麦克纳姆安装及计算

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1、麦克纳姆轮浅谈什么是麦克纳姆轮在竞赛机器人和特殊工种机器人中，全向移动经常是一个必需的功能。「全向移动」意味着可以在平面内做出任意方向平移同时自转的动作。为了实现全向移动，一般机器人会使用「全向轮」（OmniWheel）或「麦克纳姆轮」（MecanumWheel）这两种特殊轮子。全向轮：麦克纳姆轮全向轮与麦克纳姆轮的共同点在于他们都由两大部分组成：轮毂和辊子（roller）。轮毂是整个轮子的主体支架，辊子则是安装在轮毂上的鼓状物。全向轮的轮毂轴与辊子转轴相互垂直，而麦克纳姆轮的轮毂轴与辊子转轴呈4

2、5°角。理论上，这个夹角可以是任意值，根据不同的夹角可以制作出不同的轮子，但最常用的还是这两种。全向轮与麦克纳姆轮（以下简称「麦轮」）在结构、力学特性、运动学特性上都有差异，其本质原因是轮毂轴与辊子转轴的角度不同。经过分析，二者的运动学和力学特性区别可以通过以下表格来体现。计算过程如下，供参考，学霸可点开大图验算：近年来，麦轮的应用逐渐增多，特别是在Robocon、FRC等机器人赛事上。这是因为麦克纳姆轮可以像传统轮子一样，安装在相互平行的轴上。而若想使用全向轮完成类似的功能，几个轮毂轴之间的角度

3、就必须是60°，90°或120°等角度，这样的角度生产和制造起来比较麻烦。所以许多工业全向移动平台都是使用麦克纳姆轮而不是全向轮，比如这个国产的叉车： 全向移动平台麦克纳姆轮叉车美科斯叉车另外一个原因，可能是麦轮的造型比全向轮要酷炫得多，看起来有一种不明觉厉的感觉……的确，第一次看到麦轮运转起来，不少人都会惊叹。以下视频直观地说明了麦轮底盘在平移和旋转时的轮子旋转方向。麦轮的安装方法麦轮一般是四个一组使用，两个左旋轮，两个右旋轮。左旋轮和右旋轮呈手性对称，区别如下图。安装方式有多种，主要分为：X-

4、正方形（X-square）、X-长方形（X-rectangle）、O-正方形（O-square）、O-长方形（O-rectangle）。其中X和O表示的是与四个轮子地面接触的辊子所形成的图形；正方形与长方形指的是四个轮子与地面接触点所围成的形状。·X-正方形：轮子转动产生的力矩会经过同一个点，所以yaw轴无法主动旋转，也无法主动保持yaw轴的角度。一般几乎不会使用这种安装方式。·X-长方形：轮子转动可以产生yaw轴转动力矩，但转动力矩的力臂一般会比较短。这种安装方式也不多见。·O-正方形：四个轮子

5、位于正方形的四个顶点，平移和旋转都没有任何问题。受限于机器人底盘的形状、尺寸等因素，这种安装方式虽然理想，但可遇而不可求。·O-长方形：轮子转动可以产生yaw轴转动力矩，而且转动力矩的力臂也比较长。是最常见的安装方式。麦轮底盘的正逆运动学模型以O-长方形的安装方式为例，四个轮子的着地点形成一个矩形。正运动学模型（forwardkinematicmodel）将得到一系列公式，让我们可以通过四个轮子的速度，计算出底盘的运动状态；而逆运动学模型（inversekinematicmodel）得到的公式则是

6、可以根据底盘的运动状态解算出四个轮子的速度。需要注意的是，底盘的运动可以用三个独立变量来描述：X轴平动、Y轴平动、yaw轴自转；而四个麦轮的速度也是由四个独立的电机提供的。所以四个麦轮的合理速度是存在某种约束关系的，逆运动学可以得到唯一解，而正运动学中不符合这个约束关系的方程将无解。先试图构建逆运动学模型，由于麦轮底盘的数学模型比较复杂，我们在此分四步进行：①将底盘的运动分解为三个独立变量来描述；②根据第一步的结果，计算出每个轮子轴心位置的速度；③根据第二步的结果，计算出每个轮子与地面接触的辊子的

7、速度；④根据第三部的结果，计算出轮子的真实转速。一、底盘运动的分解我们知道，刚体在平面内的运动可以分解为三个独立分量：X轴平动、Y轴平动、yaw轴自转。如下图所示，底盘的运动也可以分解为三个量： 表示X轴运动的速度，即左右方向，定义向右为正； 表示Y轴运动的速度，即前后方向，定义向前为正； 表示yaw轴自转的角速度，定义逆时针为正。以上三个量一般都视为四个轮子的几何中心（矩形的对角线交点）的速度。二、计算出轮子轴心位置的速度定义： 为从几何中心指向轮子轴心的矢量； 为轮子轴心的运动速度矢量； 为轮

8、子轴心沿垂直于  的方向（即切线方向）的速度分量；那么可以计算出：分别计算X、Y轴的分量为：同理可以算出其他三个轮子轴心的速度。三、计算辊子的速度根据轮子轴心的速度，可以分解出沿辊子方向的速度  和垂直于辊子方向的速度  。其中 是可以无视的（思考题：为什么垂直方向的速度可以无视？），而其中  是沿辊子方向的单位矢量。四、计算轮子的速度从辊子速度到轮子转速的计算比较简单：以上方程组就是O-长方形麦轮底盘的逆运动学模型，而正运动学模型可以直接根据逆运动学模型中的三个方程解出来，此处不