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編號 畢業(yè)設(shè)計 論文 外文翻譯 譯文 學 院 機電工程學院 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 學生姓名 學 號 指導教師單位 姓 名 職 稱 2 運動 2 1 介紹 移動機器人需要運動的機制 使其能夠在其整個環(huán)境中移動無限 但也有大量的 各種可能的方式移動 因此機器人的方式來運動的選擇是移動機器人設(shè)計的一個重要 方面 在實驗室中 有研究機器人 可以行走 跳躍 奔跑 滑板 滑冰 游泳 飛 行 滾動 大多數(shù)這些運動機制已經(jīng)啟發(fā)其生物同行 見圖 2 1 然而 一個例外 積極動力的車輪是人類發(fā)明的實現(xiàn)了在平地上極高的效率 這 種機制并不完全外來生物系統(tǒng) 我們的雙足行走系統(tǒng)可以通過滾動多邊形來近似 以 邊長度等于在步驟 圖 2 2 的跨度 作為工序尺寸減小 多邊形接近圓或車輪 但是 自然沒有發(fā)展一個完全旋轉(zhuǎn) 積極動力關(guān)節(jié) 這是必要的輪式運動的技術(shù) 生物系統(tǒng)通過各種惡劣環(huán)境下的移動成功 因此它可以是理想的復制自己的運動 的機制選擇 然而 在這方面 復制性質(zhì)是有幾個原因非常困難 首先 機械復雜性 是很容易在生物系統(tǒng)中 通過結(jié)構(gòu)的復制來實現(xiàn) 細胞分裂 與專業(yè)化相結(jié)合 可以 很容易地生產(chǎn)出幾百腿和數(shù)萬獨立感應纖毛的千足蟲 在人造結(jié)構(gòu)中 每個部分必須 單獨制造 并且這樣規(guī)模的沒有這樣的經(jīng)濟存在 此外 細胞是微觀構(gòu)建塊 使極端 小型化 具有非常小的尺寸和重量 昆蟲實現(xiàn)魯棒性的水平 我們還沒有能夠以配合 人的制造技術(shù) 最后 生物能量存儲系統(tǒng)和大型動物和昆蟲所使用的肌肉和液壓激活 系統(tǒng)實現(xiàn)扭矩 響應時間 并遠遠超過類似縮放人造系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率 運動類型 阻力運動 運動的基本運動學 流入頻道 流體運動 渦流 爬行 摩擦力 縱向振動 滑動 摩擦力 橫向振動 奔跑 動能的損失 振動性多連桿的運動擺動 跳躍 動能的損失 振動性多連桿的運動擺動 行走 引力 多邊形的滾動 見圖 2 2 圖 2 1 在生物系統(tǒng)中使用的運動的機制 由于這些限制 移動機器人通常使用輪式機制 一個公知的人類技術(shù)用于車輛 或者使用少量的關(guān)節(jié)的腿 最簡單的生物途徑運動 見圖 2 2 圖 2 2 人行走 在一般情況下 腿式移動需要更高的自由度 并因此更大機械復雜性比輪式運動 車輪 除了是簡單的 是極其適合最平坦的地面 如圖 2 3 描繪 在平坦的表面輪式 運動是要比腿式移動更有效的一到兩個數(shù)量級 這條鐵路是理想專為輪式運動 因為 滾動摩擦最小化的硬和扁鋼的表面 但隨著表面變得柔軟 輪式運動積累 由于滾動 摩擦的低效率而腿患有運動少得多 因為它僅由與地面點接觸 這表現(xiàn)在圖 2 3 效率 在軟土地基于輪胎的情況下是很大的消耗 圖 2 3 具體功率與各種運動機制實現(xiàn)的速度 圖 2 4 混合輪腿車輛崎嶇地形 實際上 輪式運動的效率在很大程度上取決于環(huán)境質(zhì)量 尤其是平面度和地面的 硬度 同時腿式移動的效率取決于腿部質(zhì)量和體重 這兩者的機器人必須在一個不同 點支持足步態(tài) 這是可以理解的 自然有利于腿運動 因為在自然界運動系統(tǒng)必須在 粗糙化和非結(jié)構(gòu)化的地形操作 例如 在昆蟲在森林的情況下在地面高度的垂直變化 常常是數(shù)量級比昆蟲的總高度大一個數(shù)量級 由于同樣的原因 人的環(huán)境 往往由工 程改造 光滑的表面 在室內(nèi)和室外 因此 這也是可以理解的 幾乎移動機器人的 所有工業(yè)應用中使用某種形式的輪式運動的 最近 更自然的室外環(huán)境中 出現(xiàn)了對 混合動力和腿的工業(yè)機器人的一些進展 如在圖 2 4 所示的林業(yè)機器人 在第 2 1 1 節(jié)中 我們提出了涉及所有形式的移動機器人運動的一般考慮 在此之后 在部分 2 2 和 2 3 中 我們提出腿式移動并移動機器人輪式運動技術(shù)的概述 2 1 1 運動的主要問題 運動是操縱的補碼 在操作中 機器人臂是固定的 但在工作區(qū)中通過賦予力以 將它們移動物體 在運動中 環(huán)境是固定的 所述機器人通過賦予力對環(huán)境移動 在 這兩種情況下 科學依據(jù)是 產(chǎn)生相互作用力實現(xiàn)所需的運動學和動態(tài)特性執(zhí)行機構(gòu) 和機制的研究 運動和操縱從而分享穩(wěn)定 接觸特性和環(huán)保型相同的核心問題 穩(wěn)定性 數(shù)量和接觸點幾何 重心 靜態(tài) 動態(tài)穩(wěn)定 地形傾斜 聯(lián)系的特點 接觸點 通道的大小和形狀 接觸角 摩擦 環(huán)境類型 結(jié)構(gòu)體 介質(zhì) 例如水 空氣 軟或硬地面 運動的理論分析 首先是機械與物理研究所 從這個出發(fā)點 我們就可以正式定 義和分析移動機器人運動系統(tǒng)的所有方式 然而 這本書的重點是移動機器人的導航 問題 特別是強調(diào)感知 定位和認知 因此 我們不會深入到運動的物理基礎(chǔ) 然而 在這一章的腿運動 33 和輪式運動問題概述目前剩下的兩個部分 然后 第 3 章介紹 運動學和輪式移動機器人的控制的更詳細的分析 2 2 腿移動機器人 腿式移動的特征在于一系列機器人和地面之間點接觸 關(guān)鍵優(yōu)勢包括在崎嶇地形 的適應性和可操作性 因為只有一組點接觸是必需的 這些點之間的接地的質(zhì)量并不 重要 只要該機器人能維持足夠的離地間隙 此外 行走機器人能夠跨過一個孔或中 斷區(qū) 只要其范圍超過孔的寬度 腿式移動的最后一個優(yōu)點是操縱在環(huán)境中的對象以 高超的技巧的潛力 一個很好的例子蟲 甲蟲 能夠滾動球 腿式移動的主要缺點包括電力和機械復雜性 腿 其可包括若干個自由度 必須 能承受機器人的總重量的一部分 并且在許多的機器人必須能夠升降的機器人 此外 高機動性將僅在腿有足夠數(shù)量的自由度 以賦予力在許多不同的方向來實現(xiàn) 圖 2 5 各種動物的腿的布置 2 2 1 腿配置和穩(wěn)定性 由于腿的機器人仿生 這是有益的生物研究成功腿系統(tǒng) 許多不同的腿配置已經(jīng) 成功應用在多種生物體 圖 2 5 大型動物 如哺乳動物和爬行動物 有四條腿 而 昆蟲有六個或更多個腿 在一些哺乳動物 走在只有兩條腿的能力已經(jīng)完善 特別是 在人類的情況下 平衡已經(jīng)進展到 我們甚至可以用一條腿 1 跳點 這個特殊的可操 作性是有代價的 更加復雜的主動控制 以保持平衡 與此相反 用三條腿的生物可呈現(xiàn)姿勢提供了一種靜態(tài)的 穩(wěn)定的 它可以確保 其重心是地面接觸的三腳架之內(nèi) 靜態(tài)穩(wěn)定性 由一個三條腿的凳子證明 這意味著 保持平衡 無需運動 從穩(wěn)定性 例如 輕輕推凳 小偏差被動地朝著穩(wěn)定的姿勢時 鐓粗力停止修正 但一個機器人必須能夠舉起它的腿實現(xiàn)行走 為了實現(xiàn)靜態(tài)行走 機器人必須至 少有六條腿 在這樣的結(jié)構(gòu) 有可能設(shè)計一個步態(tài) 其中腿的靜態(tài)穩(wěn)定三角架是在任 何時候 圖 2 8 與地面接觸 昆蟲和蜘蛛都能夠立即出生的時候走路 對于他們來說 問題行走過程中的平衡 也比較簡單 哺乳動物 有四條腿 無法實現(xiàn)靜態(tài)走路 但能夠在四條腿站立容易 例如 花幾分鐘的時間試圖站在他們能夠做到這一點之前 再花幾個多分鐘的學習而 不墜走路 人類 用兩條腿走路 甚至不能站在一個地方靜態(tài)穩(wěn)定性 嬰兒需要幾個 月站立和行走 甚至更長的時間來學習跳 跑 并單腿站立 圖 2 6 腿與三個自由度的兩個例子 這里也有各個腿的復雜花樣繁多的潛力 再次 生物世界提供了兩個極端的例子 例如 在履帶的情況下 每條腿用液壓由收縮的體腔并迫使在壓力上升延伸 每個腿 由減輕的油壓 然后激活單個拉伸肌肉 拉縱向縮回腿朝向身體 每個腿具有唯一的 自由 其沿著腿縱向定向的單個程度 向前運動取決于在體內(nèi) 延伸對腿之間的距離 的油壓 毛毛蟲的腿因此機械很簡單 用外在肌肉的最小數(shù)量來實現(xiàn)復雜的整體運動 在另一個極端 人腿具有多于七個主要自由度 與腳趾進一步致動相結(jié)合 超過 十五肌肉組織驅(qū)動 8 復雜的關(guān)節(jié) 在腿式移動機器人的情況下 最低的兩個自由度通常是由抬起腿向前擺動它向前 移動腿必需的 更常見的是在加入更多的復雜機動第三自由度 造成腿諸如圖 2 6 中 所示的 在創(chuàng)建雙足行走機器人最近取得的成功已在踝關(guān)節(jié)更多自由的第四個自由度 腳踝使得通過致動腳的鞋底的姿勢更一致的地面接觸 在一般情況下 加入自由度的機器人腿增加了機器人的可操作性 既充實的地形 上 它可以行駛的范圍 所述機器人具有多種步態(tài)的行進的能力 附加關(guān)節(jié)和執(zhí)行器 的主要缺點 當然是 能量 控制和質(zhì)量 額外執(zhí)行機構(gòu)需要能量和控制 并且它們 也增加了腿質(zhì)量 進一步增加了對現(xiàn)有執(zhí)行機構(gòu)的功率和負荷的要求 圖 2 7 二步法有四條腿 由于這種機器人有少于六條腿 靜態(tài)走路一般是不可能 在機器人移動的情況下 存在對運動腿協(xié)調(diào) 或步態(tài)控制的問題 步態(tài)的數(shù)量可 能取決于腿的數(shù)目 腿式移動機器人 可能發(fā)生的事件的一個步行機的總數(shù)為 一個兩足步行器腿 可能發(fā)生的事件的數(shù)量 是2 kN 六個不同的事件是 1 抬起右腿 2 抬起左腿 3 釋放右腿 4 釋放左腿 5 抬起雙腿在一起 6 釋放雙腿在一起 當然 這種快速增長相當大 例如 具有六個腿機器人具有更 步態(tài)理論上 圖 2 7 和 2 8 描繪幾個四條腿的步態(tài)和靜態(tài)六條腿的三角步態(tài) 2 2 2 腿機器人運動的例子 目前雖然沒有大批量工業(yè)應用 但腿式移動是長期研究的重要領(lǐng)域 一些有趣的 設(shè)計介紹如下 以獨腿機器人開始和六條腿的機器人完成 對于登山和步行機器人的 一個很好的概述 請參閱 http www uwe ac uk clawar 2 2 2 1 一條腿 腿式機器人可具有腿的最小數(shù)目 最小化腿的數(shù)目為幾個原因是有益的 體重是 尤為重要 行走機器 單腿減少腿部累積的質(zhì)量 當機器人具有多個腿腿協(xié)調(diào)是必需 的 但有一個腿不需要這種協(xié)調(diào) 或許最重要的是 一腿式機器人最大化腿式移動的 基本優(yōu)點 腿有代替整個軌道的與地面接觸的單點 單足機器人只需要一個觸點 使 它適合于最惡劣的地形 此外 跳躍機器人可以動態(tài)地穿過缺口比通過采取運行開始 它的步幅較大 而步行機器人由于其覆蓋面大不能運行僅限于交叉差距 創(chuàng)建一個單一的腿機器人的主要挑戰(zhàn)是平衡 用于與一個機器人腿 靜態(tài)走路不 僅是不可能的 但是靜態(tài)穩(wěn)定靜止時也不可能 機器人必須由改變其重心或通過賦予 矯正力主動均衡本身 因此 成功的單腿式機器人必須是動態(tài)穩(wěn)定 圖 2 8 靜態(tài)行走六腿 圖 2 9 示出了 Raibert 料斗 28 124 中 最廣為人知的單一腿跳躍機器人 該機 器人通過相對于所述主體調(diào)整腿角度使得連續(xù)修正車體姿態(tài)和機器人速度 驅(qū)動是液 壓 包括姿態(tài)中的腿的高功率縱向延伸到跳回到空氣中 雖然強大 這些致動器需要 大 離板液壓泵在任何時候都可以連接到機器人 圖 2 10 示出了最近 46 開發(fā)了一種更節(jié)能的設(shè)計 代替通過一個非車載液壓泵 裝置供給電力的 弓腿料斗是設(shè)計為捕獲所述機器人的動能作為它的土地 使用高效 的弓形彈簧腿 此彈簧返回的能量的大約 85 這意味著穩(wěn)定跳頻僅需要在每一跳中 加入所需的能量的 15 這種機器人 它是由一個懸臂沿一個軸的限制 已經(jīng)證明連 續(xù)跳頻用于使用一組在船上承載的機器人電池 20 分鐘 作為與 Raibert 料斗 弓腿料 斗控制通過在髖關(guān)節(jié)改變腿的角度 身體的速度 圖 2 9 Raibert 料斗 28 124 圖 2 10 二維單弓腿斗 圖 2 11 索尼 SDR 4X II 機器人 林格羅塞的論證力學中非常重要的兩重性和適用于單足跳機的控制 經(jīng)常巧妙的 機械設(shè)計可以作為復雜的有源控制電路執(zhí)行相同的操作 在該機器人中 腳的物理形 狀是完全正確的曲線 這樣 當沒有被完全垂直的機器人的土地中 從沖擊提供適當 的矯正力 使機器人由下一個著陸垂直 該機器人是動態(tài)穩(wěn)定的 并且還被動 校正 由機器人及其環(huán)境之間的物理相互作用提供 沒有計算機或在循環(huán)中的任何主動控制 2 2 2 2 兩條腿 雙足 在過去的十年各種成功的雙足機器人已被證明 兩足機器人已經(jīng)被證明跑 跳 行走上下樓梯 甚至做空中技巧 如翻跟頭 在商業(yè)領(lǐng)域 本田和索尼公司都取得了 那些啟用了精干的雙足機器人在過去十年顯著的進步 兩家公司設(shè)計的小型 供電接 頭是實現(xiàn)電力 重量性能聞所未聞的 在市售的伺服電機 這些新的 智能 舵機采 用力矩傳感和閉環(huán)控制方式不僅提供了強有力的激勵 也兼容驅(qū)動 圖 2 12 日本的人形機器人 P2 索尼夢機器人 型號 SDR 4X II 見圖 2 11 該電流模式是在 1997 年開始與移動 娛樂和通信娛樂 即 跳舞和唱歌 的基本目標研究的結(jié)果 這種機器人 38 自由度有 七個麥克風聲音的精細定位 基于圖像人識別 板上微型立體聲深度圖重建 和有限 的語音識別 給的流體和娛樂運動的目標 索尼花了考慮 能夠努力設(shè)計一個運動原 型應用系統(tǒng) 以使他們的工程師編寫腳本以直接的方式跳舞 注意 SDR 4X II 是比較 小的 站立高度 58 厘米 體重只有 6 5 公斤 本田人形項目有顯著的歷史 但同樣 先后攻克了很動的重要的工程挑戰(zhàn) 圖 2 12 示出了模型的 P2 這是一個前任到最近的 Asimo 機器人模型 創(chuàng)新先進步流動性 從這張照片的本田人形比大得多注意 SDR 4X 在 120 厘米高和重 52 公斤 這使得在 樓梯和暗礁的人類世界的實際流動性 同時保持一個沒有威脅的大小和姿勢 也許第 一次機器人展示著名仿生雙足爬樓梯降 這些人形本田系列機器人被設(shè)計不是為了娛 樂的目的 但在整個社會中的人類輔助工具 本田指 例如 以阿西莫的高度為最小 高度使其能夠仍然管理人類世界的操作中 例如 光開關(guān)的控制 圖 2 13 人形機器人 WABIAN R III 雙足機器人的一個重要特征是它們的擬人化的形狀 它們可建為具有相同的近似 尺寸為人類 這使得它們優(yōu)良的車輛在人機交互研究 WABIAN 是在早稻田大學日 本 圖 2 13 建為這樣的研究 75 的機器人 WABIAN 旨在模擬人體運動 而且甚至 還設(shè)計跳舞像一個人 雙足機器人只能在一定的限度之內(nèi)靜態(tài)穩(wěn)定 因此機器人 如 P2 和一般 WABIAN 必須即使進行連續(xù)的平衡校正伺服 此外 每條腿必須有足夠的容量來支持 的全部重量的機器人 在四足機器人的情況下 平衡的問題是伴隨著促進各腿的負載 要求 一個雙足機器人的一個優(yōu)雅的設(shè)計是麻省理工學院 圖 2 14 的春季火烈鳥 這個機器人插入彈簧串聯(lián)腿執(zhí)行器實現(xiàn)了更有彈性的步態(tài) 與限制膝關(guān)節(jié)角度 膝蓋 相結(jié)合 實現(xiàn)了火烈鳥仿生出奇運動 2 2 2 3 四條腿 四足動物 圖 2 14 麻省理工學院火烈鳥 雖然仍站在四條腿是被動的穩(wěn)定 走路仍然具有挑戰(zhàn)性因為要保持穩(wěn)定重心機器 人的中心必須步態(tài)過程中積極轉(zhuǎn)變 索尼公司最近投資數(shù)百萬美元開發(fā)了一個名為 AIBO 圖 2 15 四條腿的機器人 為了創(chuàng)建這種機器人 索尼產(chǎn)生兩個新的機器人 操作系統(tǒng)是近實時和新齒輪伺服電動機是足夠高的轉(zhuǎn)矩 以支持該機器人中 用于安 全尚未回驅(qū)動 除了開發(fā)定制的電機和軟件 索尼成立的彩色視覺系統(tǒng) 使 AIBO 追逐 光亮的彩球 該機器人能夠需要再充電之前為最多一小時運行 機器人的早期銷售一 直非常強勁 第一年銷量超過 60000 臺 然而 電機的數(shù)量 這種機器狗背后的技術(shù) 投資產(chǎn)生了非常高的價格大約為 1500 四足機器人在作為有效的有潛力研究對象進行人類與機器人互動 圖 2 16 人類 可以治療索尼機器人 例如 作為寵物 并可能發(fā)展人與狗之間類似情緒的關(guān)系 此 外 索尼 AIBO 設(shè)計的行走方式和一般的行為模仿學習和成熟 從而隨著時間的推移是 誰可以跟蹤變化的行為 車主更有趣的動態(tài)行為 作為高能量儲存和馬達技術(shù)所面臨 的挑戰(zhàn)是解決了 它很可能是四足機器人比 AIBO 更有能力在很大程度上將整個人類環(huán) 境變得很普遍 2 2 2 4 六條腿 昆蟲 六足結(jié)構(gòu)已經(jīng)在移動機器人非常流行 因為步行期間它們的靜態(tài)穩(wěn)定性 從而降 低了控制的復雜性 圖 2 17 和 1 3 在大多數(shù)情況下 每個腿具有三個自由度 包括髖關(guān)節(jié)屈曲 膝屈曲 和髖部外 展 見圖 2 6 成吉思汗是具有六個腿 每一個都具有兩個自由度由嗜好伺服提供 圖 2 18 市售嗜好機器人 這樣的機器人 它僅包括髖關(guān)節(jié)屈曲及髖關(guān)節(jié)外展 在 崎嶇的地形較少的可操作性 但在平地上表現(xiàn)相當好 因為它是由伺服電動機和直腿 的一個簡單的安排 這種機器人可以容易地由機器人愛好者建造 圖 2 15 機器狗 圖 2 16 東京工業(yè)大學開發(fā)的四足機器人 產(chǎn)品規(guī)格 最大速度 0 5 米 秒 重量 16 千克 身高 0 3 米 長度 0 7 米 腿數(shù) 6 自由度總數(shù) 6 3 消耗功率 10 瓦 圖 2 17 德國卡爾斯魯厄大學開發(fā)的六足平臺 圖 2 18 麻省理工學院最有名的步行機器人 采用伺服電機的愛好作為其執(zhí)行機構(gòu) http www ai mit edu projects genghis 這 是從上面的例子清楚地表明腿的機器人有很大的進步 使之前 他們對自己的生物等 效競爭力 然而 顯著增益最近已經(jīng)實現(xiàn)了 這主要是由于在馬達設(shè)計的進步 創(chuàng)建 該接近動物的肌肉的效率驅(qū)動系統(tǒng)從仍遠到達機器人一樣 儲能與有機生命中發(fā)現(xiàn)的 能量密度形式 2 3 輪式移動機器人 車輪已經(jīng)是移動機器人和一般人造車最流行的運動機制 它可以達到很好的效率 如圖 2 3 論證 并以相對簡單的機械實現(xiàn)這樣做 此外 平衡不是通常在輪式機器人設(shè)計研究的問題 因為輪式機器人幾乎總是設(shè) 計成使得所有的車輪在任何時候都接觸地面 于是 三個輪子足以保證穩(wěn)定的平衡 但正如我們將在下面看到 兩個輪子的機器人也能保持穩(wěn)定 當使用三個以上的車輪 需要懸掛系統(tǒng) 以允許所有車輪當機器人遇到不平地形保持接觸地面 從而不必擔心 平衡 輪式機器人的研究往往側(cè)重于牽引力和穩(wěn)定性 可操作性和控制的問題 可以 在機器人輪子的機器人 以覆蓋所有需要的地形提供足夠的牽引力和穩(wěn)定性 并且做 機器人的輪子配置允許通過機器人的速度足以控制 圖 2 19 四種基本的車輪類型 a 標準輪 兩個自由度的 周圍的旋轉(zhuǎn) 電動化 輪軸和接觸點 b 腳輪 兩個自由度 圍繞旋轉(zhuǎn)膠印轉(zhuǎn)向節(jié) c 瑞典輪 三個自由度 周圍的旋轉(zhuǎn) 電動 輪軸 繞輥子 和周圍的接觸點 d 球或球形輪 實現(xiàn)技術(shù)上的困難 2 3 1 輪式運動 設(shè)計空間 正如我們看到的 有當一個人認為的移動機器人運動可能的技術(shù)可能車輪的配置 非常大的空間 我們首先討論了詳細的車輪 因為有許多不同類型的車輪與特定的長 處和短處 然后 我們研究完整的車輪配置 可提供運動的特殊形式的移動機器人 2 3 1 1 輪轂設(shè)計 共有四種主要輪類如圖 2 19 他們有很大的不同其 運動學 因此車輪類型的選擇對移動機器人的整體運動有很大影響 標準輪和腳 輪有旋轉(zhuǎn)的主軸 因而高度定向 以在不同的方向上移動時 車輪必須首先沿一垂直 軸線轉(zhuǎn)向 這兩個輪之間的關(guān)鍵區(qū)別在于 標準輪可完成無副作用該轉(zhuǎn)向運動 作為 旋轉(zhuǎn)的中心穿過與地面接觸印痕 而腳輪圍繞偏移軸線旋轉(zhuǎn) 造成的力轉(zhuǎn)向期間賦予 給機器人底盤 圖 2 20 汽車上的輪轂 瑞典輪和球形輪是較少受方向性比常規(guī)標準輪約束兩種設(shè)計 瑞典輪用作正常輪 但是 有時在中間角度提供在另一個方向低電阻 以及 有時在垂直于常規(guī)的方向 如在瑞典 90 如在瑞典 45 繞輪的圓周附小滾筒被動和車輪的主軸線作為唯一積極供電 接頭 這種設(shè)計的主要優(yōu)點是 雖然車輪旋轉(zhuǎn)僅沿一個主軸線供電 通過軸 該輪可 運動地用很少的摩擦移動沿著許多可能的軌跡 不只是前進和后退 球形輪是一個真正的全向車輪 常常設(shè)計成使得它可以是積極動力沿任意方向旋 轉(zhuǎn) 用于實現(xiàn)該球面設(shè)計一種機制仿計算機鼠標 提供積極驅(qū)動輥即靠在球體的頂部 表面并賦予旋轉(zhuǎn)力 不管什么輪被使用 適用于所有地形環(huán)境和三個以上的輪子的機器人 懸浮系統(tǒng) 通常需要保持與地面輪接觸 一對懸掛的最簡單的辦法是設(shè)計的靈活性入輪本身 例 如 在使用腳輪一些四輪室內(nèi)機器人的情況下 制造商已應用軟橡膠的可變形的輪胎 到輪以創(chuàng)建原始懸浮液 當然 這種限制的解決方案不能用在應用程序的復雜的懸掛 系統(tǒng) 其中 機器人需要為顯著非平坦地形更加動態(tài)懸浮競爭 2 3 1 2 輪幾何 輪類型的用于在移動機器人的選擇強烈掛輪的選擇安排 或輪的幾何形狀 移動 機器人設(shè)計者必須設(shè)計一個輪式機器人的機制時 同時考慮到這兩個問題 為什么輪 式和輪幾何關(guān)系嗎 機器人的三個基本特性由這些選擇決定 機動性 可控性 和穩(wěn) 定性 不同于汽車 這在很大程度上是專為一個高度標準化的環(huán)境 道路網(wǎng)絡(luò) 移動機 器人被設(shè)計用于在各種情況下的應用程序 汽車都有著類似的輪結(jié)構(gòu) 因為在最大化 的可操作性 可控性和穩(wěn)定性的標準環(huán)境設(shè)計的空間區(qū)域 鋪成的巷道 但是 存在 的各種面對不同的移動機器人 你將在移動機器人的車輪配置看到極大各種環(huán)境中最 大限度地提高這些性質(zhì)沒有單一的輪配置 事實上 很少使用的機器人汽車的車輪阿 克曼配置 因為其可操作性差 與專為道路系統(tǒng) 圖 2 20 移動機器人的除外 表 2 1 給出了由輪的數(shù)量有序車輪配置的概述 此表顯示特定車輪類型都選擇和機器人底盤上它們的幾何構(gòu)型 請注意 一些示 出的配置是在移動機器人的應用很少使用 例如 這兩個輪子的自行車裝置具有適度 的可操作性和控制性差 就像一個單跳腿的機器 它永遠停滯不前 然而 該表提供 了大量的各種輪的配置 在移動機器人的設(shè)計是可能的指示 表 2 1 變異的數(shù)量是相當大的 但是 也有重要的趨勢和分組 可以在理解的優(yōu) 點和每個配置的缺點幫助 下面 我們確定我們前面已經(jīng)確定的三個問題方面有一些 關(guān)鍵的權(quán)衡 穩(wěn)定性 可操作性 和可控性 2 3 1 3 穩(wěn)定性 出人意料的是 對于靜態(tài)穩(wěn)定性所需車輪的最小數(shù)量為兩個 兩輪差分驅(qū)動機器 人可以實現(xiàn)靜態(tài)穩(wěn)定性 如果質(zhì)量中心是輪軸的下方 CYE 是使用該輪配置 圖 2 21 商用移動機器人 然而 在一般情況下這樣的解決方案 需要車輪直徑的是不 切實際的大 動力學也能引起二輪車機器人求取地板與第三接觸點 例如 與從待機 足夠高的電機轉(zhuǎn)矩 靜穩(wěn)定性需要至少三個輪子的 與重心必須包含由車輪的地面接 觸點形成的三角形內(nèi)的附加警告 穩(wěn)定性可以通過添加更多的車輪得到進一步改善 雖然曾經(jīng)接觸點的數(shù)目超過 3 幾何性質(zhì)的超靜將需要某種形式的不平坦的地形靈活的 懸架 表 2 1 對于車輛軋車輪配置 車輪排名 布局 描述 典型的例子 一方向盤在前方 在后一個牽引輪 自行車 摩托車 2 與大眾 COM 的軸 下方的中間兩輪差 分驅(qū)動 CYE 個人機器人 接觸的第三點兩輪 中心差分驅(qū)動 游牧偵察員 在后方 前方兩個獨 立驅(qū)動的車輪 前 后 1 無動力全向輪 許多室內(nèi)機器人 包括 EPFL 機器人 皮格馬利翁和愛麗 絲 3 兩個連接的牽引輪 差 的后方 1 轉(zhuǎn) 向自由輪在前面 比亞喬微型車 在后兩個自由輪 1 轉(zhuǎn)向曳引輪在前面 海王星 卡內(nèi) 基 梅隆 大學 英雄 1 安排在一個三角形 的三個機動瑞典或 球形車輪 全向運動 是可能的 斯坦福輪 Tribolo EPFL Palm Pilot 掌上電腦機器人套 件 CMU 三同步機動和轉(zhuǎn)向 車輪 方向是不可控 的 同步驅(qū)動器 丹寧 MR2 佐治亞理 工學院 I B24 機器 人 游牧 200 2 3 1 4 機動性 一些機器人全向的 這意味著它們可以在沿著接地平面的任何方向隨時走動其垂 直軸機器人的取向無關(guān) 可操作性的這個級別要求輪子可在不止一個方向上移動 并 且因此全向機器人通常采用被供電瑞典語或球形輪 一個很好的例子是天王星 如圖 所示 2 24 該機器人使用四個輪子瑞典旋轉(zhuǎn) 獨立和沒有約束的轉(zhuǎn)換 圖 2 21 市售的家用機器人 在一般情況下 與瑞典和球形輪機器人的離地間隙是比較有限由于構(gòu)成全向車輪 的機械約束 一個有趣的最近溶液 同時解決該地面凈空問題全向?qū)Ш降膯栴}是四腳 輪結(jié)構(gòu) 其中每一個腳輪積極轉(zhuǎn)向積極翻譯 在這種結(jié)構(gòu)中 機器人是真正的全向因 為 即使腳輪都垂直于行進的所需方向朝向的方向 機器人可以仍然在所希望的方向 上被操縱這些輪子運動 因為垂直軸是從地面接觸路徑偏移 該轉(zhuǎn)向運動的結(jié)果是機 器人的運動 在研究界 其他類移動機器人很受歡迎因為實現(xiàn)很高的可操作性 只有略劣于全 向結(jié)構(gòu) 在這樣的機器人 在特定方向上的運動開始時可能需要的旋轉(zhuǎn)運動 具有圓 形底盤和在機器人的中心旋轉(zhuǎn)軸 這種機器人可以旋轉(zhuǎn)而不改變其地面足跡 最流行 的這樣的機器人是兩輪差分驅(qū)動機器人 其中兩個輪子繞機器人的中心點旋轉(zhuǎn) 可用 于穩(wěn)定一個或兩個額外的接地接觸點的基礎(chǔ)上 應用程序的細節(jié) 相較于上述配置 考慮轉(zhuǎn)向梯形配置 通用汽車 這種車輛典型地具有一轉(zhuǎn)彎直徑比所述車大 另外 對于車輛側(cè)向移 動需要駐車操作方向包括反復修改前進和后退 盡管如此 轉(zhuǎn)向梯形幾何一直在愛好 機器人市場 一個機器人可以通過一個遙控賽車套件開始 增加感知和自主現(xiàn)行機制 建設(shè)特別受歡迎 此外 阿克曼轉(zhuǎn)向的有限的可操作性有重要的優(yōu)勢 其方向性和轉(zhuǎn) 向幾何它提供在高速轉(zhuǎn)彎非常良好的橫向穩(wěn)定性 2 3 1 5 可控性 一般有可控性和可操作性之間的負相關(guān)性 對于例如 全向設(shè)計 如四腳輪結(jié)構(gòu) 需要顯著處理以期望的旋轉(zhuǎn)和平移速度轉(zhuǎn)換為單個車輪的命令 此外 這樣的全向設(shè) 計通常有更大的自由度 在車輪 例如 瑞典輪有一組沿車輪周長自由輥 這些自由 度引起滑移的累積 傾向于減少推算定位精度 并增加了設(shè)計的復雜性 相比較少機動性設(shè)計時控制裝置 用于旅行的特定方向的全向機器人也比較困難 的 往往不太準確 例如 阿克曼轉(zhuǎn)向車輛可通過鎖定轉(zhuǎn)向輪和駕駛驅(qū)動輪直行簡單 在差驅(qū)動車輛 附連到兩個車輪的兩個馬達必須沿完全相同的速度分布 其可以是具 有挑戰(zhàn)性的車輪 馬達 和環(huán)境的差異之間考慮變化來驅(qū)動 如天王星機器人 它具 有四個瑞典輪子 這個問題就更加困難 因為全部四個車輪必須以完全相同的速度驅(qū) 動機器人在一個完美的直線行進 總之 就是同時最大限度地提高臺站沒有 理想的 驅(qū)動器配置相容性 可操作 性 和可控性 每一個移動機器人應用獨特的地方在機器人設(shè)計問題的限制 以及設(shè) 計師的任務是可以從妥協(xié)的這個空間當中選擇最相應的驅(qū)動器的配置 2 3 2 輪式運動 案例研究 下面 我們描述四個特定車輪的配置 為了說明的具體上面討論到對于真實世界 的活動建移動機器人的概念的應用程序 2 3 2 1 同步驅(qū)動器 在同步驅(qū)動器配置 圖 2 22 是在室內(nèi)移動機器人的應用車輪的流行安排 這是 一個非常有趣的配置 因為盡管有三個驅(qū)動和轉(zhuǎn)向輪 只有兩個馬達總使用 所述一 個平移電機設(shè)置所有三個輪子的速度一起 和所述一個轉(zhuǎn)向馬達旋轉(zhuǎn)全部車輪一起關(guān) 于每個其個別豎直轉(zhuǎn)向軸 但請注意 在車輪正在轉(zhuǎn)向相對于所述機器人底盤 因此 有重新取向所述機器人機架的沒有直接的方法 事實上 底盤取向不隨時間漂移由于 輪胎打滑不均勻 造成旋轉(zhuǎn)推算定位誤差 圖 2 22 同步驅(qū)動器 同步傳動 機器人可以在任意方向上移動 然而 機箱的取向是不可控的 同步驅(qū) 動器是在無指向性的情況下尋求特別有利 只要每個豎直轉(zhuǎn)向軸與每個輪胎的接觸路 徑對齊 機器人可以總是調(diào)整其車輪和沿一個新的軌跡移動 而不改變它的尺打印 當然 如果機器人底盤具有方向性和設(shè)計者打算目的地重定向底盤 然后同步傳動當 與獨立旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺 重視對輪底盤結(jié)合僅為合適的 商業(yè)研究機器人 如 Nomadics150 或 RWI B21r 已經(jīng)售出這種配置 圖 1 12 在航位推算而言 同步驅(qū)動系統(tǒng)一般優(yōu)于 真正的全向定向配置 但不如差分驅(qū)動和阿克曼轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 這有兩個主要原因 首先 翻譯馬達通常驅(qū)動用單個皮帶三個輪子 由于以濺和間隙中的傳動系 每當驅(qū)動馬達 嚙合 最接近輪開始最遠車輪前轉(zhuǎn)動 從而導致在機箱的取向的小的變化 隨著電機 轉(zhuǎn)速其他更改 這些小角度的變化積累航位推算過程中創(chuàng)建的方向一個大錯誤 第二 該移動機器人具有在底盤的取向沒有直接控制 取決于底盤的方向 車輪推力可以是 高度不對稱的 在一側(cè)的兩個輪子和單獨的第三輪 或?qū)ΨQ的 每邊一個輪子和一個 輪直行或后面 如圖 2 所示 不對稱的情況下 導致多種時 可能發(fā)生輪胎打滑地面 再次引起機器人定位航位推算錯誤的錯誤 圖 2 23 球形的軸承和電機 2 3 2 2 全向驅(qū)動器 正如我們將在 3 4 2 節(jié)后面看到的 全方位的運動是完整的機動性極大的興趣 全向機器人能夠在任何方向上移動 在任何時候也完整約束 參見 3 4 2 yx 節(jié) 他們可以通過實現(xiàn)使用球形 蓖麻 或瑞典的車輪 這種機器人中完整的三個例 子如下 全方位運動三個球形車輪 全方位機器人在圖 2 23 示出基于三個球形輪 各由一 個電機致動 在此設(shè)計中 球形輪由三個接觸點 二經(jīng)球面軸承和一個由連接到馬達 軸上的輪定暫停 這個概念提供了極好的操作性和設(shè)計簡單 然而 它僅限于平坦表 面和小負荷 這是相當困難的發(fā)現(xiàn)圓輪具有高摩擦系數(shù) 全方位運動有四個輪子 如 圖 2 24 所示的全方位安排已成功應用于多個研究機器人 包括卡內(nèi)基 梅隆天王星 該配置包括四個瑞典 45 度輪 分別由單獨的電動機驅(qū)動 通過改變旋轉(zhuǎn)和相對的方向 四個車輪的速度 該機器人可沿在平面任何軌跡和移動 更令人印象深刻 可同時旋 轉(zhuǎn)繞其垂直軸線 圖 2 24 卡內(nèi)基梅隆大學機器人天王星 卡內(nèi)基梅隆大學機器人天王星 全向機器人有四個供電瑞典 45 輪 例如 當所有 四個車輪旋轉(zhuǎn) 前進 或 后退 的機器人的整體移動以直線向前或向后 分別 然 而 當一個對角線對車輪的在同一方向上被旋轉(zhuǎn) 另一對角線對在相反方向上旋轉(zhuǎn) 機器人橫向移動 這個瑞典車輪的四輪布置不是最小的控制方面電機 因為只有三個自由度 在飛 機上 可以建立使用三個瑞典 90 度輪三輪全向機器人底盤見表 2 1 然而 如天王星 現(xiàn)有例子已經(jīng)設(shè)計由于能力和穩(wěn)定性的考慮四個車輪一個應用此種全方位的設(shè)計是特 別適合的移動操作 在這種情況下 理想的是降低的自由度 機械臂通過移動機器人 的運動底盤減少手臂質(zhì)量 如與人類 這將是理想的 如果基于可以在不大大影響操 縱器尖端的位置全方向移動 如天王星可以承受正是這樣的能力 全方位運動有四個腳輪和八個馬達 為無指向另一解決方案是使用腳輪 這是從 游牧技術(shù)游牧 XR4000 圖 2 25 來完成 給它良好的機動性 不幸的是 游牧已停 止生產(chǎn)移動機器人 上述三個實施例是從表 2 1 延伸 但是這不是一個詳細的列出所有輪式運動特性 結(jié)合了腿和輪式運動 或履帶式和輪式運動混合方法 還可以提供特別的優(yōu)勢 下面 是專門的應用程序創(chuàng)建了兩個獨特的設(shè)計 圖 2 25 游牧 XR4000 從游牧技術(shù)游牧 XR4000 有四個腳輪為完整約束運動的安排 所有的腳輪被驅(qū)動 和轉(zhuǎn)向 因此需要精確的同步和協(xié)調(diào) 以獲得精確的運動 和 yx 2 3 2 3 履帶打滑 滑行運動 在上面討論的車輪構(gòu)造中 我們已經(jīng)提出 車輪表面不允許打滑的假設(shè) 轉(zhuǎn)向的 另一種形式 稱為空轉(zhuǎn) 滑行 也可以使用通過紡絲正面臨以不同的速度或在相反的方 向相同的方向車輪重新定位的機械手 軍隊坦克操作這種方式 并且 Nanokhod 是基于 相同的概念的移動機器人的一個例子 相比傳統(tǒng)輪式設(shè)計 機器人使胎面的使用具有大得多的地面接觸印痕 并且這可 以顯著改善其在松散地形的機動性 然而 由于這大的地面接觸印痕 改變所述機器 人的取向通常需要打滑轉(zhuǎn) 其中 所述軌道的一個大的部分必須針對地形滑動 這樣的配置的缺點是聯(lián)接到空轉(zhuǎn) 滑行的轉(zhuǎn)向 因為大量的轉(zhuǎn)彎時打滑的 機器人 的旋轉(zhuǎn)的正中心是很難預測和位置和方向的精確變化也受到取決于地面摩擦的變化 因此 這種機器人航位推算是非常不準確的 這是權(quán)衡即以換取極其良好的可操作性 和牽引在粗糙和松散的地形制成 此外 在使用上的高摩擦表面上的空轉(zhuǎn) 滑行的方法 可以快速地克服電機的扭矩能力 在功率效率方面 這種做法在松散的地形相當有效 的 但非常低效的