原理篇:机器人常见底盘运动学分析

  通常移动机器人依赖电机驱动车轮实现行走功能。机器人底盘结构不同,其运动学也完全不同。根据不同类型车轮,常见的底盘结构差速运动模型、滑移运动模型、阿克曼运动模型、全向轮运动模型等等。

  • 差速运动模型:2wd、4wd、6wd
  • 全向轮运动模型:omni_3、omni_4、mecanum
  • 阿克曼运动模型:ackermann
(图)机器人常见底盘结构

  本文仅对两轮差速运动模型、三轮全向运动模型、四轮麦克纳姆轮运动模型三种底盘结构运动学分析。
  ROS中运动学分析为正解(Forward kinematics)和逆解(Inverse Kinematics)两种。正解是将获得的机器人底盘速度指令/cmd_vel转化为每个车轮的实际速度。逆解是根据电机编码器获得的每个车轮速度计算出机器人底盘速度,从而实现航迹推算。

概述

  两轮差速运动模型如PirobotTurtlebot等机器人,两个动力轮分别位于底盘左右两侧,通过给定不同速度来实现转向控制,一般会加一到两个的辅助支撑轮。

  全向轮的独特之处在于其特殊的轮胎。全向轮并不仅仅是一个轮毂,而是由很多轮胎的组合体。其主体为一个大型中心轮,在中心轮周边为中心轴方向垂直于中心轮的小型轮子。根据小型轮子角度不同,常见的主要有麦克纳姆(Mecanum )轮和连续切换轮两种。

(图)全向轮结构

  麦克纳姆轮由轮辐和固定在外周的许多小滚子构成,轮子和滚子之间的夹角通常为45°。典型布置方式为“米”型布置。

  连续切换轮由一个轮盘和固定在轮盘外周的滚子构成。轮盘轴心同滚子轴心垂直,轮盘绕轴心由电机驱动转动,滚子依次与地面接触,并可绕自身轴心自由转动。典型布置方式为三角形布置和“X”字形布置。

两轮差速运动模型

两轮差速运动模型

参考1:两轮差速底盘的运动模型分析:运动控制与里程计解算
参考2:航迹推演(Odometry)
参考3:机器人局部避障的动态窗口法 (dynamic window approach)

运动学方程

三轮全向运动学模型

三轮全向运动学模型

参考1:三轮全向移动底盘的运动学建模和分析
参考2:3轮全向轮正解—41

运动学方程

四轮麦克纳姆轮运动模型

四轮麦克纳姆轮运动模型

参考1:4WD Mecanum Wheel Robot Kit Series
参考2:Drive Kinematics: Skid Steer & Mecanum (ROS Twist included)

运动学方程

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