麦克纳姆小车承力结构架设计及受力分析(附件)
麦克纳姆小车是车型机器人中的一个热门研究方向，麦克纳姆轮别名瑞典轮，是1973年由瑞典Mecanum AB公司工程师Bengt llon设计的。麦克纳姆小车可以在二维平面内产生3个自由度的全方向运动，可以运用于空间有限，作业通道狭窄的场合。 本论文对麦克纳姆小车的结构及其控制系统进行相应设计与验证。论文的主要工作与结论如下本文针对麦克纳姆小车的机械结构、硬件、软件底层设计，嵌入式遥控的硬件与软件设计，GUI图形界面设计等流程进行了解析。本文对国内外麦克纳姆小车发展与应用进行了对比，并对其进行了动力学建模，着重分析了其工作原理，并设计出了具有自主产权的自动路径规划算法。为满足调试及实际生产需求，本文设计了手持式遥控电路，以便能够实时了解小车的工作状态，并在必要时进行手动控制。关键词全方位移动，麦克纳姆轮，移动机器人，路径规划
目 录
1 绪论.1
1.1 课题研究的背景与意义..1
1.2 国内外基于麦克纳姆轮机器人的研究现状..1
1.3 论文的主要工作3
2 麦克纳姆小车原理与结构及软件设计..4
2.1 麦克纳姆小车原理分析..4
2.1.1 麦克纳姆小车车轮结构的技术分析..5
2.1.2 麦克纳姆小车动力学分析..6
2.1.3 麦克纳姆小车动力学建..7
2.2 车身机械结构设计及材料选择..8
2.3 硬件电路设计与电机驱动选择..8
2.3.1 MCU选择...8
2.3.2 通讯模块选择..9
2.3.3 电机驱动器选择10
2.4 手持遥控电路及软件设计11
2.4.1 手持遥控设计要求11
2.4.2 MCU选取.11
2.4.3 液晶显示屏选取12
2.4.4 通讯模块及其协议编写13 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
2.4.5 程序调试及验证14
2.5 垂直升降系统设计15
2.5.1 X型剪式升降结构.15
2.5.2 四柱式升降结构16
2.5.3 方案选定与动力装置的选择16
2.5.4 升降机构的结构设计19
2.6 本章小结20
3 小车控制系统设计....21
3.1 小车通讯系统设计21
3.2 小车姿态控制及路径规划21
3.3 小车信息采集系统设计21
3.4 本章小结21
4 总结22
4.1 回顾22
4.2 展望24
致 谢 26
参 考 文 献 27
绪论
课题研究的背景与意意
在传统的陆路运输设备中，大多是橡胶轮式结构，如货运卡车、大巴等等，该结构需要专门的转向机构来控制车辆的行进方向。这种轮式转运机构发展历史悠久，种类齐全，结构设计完善减震性能好，具有承载能力大，运行平稳等特点，一直在被人们广泛使用。当然，另外的两类运输设备发展也很迅猛，一种是轨道运输设备，另一种履带式运输设备，这两类运输设备都不配备转向机构。轨道运输设备的代表就是货运火车，货运火车的运输能力非常大，适合连续长途运输，但是机动性太差，只能沿既定轨道运行，转弯时需要有特定的陡坡地形相配合。相比之下履带式运输设备就灵活多了，履带式运输设备是靠齿轮带动履带进行运行，与普通轮式运输设备相比，与地面的接触面积更大，抓地能力强大，能适应各种恶劣的工作环境，因为这种特性，履带式结构在工程设备中被广泛使用。
相比之下，麦克纳姆轮结构的应用就要晚得多了。麦克纳姆轮在1973年由瑞典Mecanum AB公司的工程师Bengt Ilon设计开发出来的[1],麦克纳姆轮结构特殊，由围绕轮毂呈一定角度均匀分布的小辊子所组成，辊子可绕轴自由转动，产生与辊子相垂直的分力，分力的存在使得轮毂所受摩擦力的方向不再垂直于主轴。
麦克纳姆小车同样不需要转向机构，通过四个轮不同的转向组合可以实现全方位移动。不同于履带车，麦克纳姆轮对地面要求较高，只能在相对平坦的地面工作。此外，麦克纳姆轮的轮毂曲线不连续，转动时会有轻微震感，运行平稳性远差于普通轮系，这也在一定程度上限制了麦克纳姆轮的应用。
麦克纳姆轮具有独特全方位移动特性，不仅可以在狭窄的走道上进行水平移动，还可以沿斜直方向前进，这对解决在船泊、仓库等通道狭窄、转向不便的场合下顺利高效地进行物资转运具有非常大的意义。此外，国内的中船重工第七一三研究所成功研制出一系列基于麦克纳姆轮的叉车等转运车辆，更好契合了船泊转运装备的需求，为麦克纳姆轮工业化应用做出良好的带头作用[2]。
国外也有部分基于麦克纳姆轮的工业转运设备投入试验生产，但是目前麦克纳姆轮的应用主要还是集中在家用服务型型智能机器人身上，这些服务型机器人能完成诸如清理灰尘、看门、录像等功能。一方面，服务型机器人的工作环境较为平坦，对轻微的振动冲击不敏感；另一方面，麦克纳姆轮优异的全方位移动特性能使服务机器人以任意路径到达指定位置，运动控制更为灵活。随着工业智能化进程的发展，全方位智能机器人的运用也越来广泛：
（1）在家政方面，除去大家耳熟能详的扫地机器人外，配备有机械手臂的全方位智能管家也逐步进入走出了实验室，进入商品化发展阶段，肩负起端茶倒水等简单的劳动任务，解放我们的生活
（2）在工业智能化领域中，无人化货运仓储方兴未艾，基于物联网与云计算等先进的管理技术的使用使得工业化生产活动越来越智能、高效。但在技术与管理进步的同时，如何改进货运小车的结构，使其能够更好地适应复杂的工作环境，日益成为阻碍其发展焦点，而麦克纳姆轮优异的全方位移动特性能不啻于是一种完美的解决方案。安装有麦克纳姆轮的货运小车在云计算的支持下可以沿任何路径前行，并在必要时能够进行多辆小车的协同工作。
（3）在快递投递行业中，麦克纳姆小车运用前景一片光明。快递行业是国内新兴产业，发展十分迅猛，每天都有成千上万件快递在高速上飞驰，如何快速、高效、及时地将快递进行分拣归类，并及时投递成为了制约其发展的拦路石。当然，现在国内的快递分拣已逐步实现机器分拣，分拣效率大大提高，但在快递投递方面仍然只能依靠投递员，效率低投递速度波动较大。为此，京东快递推出了基于物联网云计算的智能投递小车，实现了快递的分拣、运输、投递全智能化的发展。虽然此次京东的无人配送车体积较大未能采用麦克纳姆轮机构，但这并不能掩盖麦克纳姆轮在智能投递小车行业中的巨大优势。
因此对麦克纳姆小车进行深入研究，符合了当今社会发展的趋势与潮流，为社会的发展与进步作出了长远的贡献，拥有具有巨大的现实效益。
目 录
1 绪论.1
1.1 课题研究的背景与意义..1
1.2 国内外基于麦克纳姆轮机器人的研究现状..1
1.3 论文的主要工作3
2 麦克纳姆小车原理与结构及软件设计..4
2.1 麦克纳姆小车原理分析..4
2.1.1 麦克纳姆小车车轮结构的技术分析..5
2.1.2 麦克纳姆小车动力学分析..6
2.1.3 麦克纳姆小车动力学建..7
2.2 车身机械结构设计及材料选择..8
2.3 硬件电路设计与电机驱动选择..8
2.3.1 MCU选择...8
2.3.2 通讯模块选择..9
2.3.3 电机驱动器选择10
2.4 手持遥控电路及软件设计11
2.4.1 手持遥控设计要求11
2.4.2 MCU选取.11
2.4.3 液晶显示屏选取12
2.4.4 通讯模块及其协议编写13 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
2.4.5 程序调试及验证14
2.5 垂直升降系统设计15
2.5.1 X型剪式升降结构.15
2.5.2 四柱式升降结构16
2.5.3 方案选定与动力装置的选择16
2.5.4 升降机构的结构设计19
2.6 本章小结20
3 小车控制系统设计....21
3.1 小车通讯系统设计21
3.2 小车姿态控制及路径规划21
3.3 小车信息采集系统设计21
3.4 本章小结21
4 总结22
4.1 回顾22
4.2 展望24
致 谢 26
参 考 文 献 27
绪论
课题研究的背景与意意
在传统的陆路运输设备中，大多是橡胶轮式结构，如货运卡车、大巴等等，该结构需要专门的转向机构来控制车辆的行进方向。这种轮式转运机构发展历史悠久，种类齐全，结构设计完善减震性能好，具有承载能力大，运行平稳等特点，一直在被人们广泛使用。当然，另外的两类运输设备发展也很迅猛，一种是轨道运输设备，另一种履带式运输设备，这两类运输设备都不配备转向机构。轨道运输设备的代表就是货运火车，货运火车的运输能力非常大，适合连续长途运输，但是机动性太差，只能沿既定轨道运行，转弯时需要有特定的陡坡地形相配合。相比之下履带式运输设备就灵活多了，履带式运输设备是靠齿轮带动履带进行运行，与普通轮式运输设备相比，与地面的接触面积更大，抓地能力强大，能适应各种恶劣的工作环境，因为这种特性，履带式结构在工程设备中被广泛使用。
相比之下，麦克纳姆轮结构的应用就要晚得多了。麦克纳姆轮在1973年由瑞典Mecanum AB公司的工程师Bengt Ilon设计开发出来的[1],麦克纳姆轮结构特殊，由围绕轮毂呈一定角度均匀分布的小辊子所组成，辊子可绕轴自由转动，产生与辊子相垂直的分力，分力的存在使得轮毂所受摩擦力的方向不再垂直于主轴。
麦克纳姆小车同样不需要转向机构，通过四个轮不同的转向组合可以实现全方位移动。不同于履带车，麦克纳姆轮对地面要求较高，只能在相对平坦的地面工作。此外，麦克纳姆轮的轮毂曲线不连续，转动时会有轻微震感，运行平稳性远差于普通轮系，这也在一定程度上限制了麦克纳姆轮的应用。
麦克纳姆轮具有独特全方位移动特性，不仅可以在狭窄的走道上进行水平移动，还可以沿斜直方向前进，这对解决在船泊、仓库等通道狭窄、转向不便的场合下顺利高效地进行物资转运具有非常大的意义。此外，国内的中船重工第七一三研究所成功研制出一系列基于麦克纳姆轮的叉车等转运车辆，更好契合了船泊转运装备的需求，为麦克纳姆轮工业化应用做出良好的带头作用[2]。
国外也有部分基于麦克纳姆轮的工业转运设备投入试验生产，但是目前麦克纳姆轮的应用主要还是集中在家用服务型型智能机器人身上，这些服务型机器人能完成诸如清理灰尘、看门、录像等功能。一方面，服务型机器人的工作环境较为平坦，对轻微的振动冲击不敏感；另一方面，麦克纳姆轮优异的全方位移动特性能使服务机器人以任意路径到达指定位置，运动控制更为灵活。随着工业智能化进程的发展，全方位智能机器人的运用也越来广泛：
（1）在家政方面，除去大家耳熟能详的扫地机器人外，配备有机械手臂的全方位智能管家也逐步进入走出了实验室，进入商品化发展阶段，肩负起端茶倒水等简单的劳动任务，解放我们的生活
（2）在工业智能化领域中，无人化货运仓储方兴未艾，基于物联网与云计算等先进的管理技术的使用使得工业化生产活动越来越智能、高效。但在技术与管理进步的同时，如何改进货运小车的结构，使其能够更好地适应复杂的工作环境，日益成为阻碍其发展焦点，而麦克纳姆轮优异的全方位移动特性能不啻于是一种完美的解决方案。安装有麦克纳姆轮的货运小车在云计算的支持下可以沿任何路径前行，并在必要时能够进行多辆小车的协同工作。
（3）在快递投递行业中，麦克纳姆小车运用前景一片光明。快递行业是国内新兴产业，发展十分迅猛，每天都有成千上万件快递在高速上飞驰，如何快速、高效、及时地将快递进行分拣归类，并及时投递成为了制约其发展的拦路石。当然，现在国内的快递分拣已逐步实现机器分拣，分拣效率大大提高，但在快递投递方面仍然只能依靠投递员，效率低投递速度波动较大。为此，京东快递推出了基于物联网云计算的智能投递小车，实现了快递的分拣、运输、投递全智能化的发展。虽然此次京东的无人配送车体积较大未能采用麦克纳姆轮机构，但这并不能掩盖麦克纳姆轮在智能投递小车行业中的巨大优势。
因此对麦克纳姆小车进行深入研究，符合了当今社会发展的趋势与潮流，为社会的发展与进步作出了长远的贡献，拥有具有巨大的现实效益。
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