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

所謂全方位移動機構是指運動機構在二維平面上，從當前位置能夠向任意方向運動，而不需要車體改變姿態(tài)。目前我們所見過的J大多數的輪式移動機構在調整 運動方向時都需要一定的回轉半徑，而全方位移動機構可以使回轉半徑為0。全方 位移動機構比普通的移動機構在某些場合有明顯優(yōu)越性。例如，當車輛在狹窄或 擁擠的空間內工作時，利用全方位移動機構的零回轉半徑的特點，使其能靈活自如 地穿行。另外，全方位移動機構可以對自己所處的位置進行細微的調整，因此，在需要準確定位和G精度軌跡跟蹤的時候也要求運動機構具備全方位移動的能力。

現在比較常見的全方位移動機構有：空氣懸浮式，全輪轉向式，如圖2-2-3 所示。麥卡納姆輪(MECANUM)S~7, 球履帶全方位移動機構8等。

日本電通大的越山篤等人研制了一種球輪驅動式全方位移動機器人9,10。圖 2-2-4為其結構圖。它由一個球形輪構成，外部是一個拱形殼，移動和控制機構在 輪的內部，由三個直流電機分別驅動球輪(special wheel)、拱 體(arched body)和 控 制 拱(controlling arch),以實現全方位移動功能。

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機 構3-11.123,結構示意圖見圖2-2-5。該全方位移動機構有兩條履帶，每個履帶內平 行放置兩條桿，分別由直流伺服電機通過履帶驅動，而每條履帶內各自分別放入2個橡膠球，通過兩條履帶的運動組合及球的轉動即可實現全方位移動功能。

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(常為3個或4個)Mecanum 輪以一 定的方式組合，就可以使移動機構具備全方位移動機能。美國卡內基-梅隆大學的 Muir.Charles和Neuman 等人研制出了一臺具有四個Mecanum 輪的全方位移動 機器人——URANUS 。 這種機器人自載電源、計算機和一定數量的傳感器，可 以非常靈活地在地面上自主運動。由于這種Mecanum 輪結構緊湊，運動靈活，因 此本課題擬提出采用這種車輪作為壁面移動機器人的移動機構，實驗證明使用 成功。

Campion G 在文獻[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)由一個滾動球體、 一組支撐滾子和一組驅動滾子組成，其中 支撐滾子固定在車底盤上，驅動滾子固定在一個可以繞球體中心轉動的支架上，如 圖2-2-9所示15.16]。每個球輪上的驅動滾子由一個電機驅動，使球輪繞驅動滾子 所構成平面的法線轉動，同時可以繞垂直的軸線自由轉動。輪子的驅動力是滾子 和輪子的摩擦力，使得輪子的驅動力和速度受到限制，這也是球輪的缺點。同時， 輪子在地面滾動過程中吸附的一些灰塵，會在輪子和滾子的接觸點積累，影響兩者 之間的摩擦力，使輪子打滑，我們在使用滾動鼠標時都會有同樣的感受。因而，對 球輪的改進方法是有效增加滾子和球體之間的摩擦驅動力。

連續(xù)切換輪的基礎為Transwheel 輪，由一個輪盤和固定在輪盤外周的滾子構 成。輪盤軸心同滾子軸心垂直，輪盤繞軸心由電機驅動轉動，滾子依次與地面接 觸，并可繞自身軸心自由轉動，結構如圖2-2-9所示。采用這種輪子設計了幾種不 同的足球機器人17.18],所存在的問題與Swedish 輪相似，就是輪盤轉動時，滾子同 地面接觸不連續(xù)，使機器人產生振動和打滑。

方法是采用多個滾子以減小滾子之間的間隙。

全方位輪在移動機器人領域的應用已經非常廣泛，已經涉及生活中很多領域， 包括足球機器人、全方位輪椅、月球車、工程叉車等，由于其運動性能的優(yōu)點，使其 應用將越來越廣泛。圖2-2- 14為上海交通大學開發(fā)的第三代月球車模擬樣機。 圖2-2-15為上海交通大學開發(fā)的全方位移動足球機器人。

Airtrax 公司是世界上D一個將全方位移動機器人應用于商業(yè)開發(fā)的公司，該 公司D一次生產了大型全方位輪，并且將4個大型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計并研制了全方位移動輪椅，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器人的前進、后退、轉向。