商用機(jī)器人的全方位輪的優(yōu)勢(shì):任意方向運(yùn)動(dòng),精確定位和高精度軌跡跟蹤

所謂全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)是指運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在二維平面上，從當(dāng)前位置能夠向任意方向運(yùn)動(dòng)，而不需要車體改變姿態(tài)。目前我們所見過的J大多數(shù)的輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)在調(diào)整 運(yùn)動(dòng)方向時(shí)都需要一定的回轉(zhuǎn)半徑，而全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)可以使回轉(zhuǎn)半徑為0。全方 位移動(dòng)機(jī)構(gòu)比普通的移動(dòng)機(jī)構(gòu)在某些場(chǎng)合有明顯優(yōu)越性。例如，當(dāng)車輛在狹窄或 擁擠的空間內(nèi)工作時(shí)，利用全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)的零回轉(zhuǎn)半徑的特點(diǎn)，使其能靈活自如 地穿行。另外，全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)可以對(duì)自己所處的位置進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整，因此，在需要準(zhǔn)確定位和G精度軌跡跟蹤的時(shí)候也要求運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)具備全方位移動(dòng)的能力。

現(xiàn)在比較常見的全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)有：空氣懸浮式，全輪轉(zhuǎn)向式，如圖2-2-3 所示。麥卡納姆輪(MECANUM)S~7, 球履帶全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)8等。

日本電通大的越山篤等人研制了一種球輪驅(qū)動(dòng)式全方位移動(dòng)機(jī)器人9,10。圖 2-2-4為其結(jié)構(gòu)圖。它由一個(gè)球形輪構(gòu)成，外部是一個(gè)拱形殼，移動(dòng)和控制機(jī)構(gòu)在 輪的內(nèi)部，由三個(gè)直流電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)球輪(special wheel)、拱 體(arched body)和 控 制 拱(controlling arch),以實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)功能。

1992年，日本神戶制鋼所的西川晃平等人研制了一種球履帶全方位移動(dòng)機(jī) 構(gòu)3-11.123,結(jié)構(gòu)示意圖見圖2-2-5。該全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)有兩條履帶，每個(gè)履帶內(nèi)平 行放置兩條桿，分別由直流伺服電機(jī)通過履帶驅(qū)動(dòng)，而每條履帶內(nèi)各自分別放入2個(gè)橡膠球，通過兩條履帶的運(yùn)動(dòng)組合及球的轉(zhuǎn)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)功能。

另外還有一種稱為Mecanum 的全方位輪。由圖2-2-6所示。這種特殊的車 輪是瑞典 Mecanum 公司的專利。通過將多個(gè)(常為3個(gè)或4個(gè))Mecanum 輪以一 定的方式組合，就可以使移動(dòng)機(jī)構(gòu)具備全方位移動(dòng)機(jī)能。美國卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)的 Muir.Charles和Neuman 等人研制出了一臺(tái)具有四個(gè)Mecanum 輪的全方位移動(dòng) 機(jī)器人——URANUS 。 這種機(jī)器人自載電源、計(jì)算機(jī)和一定數(shù)量的傳感器，可 以非常靈活地在地面上自主運(yùn)動(dòng)。由于這種Mecanum 輪結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)靈活，因 此本課題擬提出采用這種車輪作為壁面移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)證明使用 成功。

Campion G 在文獻(xiàn)[13]中將輪子劃分為傳統(tǒng)輪系，包括固定方向輪(fixed wheel)、同 心 方 向 輪(centered orientable wheel)和偏心方向輪(off-centered orientable wheel)(見圖2-2-7),和自由方向輪系，如瑞典(Swedish) 輪、球輪等。 Swedish 輪也稱Mecanum 輪，由輪輻和固定在外周的許多小滾子構(gòu)成，輪子和滾 子之間的夾角為γ,通常夾角γ為45°,如圖2-2-8所示

球 輪(ball wheel)由一個(gè)滾動(dòng)球體、 一組支撐滾子和一組驅(qū)動(dòng)滾子組成，其中 支撐滾子固定在車底盤上，驅(qū)動(dòng)滾子固定在一個(gè)可以繞球體中心轉(zhuǎn)動(dòng)的支架上，如 圖2-2-9所示15.16]。每個(gè)球輪上的驅(qū)動(dòng)滾子由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使球輪繞驅(qū)動(dòng)滾子 所構(gòu)成平面的法線轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)可以繞垂直的軸線自由轉(zhuǎn)動(dòng)。輪子的驅(qū)動(dòng)力是滾子 和輪子的摩擦力，使得輪子的驅(qū)動(dòng)力和速度受到限制，這也是球輪的缺點(diǎn)。同時(shí)， 輪子在地面滾動(dòng)過程中吸附的一些灰塵，會(huì)在輪子和滾子的接觸點(diǎn)積累，影響兩者 之間的摩擦力，使輪子打滑，我們?cè)谑褂脻L動(dòng)鼠標(biāo)時(shí)都會(huì)有同樣的感受。因而，對(duì) 球輪的改進(jìn)方法是有效增加滾子和球體之間的摩擦驅(qū)動(dòng)力。

連續(xù)切換輪的基礎(chǔ)為Transwheel 輪，由一個(gè)輪盤和固定在輪盤外周的滾子構(gòu) 成。輪盤軸心同滾子軸心垂直，輪盤繞軸心由電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，滾子依次與地面接 觸，并可繞自身軸心自由轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)如圖2-2-9所示。采用這種輪子設(shè)計(jì)了幾種不 同的足球機(jī)器人17.18],所存在的問題與Swedish 輪相似，就是輪盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾子同 地面接觸不連續(xù)，使機(jī)器人產(chǎn)生振動(dòng)和打滑。

方法是采用多個(gè)滾子以減小滾子之間的間隙。

全方位輪在移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，已經(jīng)涉及生活中很多領(lǐng)域， 包括足球機(jī)器人、全方位輪椅、月球車、工程叉車等，由于其運(yùn)動(dòng)性能的優(yōu)點(diǎn)，使其 應(yīng)用將越來越廣泛。圖2-2- 14為上海交通大學(xué)開發(fā)的第三代月球車模擬樣機(jī)。 圖2-2-15為上海交通大學(xué)開發(fā)的全方位移動(dòng)足球機(jī)器人。

Airtrax 公司是世界上D一個(gè)將全方位移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用于商業(yè)開發(fā)的公司，該 公司D一次生產(chǎn)了大型全方位輪，并且將4個(gè)大型Mecanum 輪子做成工程叉車， 如圖2-2-16所示，主要用于倉庫貨物運(yùn)輸用途，除了具有一般叉車功能外，使用更 靈活，操作更簡單。

M.Wada 等人采用全方位球輪設(shè)計(jì)并研制了全方位移動(dòng)輪椅，如圖2-2-17 所示，通過右手邊的3自由度搖桿可以方便地控制機(jī)器人的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向。