輪式引導機器人的輪子設計方案：四種輪子類型

迄今為止，輪子一般是移動機器人學和人造車輛中Z流行的運動機構。它可達 到很高的效率，如圖2.3所示，而且用比較簡單的機械就可實現(xiàn)它的制作。 另外，在輪式機器人設計中，平衡通常不是一個研究問題。因為在所有時間里， 輪式機器人一般都被設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，兩輪機器人也可以穩(wěn)定。如果使用的輪子多于3個， 當機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 。

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

當我們考慮移動機器人運動的可能技術時，可能的輪子結構有 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)點和缺點，故我們從 詳細討論輪子開始，然后來檢驗為移動機器人傳送特定運動形式的完整的輪子構造。

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

瑞典輪和球形輪二者的設計比傳統(tǒng)的標準輪受方向性的約束少一些。瑞典輪的 功能與標準輪一樣，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。裝在輪子周圍的輥子是無源的，輪的主軸用 作W一主動地產(chǎn)生動力的連接。這個設計的主要優(yōu)點在于：雖然僅沿主軸給輪子旋轉提供動力(通過輪軸),輪子以很小的摩擦，可以沿許多可能的軌跡按運動學原理移 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)常被設計成可以沿任何方向主動地受動力而旋 轉。實現(xiàn)這種球形構造的一種機構模仿了計算機鼠標，備有主動提供動力的輥子，這 些輥子安置在球的D部表面，并給予旋轉的力。

無論用什么輪，在為所有地形環(huán)境設計的機器人和具有3個以上輪子的機器人 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 法是輪子本身設計成柔性的。例如，在某些使用小腳輪的四輪室內(nèi)機器人情況下，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。當然，這種有限的 解決方案不能與應用中錯綜復雜的懸掛系統(tǒng)相比擬。在應用中，對明顯的非平坦地 形，機器人需要更動態(tài)的懸掛系統(tǒng)。