较，结果见表 2.2 所示。
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第 3 章 农用全方位移动平台运动分析 .....25
3.1 四轮驱动四轮转向运动 ........... 25
3.2 两轮驱动两轮转向运动 ........... 28
3.3 原地回转运动 .......... 31
3.4 斜行运动 ..... 32
3.5 坡路行驶 ..... 33
3.5.1 纵向爬坡运动 ..... 33
3.5.2 横向爬坡运动 ..... 37
3.6 越障运动 ..... 39
3.6.1 前轮驱动越障 ..... 39
3.6.2 后轮驱动越障 ..... 41
3.7 试验设备性能测试 ...... 44
3.8 本章小结 ..... 47
第 4 章 农用全方位移动平台仿真分析 .....49
4.1 ADAMS 软件简介......... 49
4.2 基于 ADAMS 建立移动平台虚拟样机 .......... 49
4.3 农用全方位移动平台结构参数化分析 ........ 52
4.4 农用全方位移动平台 ADAMS 模型 ............ 59
4.5 农用全方位移动平台的约束分析 ............ 60
4.6 农用全方位移动平台的运动仿真分析 ........ 61
4.7 本章小结 ..... 75
第 5 章 总结与展望 ............77
第 4 章 农用全方位移动平台仿真分析
为了验证农用全方位移动平台的动力学性能，需要使用三维 CAD 软件建立农用全方位移动平台基本模型，将三维模型导入 ADAMS 软件优化轴距、轮距和移动平台质心高度来确定最佳的结构参数，在特定的作业工况下进行农用全方位移动平台的运动学仿真，包括转向稳定性与几何通过性，分析农用全方位移动平台的合理性。
4.1 ADAMS 软件简介
ADAMS 软件即机械系统动力学仿真软件，主要分为五大模块，包括基本模块、接口模块、扩展模块、专业领域模块和工具箱模块。用户可以使用普通模块对一般的机械系统进行仿真分析，也可以使用专业模块针对特定的应用领域问题进行快速有效的模型建模和仿真分析。基本模块、求解器模块和后处理模块为 ADAMS 软件常用的三大模块。其中 ADAMS/View（基本模块）和 ADAMS/Solver（求解器模块）是 ADAMS 软件两大核心模块，使用这两个核心模块就可以针对大多数机械系统进行建模和仿真分析。ADAMS/View（基本模块）主要是以用户为中心的一种交互式图形环境，它提供了全面的零件图形库、约束与约束力库，而且支持函数输入功能和布尔运算功能。ADAMS/Solver（求解器模块）主要是求解机械系统动力学和运动学问题的模块，采用拉格朗日方程方法生成动力学相关方程，对虚拟机械系统进行运动学分析。ADAMS/PostProcessor（后处理模块）主要是针对仿真结果的后数据进行处理分析，包括参数的数据分析、仿真曲线的绘制。计算机技术的发展与产品设计要求的提高，ADAMS 软件功能日趋强大。为了与常用的主流三维 CAD 设计软件对接，开发了多款专业接口与三维 CAD 软件进行数据传递，其中常用的接口包括 Pro/E 接口、Catia 接口、图形接口、控制接口等。复杂的机械系统结构可以使用三维 CAD 软件创建后以文件的形式导入到 ADAMS 软件中再进行运动仿真。
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总结
农用全方位移动平台的功能是搭载作业工具在农田实现作业位置的改变。适用于农田环境、转向灵活的移动平台，可以保证作业的工作效率。目前对机械手、采摘设备研究为重点，而对于农用移动平台的设计很少有人研究。本文设计一种适用于农业环境的全方位移动平台，为实现全方位移动平台的设计方法进行了初步研究。本文主要工作内容与创新点包括以下几点：
（1）综合比较现有移动机构的优缺点并结合农田环境的特殊性，选取符合本文的全方位轮式结构方案。完成移动平台驱动机构的设计包括电机的选型与功率的估算。转向机构的设计包括转向齿轮设计，中心转向轴设计和转向电机的选型。高度调节机构的设计包括四杆机构的结构设计，通过对四杆机构的受力分析得到驱动电机杆最佳的安装位置。由于本课题研究的移动平台为四轮独立转向结构，所以单独设计一款符合该移动平台的机架结构，同时运用三维设计软件 Pro/E建立全方位移动平台部件的三维模型并进行虚拟装配；
（2）本文单独设计一款高度调节机构，利用平行四杆机构的运动稳定特性，完成对移动平台车体姿态的调整。通过建立高度调节机构的几何模型，得出电机杆受力与姿态角等参数之间关系，以实现调节 700mm 为目标，得出连架杆长度d=400mm 和连杆长度 c=240mm。分析在不同安装位置下电机驱动杆的受力情况，以电机驱动杆受力最小为目标，得出机架上电机安装点到上固定点间距离a=180mm 和连架杆上电机安装点到上固定点间距离 b=320mm 为电机驱动杆的最佳安装位置；
（3）基于 Ackerman 模型分析了前后轮反向偏转、前后轮同向偏转、前轮转向后轮驱动、前轮转向前轮驱动四种转向方式转弯时各轮转角之间关系以及各轮转速之间关系。然后分析农用全方位移动平台原地回转与斜行运动各轮转角之间关系以及各轮转速之间关系。最后对农用全方位移动平台采用前轮驱动与后轮驱动两种形式的越障情况进行分析，得出从动轮可以通过增大质心到前轮距离与轮距间的比值a L、附着系数 值来提高移动平台的越障能力，为后期的程序编写提供了重要依据.
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参考文献（略）