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理论原理

移动机器人技术漫谈(二):移动装置构型

将不同种类和不同数量的车轮(或履带)进行排列组合,就形成了各种构型的移动机器人。

admin

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发布于 4个月前 阅读:591

       将不同种类和不同数量的车轮(或履带)进行排列组合,就形成了各种构型的移动机器人。下图共列出了7种常见的移动机器人类型。

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(a)双轮差速式机器人,(b)阿克曼式机器人,(c)四轮驱动机器人,(d)双履带式机器人,(e)麦克纳姆轮全向机器人,(f)全向轮全向机器人,(g)四轮驱动四轮转向机器人

图1   移动机器人常见构型

  • 双轮差速式机器人

       双轮差速式机器人的两个动力轮设置在底盘左右两侧,两轮速度可独立控制,通过给定不同速度实现底盘的直线和转向控制。为保持平衡,底盘一般会配有一到两个辅助支撑的万向轮,从而形成三轮或四轮的轮系结构。

  • 阿克曼式机器人

       阿克曼式机器人为四轮式,它的原理与汽车相似,由两后轮作为驱动轮提供动力,由两前轮作为转向轮控制方向,且两前轮的转角通过阿克曼转向机构关联。由于采用了与汽车相似的构造,阿克曼式机器人操纵性与汽车类似。

  • 四轮驱动机器人

       四轮驱动机器人的四个直行轮大小相同、独立驱动且前后、左右对称布置,依靠左右侧直行轮的速度差实现转向。在转弯过程中,四轮驱动机器人是靠滑动摩擦实现的,因此会对直行轮及地面造成一定的磨损。因为存在严重的滑移情况,四轮驱动机器人难以精确控制。

  • 双履带式机器人

       双履带式机器人底盘左右两侧各配置一套履带移动机构。每套履带移动机构由轮系、悬挂系统和履带组成。轮系包含若干驱动轮、支重轮、导向轮、托带轮;悬挂系统一般采用克里斯蒂悬挂,以保障越障性能良好;履带一般由强度高、重量轻、模量高、无收缩的复合材料制成。双履带式机器人的越障性能优良,在室外复杂环境中有较多应用。

  • 全向移动机器人

       这类机器人相对比较特殊,车轮采用了麦克纳姆轮或全向轮,按照一定的规律控制车轮转动,则可以实现前、后、左、右四个方向的全向移动,比起非全向移动机器人,其灵活性更好,能够在狭窄的区域运动。但由于受到麦克纳姆轮或全向轮的限制,该类机器人的承载能力不大。另外,全向移动机器人的各个车轮产生的力会相互抵消一部分,因此同样转矩产生的净推力效率较低,综合效率不如差速式机器人。

  • 四轮驱动四轮转向机器人

       四轮驱动四轮转向机器人(4WD-4WS)相当于有8个电机在控制其运动,可轻松实现机器人的全向运动,具有机构简单、行动灵活、效率高等特点,在室外非结构化场景下具有较强的自适应能力。然而,随着电机数量的增加,对控制的精确性、同步性提出了更高的要求,在一定程度上加大了控制难度。

       除了以上常见构型外,还有许多非常见构型,例如:两前轮采用全向轮,两后轮采用直行轮的构型。

表1  常见移动机器人构型的应用场景及主要性能对比

移动机器人构型

应用场景

机动性

承载性

越障性

轮差速

室内、中载

四轮驱动

室外、中载

向式

室内/室外、中载


阿克曼式

室内/室外、中载


全向(麦轮/全向轮)室内、轻载
履带式室外、重载

       移动机器人的不同构型,会带来性能上的差异,而性能上的差异又决定了其适用的场景。为了满足某一特定场景的现实需求,在移动机器人构型的优选上,需要从它的稳定性、承载性、机动性、操纵性、越障性、通过性、耐久性等多个维度加以综合考虑。

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他很懒,什么都没有留下~