麦克纳姆小车的增材制造及控制系统设计
在Industry 4.0的浪潮中，新兴数字技术产业不断地快速发展。在这场巨浪中，增材制造、自主式机器人、物联网、仿真模拟，云服务等技术逐渐成为了其核心优势技术。本文就增材制造及自主式AGV技术目前的发展情况与未来发展前景在一定程度上进行讨论，并运用其技术完成一台自主式AGV全向移动平台原型机。增材制造不同于传统材料成型方式，其主要通过熔融材料的逐层堆积累加的方式快速完成实体零件的制造。由于增材制造不需要使用刀具和夹具这两个工具就传统材料成型方式而言加工更加简单，成型周期短，能制造传统加工方式难以生产的具有复杂结构的零件，且大大降低生产成本。 AGV—工业自动化升级的核心技术，现已广泛用于仓储物流、人工智能、生产制造，自动化工厂等多个领域。麦克纳姆轮一种由瑞士发明家构想的全向轮，在其车轮外廓环中固定有与车轮轴心成45°的自由辊子。当动力设备如电机驱动麦克纳姆轮时，麦克纳姆轮轮廓上的辊子就会与地面摩擦产生一个分力，通过改变轮子动力输出方向和大小继而改变这个分力的方向和大小诸如前进、后退、左横移、右横移、左上方向移动、右上方向移动、左下方向移动、右下方向移动、绕车身中点的左转，右转等基本运动。利用此特性而研究开发出的全向移动平台特别适合用于转运空间不足、作业通道狭窄的环境。关键词 增材制造，自主式机器人，麦克纳姆轮，AGV
目 录
1 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 国外研究现状 2
1.2.2 国内研究现状 3
1.3 设计要求 3
1.4 本设计完成的工作内容 3
2 基于麦克纳姆轮的AGV全向移动平台总体方案设计 4
2.1 硬件总体设计方案 4
2.2 控制系统总体设计方案 4
3 基于麦克纳姆轮的AGV全向移动平台各硬件的选择 6
3.1 自主导引系统主控选择 6
3.2 激光雷达选择 8
3.3 显示器件选择 8
3.4 传动及转向机构选择 10
3.5 动力元件的选择 11
3.5.1 直流电机的原理 11
3.5.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
直流电机的驱动方法 13
3.6 驱动器选择 13
3.7 基本运动控制系统主控选择 15
3.8 无线通讯设备选择 16
3.9 动力源选择 17
4 基于麦克纳姆轮的AGV全向移动平台实物制作 17
4.1 整机样貌 17
4.2 实物制作 18
4.2.1 元件的选择与检测 18
4.2.2 设计任务与实物调试 19
结 论 22
致 谢 24
参 考 文 献 25
绪论
课题背景
增材制造（简称：AM 全称：Additive Manufacturing）3D打印技术就是增材制造的一种。增材制造涉及计算机切片软件、材料成型技术以及3D建模技术等多种技术。3D打印技术基于三维数字模型，计算机端的切片软件将3D模型分解切割生成GCODE然后通过有线或无线传输方式将GCODE数据传输至伺服运动控制系统将PLA或光敏树脂等成型材等，以熔融、光固化等诸多不同方式将材料一层一层堆积累加，以达到快速制造出实体零件的目的，是一种类似传统建筑业的“自下而上”的不同于常规成型方式。具体成型过程为喷头加热到额定温度后将丝状的热塑性材料熔化，喷头底部有一个微细喷嘴用于将材料以一定的压力和速度均匀挤喷出来；在加热到一定温度的喷头沿水平方向匀速移动的同时，作为承载面的工作台则沿竖直方向匀速移动。这样喷头挤出的材料将与前一个层面喷头挤出并冷却凝固的材料熔结在一起，每当一个层面的材料沉积冷却完成后，作为承载面的工作台便会带着之前成型好的材料下降一层，然后再继续熔融沉积的过程，直至最终完成整个实体零件的制造。其成型原理如图1.1所示。
/
图1 FDM 热熔堆积固化成型法（Fused Deposition Modelin）原理图
AGV是Automated Guided Vehicle的英文简称。翻译过来就是“自动引导运输车”的意思，是一种装备了精密的电磁传感器或者精密的光学传感器的自动引导运输装置。AGV能够按照预定的引导路径进行形式完成诸如货物搬运，物流调度等机械性劳作，其具有安全保护、多种自动化移载，充电自动化等功能。由于其具有自主导引系统因而其在工业应用中可以脱离技术员自主运行，以可循环充放电的蓄电池作为动力源安全可靠。AGV以轮式移动为主要特征，本课题涉及的麦克纳姆轮式AGV可以实现诸如前进、后退、左横移、右横移、左上方向移动、右上方向移动、左下方向移动、右下方向移动、绕车身中点的左转，右转等基本运动及混合运动方式，拥有卓越的灵活性和机动性且机构简单，可靠性及可控性极强，非常适用于转运空间有限，作业空间有限的使用场合。在自动化生产及过程中拥有极其显著的自动化特性，实现高效率的自动化作业。
国内外研究现状
国外研究现状
增材制造这一先进的快速成型技术概念最早于20世纪70年代末到80年代初期这一时期被提出。1986年美国人迈克费金成功研制出分层实体制造技术，同年查尔斯赫尔研制出基于光敏树脂的光固化成型方法。1988年美国3D Systems公司制造了第一台可用于商用的快速成型机并相继开发了多种快速成型技术，成为增材制造发展历史上的里程碑。1989年坐落于美国的德克萨斯大学分校某个实验室提出了选择性激光选区烧结技术。1990年到目前为止主要实现了金属材料的增材制造。2013年麻省理工学院研发出超理念化的4D打印技术。
1973年Mecanum AB公司的某位工程师创造性的提出了Mecanum轮的初期概念。不久之后，能够被成功运用于车轮打滑原因检测、移动机器人航位航向推测、运动系统闭环反馈的初期运动模型被建立起来。Mecanum轮的运动学及动力学方程也藉由成功的将Mecanum轮与普通汽车轮胎的对比研究而成功推算出来。Mecanum的轮体结构也被创造性的由依靠滚轴的两端支撑改为用辊子中间支撑，这一举动使得即使是在崎岖的地面上抑或是更加复杂的恶劣的路面环境下使用Mecanum轮的移动机器人都能正常的行驶。Mecanum轮的辊子还被设计出两种不同的用途，一种用于改变移动平台方向，一种用于锁定轮子。Mecanum轮的诸多成功改进使得其不仅仅只适用于平坦的工厂环境，还能在室外崎岖复杂的路面发挥作用。Mecanum辊子设计加工时的必要的特征参数则藉由对Mecanum轮结构的几何研究得以攻破。另一方面，在有关如何最优化布局Mecanum轮方面我国的王一治则通过研究几种常规的布局方式加上一定的研究分析而筛选出来。Mecanum轮的商业应用实例首推美国AirTrax公司研究出的工业叉车及搬运车，其成功的应用为公司带来了巨额效益。Mecanum轮被成功应用于飞机制造、兵器运输等军事领域主要归功于德国的KUKA及AIT公司。其中，又以成功研制出了基于Mecanum轮的智能装配机器人的KUKA公司占得先机，成为行业先驱。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 国外研究现状 2
1.2.2 国内研究现状 3
1.3 设计要求 3
1.4 本设计完成的工作内容 3
2 基于麦克纳姆轮的AGV全向移动平台总体方案设计 4
2.1 硬件总体设计方案 4
2.2 控制系统总体设计方案 4
3 基于麦克纳姆轮的AGV全向移动平台各硬件的选择 6
3.1 自主导引系统主控选择 6
3.2 激光雷达选择 8
3.3 显示器件选择 8
3.4 传动及转向机构选择 10
3.5 动力元件的选择 11
3.5.1 直流电机的原理 11
3.5.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
直流电机的驱动方法 13
3.6 驱动器选择 13
3.7 基本运动控制系统主控选择 15
3.8 无线通讯设备选择 16
3.9 动力源选择 17
4 基于麦克纳姆轮的AGV全向移动平台实物制作 17
4.1 整机样貌 17
4.2 实物制作 18
4.2.1 元件的选择与检测 18
4.2.2 设计任务与实物调试 19
结 论 22
致 谢 24
参 考 文 献 25
绪论
课题背景
增材制造（简称：AM 全称：Additive Manufacturing）3D打印技术就是增材制造的一种。增材制造涉及计算机切片软件、材料成型技术以及3D建模技术等多种技术。3D打印技术基于三维数字模型，计算机端的切片软件将3D模型分解切割生成GCODE然后通过有线或无线传输方式将GCODE数据传输至伺服运动控制系统将PLA或光敏树脂等成型材等，以熔融、光固化等诸多不同方式将材料一层一层堆积累加，以达到快速制造出实体零件的目的，是一种类似传统建筑业的“自下而上”的不同于常规成型方式。具体成型过程为喷头加热到额定温度后将丝状的热塑性材料熔化，喷头底部有一个微细喷嘴用于将材料以一定的压力和速度均匀挤喷出来；在加热到一定温度的喷头沿水平方向匀速移动的同时，作为承载面的工作台则沿竖直方向匀速移动。这样喷头挤出的材料将与前一个层面喷头挤出并冷却凝固的材料熔结在一起，每当一个层面的材料沉积冷却完成后，作为承载面的工作台便会带着之前成型好的材料下降一层，然后再继续熔融沉积的过程，直至最终完成整个实体零件的制造。其成型原理如图1.1所示。
/
图1 FDM 热熔堆积固化成型法（Fused Deposition Modelin）原理图
AGV是Automated Guided Vehicle的英文简称。翻译过来就是“自动引导运输车”的意思，是一种装备了精密的电磁传感器或者精密的光学传感器的自动引导运输装置。AGV能够按照预定的引导路径进行形式完成诸如货物搬运，物流调度等机械性劳作，其具有安全保护、多种自动化移载，充电自动化等功能。由于其具有自主导引系统因而其在工业应用中可以脱离技术员自主运行，以可循环充放电的蓄电池作为动力源安全可靠。AGV以轮式移动为主要特征，本课题涉及的麦克纳姆轮式AGV可以实现诸如前进、后退、左横移、右横移、左上方向移动、右上方向移动、左下方向移动、右下方向移动、绕车身中点的左转，右转等基本运动及混合运动方式，拥有卓越的灵活性和机动性且机构简单，可靠性及可控性极强，非常适用于转运空间有限，作业空间有限的使用场合。在自动化生产及过程中拥有极其显著的自动化特性，实现高效率的自动化作业。
国内外研究现状
国外研究现状
增材制造这一先进的快速成型技术概念最早于20世纪70年代末到80年代初期这一时期被提出。1986年美国人迈克费金成功研制出分层实体制造技术，同年查尔斯赫尔研制出基于光敏树脂的光固化成型方法。1988年美国3D Systems公司制造了第一台可用于商用的快速成型机并相继开发了多种快速成型技术，成为增材制造发展历史上的里程碑。1989年坐落于美国的德克萨斯大学分校某个实验室提出了选择性激光选区烧结技术。1990年到目前为止主要实现了金属材料的增材制造。2013年麻省理工学院研发出超理念化的4D打印技术。
1973年Mecanum AB公司的某位工程师创造性的提出了Mecanum轮的初期概念。不久之后，能够被成功运用于车轮打滑原因检测、移动机器人航位航向推测、运动系统闭环反馈的初期运动模型被建立起来。Mecanum轮的运动学及动力学方程也藉由成功的将Mecanum轮与普通汽车轮胎的对比研究而成功推算出来。Mecanum的轮体结构也被创造性的由依靠滚轴的两端支撑改为用辊子中间支撑，这一举动使得即使是在崎岖的地面上抑或是更加复杂的恶劣的路面环境下使用Mecanum轮的移动机器人都能正常的行驶。Mecanum轮的辊子还被设计出两种不同的用途，一种用于改变移动平台方向，一种用于锁定轮子。Mecanum轮的诸多成功改进使得其不仅仅只适用于平坦的工厂环境，还能在室外崎岖复杂的路面发挥作用。Mecanum辊子设计加工时的必要的特征参数则藉由对Mecanum轮结构的几何研究得以攻破。另一方面，在有关如何最优化布局Mecanum轮方面我国的王一治则通过研究几种常规的布局方式加上一定的研究分析而筛选出来。Mecanum轮的商业应用实例首推美国AirTrax公司研究出的工业叉车及搬运车，其成功的应用为公司带来了巨额效益。Mecanum轮被成功应用于飞机制造、兵器运输等军事领域主要归功于德国的KUKA及AIT公司。其中，又以成功研制出了基于Mecanum轮的智能装配机器人的KUKA公司占得先机，成为行业先驱。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/hxycl/jscl/221.html
