輪式引導(dǎo)機(jī)器人的輪子設(shè)計方案：四種輪子類型

迄今為止，輪子一般是移動機(jī)器人學(xué)和人造車輛中Z流行的運(yùn)動機(jī)構(gòu)。它可達(dá) 到很高的效率，如圖2.3所示，而且用比較簡單的機(jī)械就可實現(xiàn)它的制作。 另外，在輪式機(jī)器人設(shè)計中，平衡通常不是一個研究問題。因為在所有時間里， 輪式機(jī)器人一般都被設(shè)計成所有輪子均與地接觸。因而，3個輪子就足以保證穩(wěn)定 平衡。雖然我們將在下面看到，兩輪機(jī)器人也可以穩(wěn)定。如果使用的輪子多于3個， 當(dāng)機(jī)器人碰到崎嶇不平的地形時，就需要一個懸掛系統(tǒng)以容許所有輪子都保持與地 接 觸 。

輪式機(jī)器人研究不是憂慮平衡，而是傾向于把重點(diǎn)放在牽引、穩(wěn)定性、機(jī)動性及 控制問題：為覆蓋所有期望的地形，機(jī)器人的輪子能否提供足夠的牽引力和穩(wěn)定性? 機(jī)器人的輪子結(jié)構(gòu)能對機(jī)器人的速度進(jìn)行充分控制嗎?

當(dāng)我們考慮移動機(jī)器人運(yùn)動的可能技術(shù)時，可能的輪子結(jié)構(gòu)有 很大的空間。因為有很多數(shù)目不同的輪子類型，各有其特定的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，故我們從 詳細(xì)討論輪子開始，然后來檢驗為移動機(jī)器人傳送特定運(yùn)動形式的完整的輪子構(gòu)造。

有四種主要的輪子類型，如圖2.25所示。在運(yùn)動學(xué)方面，它們差別很大。因此 輪子類型的選擇對移動機(jī)器人的整個運(yùn)動學(xué)有很大的影響。標(biāo)準(zhǔn)輪和小腳輪有一個 旋轉(zhuǎn)主軸，因而是高度有向的。在不同的方向運(yùn)動，需要先沿著垂直軸操縱輪子。 這兩種輪的主要差別在于標(biāo)準(zhǔn)輪可以完成操縱而無副作用，因為旋轉(zhuǎn)中心經(jīng)過接觸 片著地；而小腳輪繞偏心軸旋轉(zhuǎn)，在操縱期間會引起一個力，加到機(jī)器人的底盤。

瑞典輪和球形輪二者的設(shè)計比傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)輪受方向性的約束少一些。瑞典輪的 功能與標(biāo)準(zhǔn)輪一樣，但它在另一方向產(chǎn)生低的阻力，它有時垂直于常規(guī)方向，如瑞典 90°輪；有時在中間角度，如瑞典45°輪。裝在輪子周圍的輥?zhàn)邮菬o源的，輪的主軸用 作W一主動地產(chǎn)生動力的連接。這個設(shè)計的主要優(yōu)點(diǎn)在于：雖然僅沿主軸給輪子旋轉(zhuǎn)提供動力(通過輪軸),輪子以很小的摩擦，可以沿許多可能的軌跡按運(yùn)動學(xué)原理移 動，而不僅僅是向前或者向后。

球形輪是一種真正的全向輪，經(jīng)常被設(shè)計成可以沿任何方向主動地受動力而旋 轉(zhuǎn)。實現(xiàn)這種球形構(gòu)造的一種機(jī)構(gòu)模仿了計算機(jī)鼠標(biāo)，備有主動提供動力的輥?zhàn)�，這 些輥?zhàn)影仓迷谇虻腄部表面，并給予旋轉(zhuǎn)的力。

無論用什么輪，在為所有地形環(huán)境設(shè)計的機(jī)器人和具有3個以上輪子的機(jī)器人 中，正常情況下需要一個懸掛系統(tǒng)以保持輪子與地面的接觸。 一種Z簡單的懸掛方 法是輪子本身設(shè)計成柔性的。例如，在某些使用小腳輪的四輪室內(nèi)機(jī)器人情況下，制 造廠家已經(jīng)把軟橡膠的可變形輪胎用在輪上，制作一個主懸掛體。當(dāng)然，這種有限的 解決方案不能與應(yīng)用中錯綜復(fù)雜的懸掛系統(tǒng)相比擬。在應(yīng)用中，對明顯的非平坦地 形，機(jī)器人需要更動態(tài)的懸掛系統(tǒng)。