移动式机器人系统设计

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18.3 一种瑞士轮式全方位移动机器人设计

机构设计方案的选择
全方位移动式机器人由于其优越的灵活性，正逐渐受
到人们的青睐。受麦克纳姆轮启发，越来越多的改进 全方位轮被设计出来，其中瑞士轮就是其中较为典型 的一种，如图所示。
瑞士轮的轮子被分为两层，每一层上均 布着3个鼓形轮，一个轮子上安装6个鼓 形轮。大轮的外缘也就是这些鼓形轮的 轮廓线。鼓形轮具有3个自由度：绕自 身轴线旋转，绕大轮轴线旋转和绕与地 面接触点的转动。这样，瑞士轮也就具 有了3个自由度：绕轮轴的转动，沿轮 子轴线方向的平动及绕辊子与地面接触 点的转动。
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机构设计方案的选择

（3）支架式：在该结构中，利用钢板做轮毂基板， 加工出若干个小轮支架，用螺栓将其固定于钢板上， 便加工出了轮毂。使用时，利用轴套和轴将小轮安装 在小轮支架上。该方案无论从加工工艺性和重量方面 来讲，都优于前面两种方案。本书将根据该方案设计 一种瑞士轮式全方位移动机器人。
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18.2移动式机器人的行走机构


行走机构是移动式机器人的重要执行部件，它由 行走的驱动装置、传动机构、位置检测元件、传 感器、电缆及管路等组成。它一方面支承机器人 的机身、手臂，另一方面还根据工作任务的要求， 带动机器人在广阔的空间内运动。 行走机构按其结构可以分为以下几类 :
车轮式
履带式
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移动式机器人应用场合

危险环境
人的生命是宝贵的，对于
一些诸如有高温、辐射、 化学腐蚀等危险环境，人 们往往希望有一类机器人 能代替人类到现场发挥作 用。 移动机器人除了在消防危 险环境得到应用外，在铁 路驼峰摘钩自动化方面也 得到了应用。
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移动式机器人应用场合

空间与海洋探索
20世纪60年代，美国MIT开始研究
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机构设计方案的选择

目前瑞士全方位轮的应用还不普及，瑞士轮式全方位 移动机器人设计方案比较多，还远未实现标准化生产。 本书对一体式、幅板式、支架式三种方案进行简单比 较。

（1）一体式：即将轮毂做成一体式，将全方位轮安装 于其中。这种方案的好处是设计起来比较简单，但是 从加工工艺性上来说，难度比较大。
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机构设计方案的选择

（2）幅板式：这种结构的轮毂由两部分组成，分别 为一块辐板和六块盖板。在辐板上有6个半圆柱形的 凹形槽，在每一块盖板上也有3个半圆柱形的凹形槽， 安装时，将小轮放于辐板的凹形槽中上，再用盖板盖 上，用螺栓紧固，就可以做成全向轮。该设计比一体 式方案好，加工相对容易，但是整个机构相对笨重。
机械电子工程原理
第十八章 移动式机器人设计
18.1移动式机器人简介



自上世纪60年代初问世以来，关节式机器人不仅己成为制 造工业中必不可少的核心装备，由于关节式机器人操作手 的基座是固定的，其工作空间就会受到限制，为了突破关 节式机器人操作工作空间的限制，可以给其装备移动机构， 这样就构成了移动式机器人系统。 移动式机器人系统是将关节式机械手安装在行走机构上所 构成的一类机器人，其中机械手用来实现如抓取、操作等 动作，平台的移动用来扩展机械手的工作空间，使机械手 能以更合适的姿态执行任务。 车体的可移动性大大增加了机器人工作空间，并且能使机 械手臂更好的定位来高效地完成任务，因此其应用范围要 比关节式机器人大得多。
足式
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车轮式行走机构

车轮式机器人动作稳定，操作也简单，在无人工 厂中，常常用来搬运零部件或其他工作，它最适 合平地行走。普通的轮式机器人按照轮数分类， 有三轮车、四轮车等。
三轮车主要是两轮驱动，一轮自位，驱动方式又有左
右轮独立驱动和通过差动齿轮驱动。 四轮车的驱动机构和运动，基本上与三轮车差不多， 也有独立驱动和差动驱动之分，另两个自位轮可以前 后安装，或并排安装（如汽车方式）。
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履带式行走机构


履带式机构称为无限轨道方式，其最大特征是将圆环 状的无限轨道履带卷绕在多个车轮上，使车轮不直接 与路面接触，因此支撑面积大，接地比压小，可以在 有些凹凸的地面上行走，可以跨越障碍物，能爬梯度 不太高的台阶。 缺点是由于没有自位轮，没有转向机构，要转弯只能 靠左右两个履带的速度差，所以不仅在横向，而且在 前进方向也会产生滑动，转弯阻力大，不能准确地确 定回转半径等。

普通轮式机器人具有运动平稳，操作简单的优点， 但是在转向时候需要整车转动，占用比较大的运 动空间，如果工作区域比较小的时候就限制了机 器人的使用。
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车轮式行走机构
源自文库

在车轮式移动机器人中，还有一类特殊的全方位式车 轮。全方位移动机器人具有平面运动的全部三个自由 度，理论上可以在任何角度以任何速度在机器人所处 平面上运动，有效地避免了普通车轮不能侧向运动带 来的非完整性约束，适合于工作在空间狭窄有限、对 机器人的机动性要求较高的场合。 其中最具代表性的是由瑞典麦克纳姆公司提出的麦克 纳姆轮。
火星探索移动机器人，以便在火星 上进行移动，收集探测数据。 1997年7月4日，美国耗资2.66亿美 元发射的“火星探路者”（Mars Pathfinder)探测器成功着陆火星， 并于次日释放出“漫步者” （Rover）自主移动机器人，由后 者完成了对火星地表和岩石的取样 分析。 图示为2004年美国发射的“勇气号” 火星漫步机器人。
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足式行走机构

对于一些诸如山岳地带和凹凸不平的环境，轮式和履带式 机器人有时就无能为力。足式机器人具有更好的机动性， 可以跨越较大障碍及通过松软地面。由于其立足点离散， 可以通过控制算法在地面上选择最优的支撑点，因此能耗 也较少。在地形复杂的林场、采石场和矿山以及节能要求 高的水下资源开发、战地侦察、警戒等应用领域，足式机 器人具有更明显的优势。
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移动式机器人应用场合

制造业
在该领域最成功的应用是自动化生产系统中的物料搬
运，用以完成机床之间、机床与自动仓库之间的工件 传送，以及机床与工具库间的工具传送。移动机器人 灵活的运动性能，大大增加了生产系统的柔性和自动 化程度。 把广泛用于自动化车间且为无轨运行的移动机器人称 为自动引导车（AGV），图为一类用于室内物料搬运 的移动机器人。