导游机器人轮式行走系统设计+文献综述(3)
2 导游机器人轮式行走机构设计方案
2.1 方案设计要求
在展馆机器人轮式行走机构的设计方案中，主要需要达到以下几点目标：
（1）能够承受机器人本体的全部重量；
（2）需要在其上安装电机，电池，传感器等电器设备；
（3）底盘上能够支持加装机器人其余部件，如旋转俯仰台等设备。
在设计要求中，对于行走机构的设计要求如下：
（1） 机器人底盘行走系统总体尺寸≤450mm×500mm×220mm(长×宽×高)；
（2） 具备行驶和转向功能；
（3） 底盘总重量≤12kg；
（4） 行进速度约为0.6m/s；
（5） 车轮直径:120～150mm。
2.2 轮式移动机构的选择
轮式移动机构根据轮数的多少通常可以分为二轮，三轮，四轮，优尔轮以及多轮等移动机构。我们将根据各种移动机构的不同特点，分析其在应用之中的优缺点，结合我们的实际使用情况，选择符合需要的移动机构[8]。
由于二轮移动机构的稳定性问题一直没有得到有效彻底的解决，它的使用一直比较局限。目前广泛采用陀螺仪来解决二轮移动机构的稳定性问题。使用陀螺仪来检测被控对象的当前姿态，根据其的倾角来校正控制他的运动[9]。
三轮移动机构可以认为是车轮形机器人的基础。三轮移动机构相比较于二轮移动机构已经解决了稳定性上面的问题，它的主要问题集中在移动方向的控制方面。下图2.1所示为现在机器人移动机构经常采用的几种三轮机构原理图。
图2.1 三种典型的三轮移动机构
图a中所示三轮移动机构承接二轮移动机构而来，增加了第三个接触点，解决了二轮移动机构在稳定性上存在的缺憾，并且结构简单，设计方便，而且旋转半径可以从零到无限大任意设定，但是它的旋转中心是连接两驱动轮的直线上，所以旋转半径即使为零，旋转中心也与车体中心不一致。同时由于前轮采用无动力轮，主要靠后两轮的差速来控制机构的移动方向，在遇到障碍或有扰动的情况下，前面的无动力轮容易发生偏移，使运动轨迹发生改变，给机器人的路径控制带来极大的麻烦。
图b中所示三轮移动机构以前轮为驱动转向轮，集驱动和转向功能于一身，后两轮为从动轮，这种移动机构便于控制，而且旋转半径也可以从零到无限大的连续变化，但是结构过于复杂，不利于设计和制造。
图c中所示三轮移动机构在图b的基础上加以改进，以前轮为转向轮，专司方向控制，后两轮为差速驱动轮。这种结构相较于图b所示方案，大大简化了机械结构设计，但是仍然保留了便于控制的优点。
四轮移动机构也是在机器人中应用极为广泛的一种移动机构。如下图2.2中所示为两种典型的四轮移动结构。四轮车的驱动机构和运动基本上与三轮移动机构相同。图a为两轮独立驱动方式，它有前后两个辅助轮。与上图a中的三轮车相比，当旋转半径为零时，它能够绕车体中心旋转，所以便于在狭窄场所改变方向。图b为所谓的汽车方式，由于它的结构比较复杂，所以仅用在智能汽车等的研究方面，而机器人的移动机构中不大采用[10]。
图2.2两种四轮移动机构
除了介绍通用常见主流的三轮四轮移动机构外，本文也对目前新兴发展起来的全向轮移动系统作一定的介绍。
图2.3 全向轮移动系统
上图2.3所示为卡耐基梅隆Uranse机器人，它由四个独立控制的全向轮构成。每个全方位轮通过减速器由一台直流电机独立控制，四个轮子的最后合成速度为机器人的移动方向和速度。通过这四个轮子转速的适当适合组合，可以实现机器人在平面上的三自由度全方位位移。与普通轮系相比，全方位轮系可以通过调节各轮子的转向及转速得到与地面固定坐标成一定角度的合力实现全方位运动，而普通轮系都需要加装转向辅助轮或从动轮。而且这种全方位轮系运动灵活，控制方便，易于实现精确定位和轨迹跟踪，对于导游机器人，导购机器人，清扫机器人等需要在拥挤空间工作的情况下，是一个很好的选择。但是他结构复杂，车轮与地面的有效接触面积较小，有效负载能力较小，效率不高，而且轮缘上的小滚子容易磨损，滚子轴受力不均匀，损坏的可能性比较大，有较大的局限。