基于vrep全向移动机器人运动分析与仿真【字数：12164】
摘 要在总结国内外各种移动机器人轮子的基础上，对麦克纳姆轮进行了详细的介绍，阐述了它和普通全向轮的共同点与不同点，解释了麦克纳姆轮优于普通全向轮的原因。之后说明了麦克纳姆轮的几种安装方式，并在此基础上对使用麦克纳姆轮的机器人底盘进行了正逆运动学的分析。首先，针对3个全向轮和4个麦克纳姆轮两种移动机器人运动学特性，利用矩阵变换的方式进行了研究。列出了机器人静止参考系和自身参考系的速度转换公式，建立了单个全向轮的坐标系并以此推导出了3个全向轮和4个麦克纳姆轮移动机器人的运动学模型，为移动机器人的运动仿真分析和运动控制研究提供了理论依据。最后，使用V-REP软件平台对4个麦克纳姆轮驱动的移动机器人进行了建模和仿真，采用Lua来编写程序对机器人的直线运动、转向运动、平移运动等相关运动进行仿真分析并控制。对移动机器人的运动进行了仿真分析，通过仿真分析的结果总结出了影响移动机器人运动状态的主要因素。
Key words: omnidirectional wheel; mobile robot; motion analysis and simulation 目 录
第一章 VREP全向移动机器人概述 1
1.1课题研究背景 1
1.2课题研究目的与意义 2
1.3国内外研究现状 2
1.4课题研究的主要内容 3
1.5本章小结 3
第二章 VREP全向轮概述 4
2.1麦克纳姆轮介绍 4
2.2麦克纳姆轮的安装方法 5
2.3麦克纳姆轮底盘的正逆运动学模型 6
2.3.1全向移动平台的构建 6
2.3.2计算单个轮毂轴心位置的速度 8
2.3.3计算辊子的速度 9
2.3.4计算轮子的速度 10
2.4本章小结 12
第三章 全向移动机器人运动分析 13
3.1运动学分析基础 13
3.2全向轮运动分析 13
3.3本章小结 17
第四章 基于VREP的全向移动机器人建模与仿真 18
4.1软件介绍 18
4.2 建模 18
4.3?VREP *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
中的编程语言 22
4.4 Lua编程 23
4.5仿真结果分析 29
4.6本章小结 31
结 论 32
致 谢 33
参考文献 34
第一章 VREP全向移动机器人概述
1.1课题研究背景
VREP是一个基于分布式控制架构的免费且完美的开发环境。同时，您还可以根据用户需求导入相应的solidworks模型，开源机器人仿真平台VREP，其集成开发环境基于分布式控制架构。控制器可以用C/C++、Python、Java、Lua、Matlab等编写。VREP是一个高速算法、工厂自动化仿真、高速模型设计与验证、机器人相关教育、远程监控和安全检查领域。通过各种物理引擎，可以实现运动学正解、碰撞检测、最短路径计算、通信、视觉传感器仿真、路径规划、可视化仿真和丰富的机器人模型库。
现在许多机器人都偏向工业机器人。原始的工业机器人是控制机器人在固定程序中执行相同的操作，但随着市场的需求和技术的发展，同样的机器人已不能满足生产需求。机器人可以在很小的范围内移动，这得益于它们外部传感器的感应行为。人们对生产的需求因人工智能的发展而加快了，智能概念正逐渐被引入机器人的发展。同时，他们有能力判断和处理紧急情况。机器人技术经过3040年的发展，已应用于机械制造、金属加工、模型铸造、电气制造、空间探索、能源开发等领域。
自20世纪60年代以来，焊接，装配和加工等用途的工业机器人已被投入岛生产当中，提高了生产效率并且降低了成本。但随着工业生产技术要求的提高和机器人技术的发展，在某些方向上，机器人在一定的位置可能无法满足现场生产的需要。所以机器人控制不仅执行机器人功能，还执行步行功能。机器人可以执行路径规划并且感知外部环境信息。因而移动机器人的研究必须将外部环境信息，动态路径规划和多传感器信息都考虑进去并加以整合。由此可知移动机器人是一个集成了多种功能的综合动态系统。
全向轮是全方位移动机器人运动机构的主要组成部分，机器人可以向各个方向移动。这种运动的关键是驱动轮，它可以控制一般的全向车轮和不可控制的车轮。在保证切向运动的同时保证径向的滑动。由于加工全向车轮的难度和其运动的高平滑性，它在真正的工业应用中并没有广泛使用。但是随着技术的进步，移动机器人在狭小空间的发展使全向移动机器人的应用前景十分广阔。目前，常见的全向轮有麦克纳姆轮、瑞士轮、全方位盘、正交全方位轮等，如图11所示。
图11 几种常见的全向轮
1.2课题研究目的与意义
随着移动机器人的广泛应用，它已成为机器人领域的重要分支。移动机器人的运动方式有轮式（Wheeled）、腿式（Legged）、履带式（Tracked）和蜿蜒式（Serpentine）。其中，轮式是机器人中最早和最广泛使用的运动模式。全向运动是轮式机器人的一种运动形式，允许机器人在平面中实现任何运动方向。许多应用，如军事、危险行动和服务业，预计将自由地向移动平台的预期速度、方向和轨迹移动。通常，车轮，连续切换轮，马赫轮，瑞士轮，四边形轮等实现全向运动。其中，麦克纳姆轮具有较大的承载能力，其车轮悬挂系统结构简单可靠，控制相对简单。因此，它广泛用于工业实际产品中。
全向运动意味着运动系统在平面上具有三个自由度，它们可以同时独立，并在三个方向上正确旋转。在任何方向上移动而不改变姿势的运动特性。全向运动机构克服了传统机构不能横向移动和旋转到位的传统机制的缺点。该机芯灵活，可以在很短的时间内完成各种任务，具有明显优势。工业领域中使用的大负载全向移动平台主要是4个Mecanum轮全向移动平台。随着航空航天器、石化、动力部门组件和辅助产品被开发成更大的尺寸和重量，并且正在开发用于大型工件的过程间转移和组装对接。全方位移动平台可以携带多个麦克纳姆轮，驱动和控制更多负载，这已成为中国的一个新的研究趋势。
1.3国内外研究现状
在移动机器人的运动过程当中，车轮会与地面产生摩擦，因此机器人的运动必然受到某些限制。轮式机器人根据约束类型，可以分为两种，完全约束机器人和非完整约束机器人。非完整约束的意思是受控对象的速度和空间位置会同时受到限制，这种系统就被称作非完整约束系统。而且因为使用传统的非线性和复杂线性控制方法难以很好地控制它们。因此，当前轮式机器人领域的研究热点之一就是非完整约束机器人。而完全约束的意思是受控对象仅有空间位置受到限制，速度并不会受到限制，具有这种完全约束的系统由此被称为完整约束系统。
Key words: omnidirectional wheel; mobile robot; motion analysis and simulation 目 录
第一章 VREP全向移动机器人概述 1
1.1课题研究背景 1
1.2课题研究目的与意义 2
1.3国内外研究现状 2
1.4课题研究的主要内容 3
1.5本章小结 3
第二章 VREP全向轮概述 4
2.1麦克纳姆轮介绍 4
2.2麦克纳姆轮的安装方法 5
2.3麦克纳姆轮底盘的正逆运动学模型 6
2.3.1全向移动平台的构建 6
2.3.2计算单个轮毂轴心位置的速度 8
2.3.3计算辊子的速度 9
2.3.4计算轮子的速度 10
2.4本章小结 12
第三章 全向移动机器人运动分析 13
3.1运动学分析基础 13
3.2全向轮运动分析 13
3.3本章小结 17
第四章 基于VREP的全向移动机器人建模与仿真 18
4.1软件介绍 18
4.2 建模 18
4.3?VREP *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
中的编程语言 22
4.4 Lua编程 23
4.5仿真结果分析 29
4.6本章小结 31
结 论 32
致 谢 33
参考文献 34
第一章 VREP全向移动机器人概述
1.1课题研究背景
VREP是一个基于分布式控制架构的免费且完美的开发环境。同时，您还可以根据用户需求导入相应的solidworks模型，开源机器人仿真平台VREP，其集成开发环境基于分布式控制架构。控制器可以用C/C++、Python、Java、Lua、Matlab等编写。VREP是一个高速算法、工厂自动化仿真、高速模型设计与验证、机器人相关教育、远程监控和安全检查领域。通过各种物理引擎，可以实现运动学正解、碰撞检测、最短路径计算、通信、视觉传感器仿真、路径规划、可视化仿真和丰富的机器人模型库。
现在许多机器人都偏向工业机器人。原始的工业机器人是控制机器人在固定程序中执行相同的操作，但随着市场的需求和技术的发展，同样的机器人已不能满足生产需求。机器人可以在很小的范围内移动，这得益于它们外部传感器的感应行为。人们对生产的需求因人工智能的发展而加快了，智能概念正逐渐被引入机器人的发展。同时，他们有能力判断和处理紧急情况。机器人技术经过3040年的发展，已应用于机械制造、金属加工、模型铸造、电气制造、空间探索、能源开发等领域。
自20世纪60年代以来，焊接，装配和加工等用途的工业机器人已被投入岛生产当中，提高了生产效率并且降低了成本。但随着工业生产技术要求的提高和机器人技术的发展，在某些方向上，机器人在一定的位置可能无法满足现场生产的需要。所以机器人控制不仅执行机器人功能，还执行步行功能。机器人可以执行路径规划并且感知外部环境信息。因而移动机器人的研究必须将外部环境信息，动态路径规划和多传感器信息都考虑进去并加以整合。由此可知移动机器人是一个集成了多种功能的综合动态系统。
全向轮是全方位移动机器人运动机构的主要组成部分，机器人可以向各个方向移动。这种运动的关键是驱动轮，它可以控制一般的全向车轮和不可控制的车轮。在保证切向运动的同时保证径向的滑动。由于加工全向车轮的难度和其运动的高平滑性，它在真正的工业应用中并没有广泛使用。但是随着技术的进步，移动机器人在狭小空间的发展使全向移动机器人的应用前景十分广阔。目前，常见的全向轮有麦克纳姆轮、瑞士轮、全方位盘、正交全方位轮等，如图11所示。
图11 几种常见的全向轮
1.2课题研究目的与意义
随着移动机器人的广泛应用，它已成为机器人领域的重要分支。移动机器人的运动方式有轮式（Wheeled）、腿式（Legged）、履带式（Tracked）和蜿蜒式（Serpentine）。其中，轮式是机器人中最早和最广泛使用的运动模式。全向运动是轮式机器人的一种运动形式，允许机器人在平面中实现任何运动方向。许多应用，如军事、危险行动和服务业，预计将自由地向移动平台的预期速度、方向和轨迹移动。通常，车轮，连续切换轮，马赫轮，瑞士轮，四边形轮等实现全向运动。其中，麦克纳姆轮具有较大的承载能力，其车轮悬挂系统结构简单可靠，控制相对简单。因此，它广泛用于工业实际产品中。
全向运动意味着运动系统在平面上具有三个自由度，它们可以同时独立，并在三个方向上正确旋转。在任何方向上移动而不改变姿势的运动特性。全向运动机构克服了传统机构不能横向移动和旋转到位的传统机制的缺点。该机芯灵活，可以在很短的时间内完成各种任务，具有明显优势。工业领域中使用的大负载全向移动平台主要是4个Mecanum轮全向移动平台。随着航空航天器、石化、动力部门组件和辅助产品被开发成更大的尺寸和重量，并且正在开发用于大型工件的过程间转移和组装对接。全方位移动平台可以携带多个麦克纳姆轮，驱动和控制更多负载，这已成为中国的一个新的研究趋势。
1.3国内外研究现状
在移动机器人的运动过程当中，车轮会与地面产生摩擦，因此机器人的运动必然受到某些限制。轮式机器人根据约束类型，可以分为两种，完全约束机器人和非完整约束机器人。非完整约束的意思是受控对象的速度和空间位置会同时受到限制，这种系统就被称作非完整约束系统。而且因为使用传统的非线性和复杂线性控制方法难以很好地控制它们。因此，当前轮式机器人领域的研究热点之一就是非完整约束机器人。而完全约束的意思是受控对象仅有空间位置受到限制，速度并不会受到限制，具有这种完全约束的系统由此被称为完整约束系统。
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