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理论原理

移动机器人技术漫谈(一):常见车轮

移动机器人的机械构型相对较为简单,就是一个机架上安装移动机构(轮系或履带),移动机构按照设定速度运动,整个机器人就动起来了。可以看出,移动机器人关键的两个部分就是:移动机构和机架的构型。

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发布于 1个月前 阅读:153

       移动机器人的机械构型相对较为简单,就是一个机架上安装移动机构(系或履带)移动机构按照设定速度运动,整个机器人就动起来了。可以看出,移动机器人关键的两个部分就是:移动机构和机架的构型。

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(a)直行轮(主动);(b)直行轮(被动);(c)麦克纳姆轮;(d)全向轮;(e)球轮;(f)万向轮(被动);(g)舵轮

图1   常见的机器人车轮

       为适应不同场景需求,不同类型的轮子被设计出来(如上图所示),共罗列了7种车轮,这里依次介绍:

  • 直行轮 

      直行轮只能沿着轮子外圆切线方向直行运动,不具有转向功能,也不能横移。直行轮既可作为主动轮使用,也可作为被动轮使用。 作为主动轮时,直行轮的轮轴与电机轴或减速器输出轴相连接;作为被动轮时,直行轮的轮轴是与轮架连接,没有电机驱动。

  • 麦克纳姆轮

       麦克纳姆轮外形炫酷,是由轮毂和外围系列辊子组成,实际运动是由轮毂转动和辊子转动两部分运动合成的。麦克纳姆轮的外围辊子之间存在间隙,因此麦轮运动过程中会存在轻微的震荡,且对运动连续性也有影响。麦轮的负载能力也较弱,是因为整个机器人重量会“压”在辊子轴上,辊子轴直径很小,所以能够承受的重量也是较小的。 麦轮的构型和工艺较其他轮子更复杂,且辊子易磨损,因此成本也更高。麦轮的运动是依赖于辊子的运动的,假如麦轮在室外非结构化场景(泥土、杂草)中运动,辊子容易被杂物卡住而无法被动转动,因此麦轮主要被应用于结构化地面,如水泥地面等。 将多个麦轮按照一定规律排列组合,并按照一定规律运动,就可以达到全向移动的效果,适用于室内狭窄场景。

  • 全向轮

       全向轮与麦克纳姆轮是一对“同分异构体”,全向轮的辊子轴线与轮毂轴线夹角为90度,而麦轮是45度,因此麦轮存在问题,全向轮也有,从而导致两者的应用场景也是比较接近的。

  • 球轮

       球轮的运动依赖于嵌入在轮壳内的滚球,滚球是标准球体,可朝向任意方向滚动,实现“万向”的效果。TurtleBot3机器人的前面两个轮子就是采用的球轮。采用球轮可以尽可能压低机器人底盘,但缺点是球轮接地面积小,易导致滚球磨损,所以承载能力有限。

  • 万向轮

       万向轮生活中比较常见,常被用于超市购物车、婴儿车的两个后轮。万向轮的两条轴线之间存在一定距离,可实现万向轮转向时需要先完成转向,再继续滚动的动作,且对滚轮的运动方向具有一定的导向调整作用,削弱了两个自由度冲突程度。制造万向轮的材料有多种,最普遍的材料是:尼龙,聚氨酯,橡胶,铸铁等材料。

  • 舵轮

       舵轮是有两个自由度,且可以主动控制,即可直线运动,又可转向。 舵轮也常被应用于室内机器人,通过多个舵轮组合运动,可实现全向运动。

       近年来,轮毂电机在移动机器人上获得了较广泛的应用。轮毂电机是一种机电一体部件,它将驱动电机、传动装置、制动装置、检测装置都整合到直行轮轮毂内,使车轮的机械部分得以极大简化,有利于移动机器人实现简单化和轻量化。

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他很懒,什么都没有留下~