为适应不同场景需求,不同类型的轮子被设计出来,机器人移动平台常见车轮7种
普通橡胶轮看起来最为普通,但实际应用广泛,在两轮差速驱动机器人、car-like robot及四轮驱动(4WD)机器人均采用该轮子。
普通橡胶轮表面花纹复杂,有效增大摩擦系数,有较好抓地力,且材质具有一定弹性,具备一定抗震功能,轮胎直径范围较大,越障性能较好。但轮子运动速度方向需沿着轮子外圆切线方向,并不能横移,因此运动灵活性不如万向轮。
因此,普通橡胶轮适用于室内外的大部分地形特征,也适用于速度变化范围大(高速到低速)的场景。
直行被动轮本质上与普通橡胶轮是相近的,普通橡胶轮的轮轴会与电机轴相连接,成为主动轮,而图 2.1(b)中的直行被动轮的轮轴是与轮架连接,没有电机驱动,因此是被动轮。
直行被动轮与普通橡胶轮都是只能沿着轮子外圆切线方向运动,不能横移。
直行被动轮在实际应用中的半径一般较小,常被应用于室内场景,例如我们的超市购物车、婴儿车的两个后轮。
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,故不在此赘述,具体可参考《全向轮运动特性分析》。
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,具体规律可以参考《麦克纳姆轮运动特性分析》。
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。
万向轮有别于全向轮,常被作为被动轮,是随着机器人的运动而被动运动的,主要作用是提供滚动功能降低运动摩擦,以及提供支撑,主要优点是能够朝向任意方向运动。
本文列举了两种:滚珠万向轮和被动万向轮。
从图 2.1(e)可以看出,滚珠万向轮的运动依赖于嵌入在轮壳内的滚珠,滚珠是标准球体,可朝向任意方向滚动,实现“万向”的效果,在TurtleBot3的前面两个轮子就是采用的滚珠万向轮,这样可以尽可能压低机器人底盘。
生活中更常见的是被动万向轮,如图 2.1(f)所示,常被用于超市购物车、婴儿车的两个后轮。这里分析两个细节:
在图 2.1(f)中,滚轮的轴线是B,滚轮转向时会绕着轴线A转动,分别对应两个自由度,轴线A和B之间是空间相互垂直的关系,但不会存在交点,即两条轴线之间存在一定距离。这是因为该距消除了A轴线死点的情况,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,如果两轴线相交,则A轴线的自由度会有存在死点,两个自由度没有主次之分,当机器人想转向时,滚轮可能会卡在A轴线死点上而无法转向,影响转向效果。
舵轮其实是直行被动轮的升级版,在执行被动轮上增加了两个电机,电机MA用于直接驱动轮子滚动,电机MB通过齿轮组驱动驱动转向,因此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AGV,用于搬运仓库货物,通过多个舵轮组合运动,可实现全向运动。
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