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机器人/机器人类型/轮式

来自维基教科书,开放世界中的开放书籍

轮式机器人是使用电机驱动的轮子在地面上移动的机器人。这种设计比使用履带或腿部更简单,而且使用轮子更容易设计、建造和编程,以便在平坦且不太崎岖的地形上移动。与其他类型的机器人相比,它们也更容易控制。轮式机器人的缺点是它们无法很好地在障碍物上移动,例如岩石地形、陡坡或摩擦力较低的地方。轮式机器人是最受消费者欢迎的,它们的差速转向提供了低成本和简便性。机器人可以有任意数量的轮子,但三个轮子足以提供静态和动态平衡。额外的轮子可以增加平衡;但是,需要额外的机制才能在不平坦的地形上将所有轮子都保持在地面上。

大多数轮式机器人使用差速转向,它使用单独驱动的轮子来移动。它们可以通过以不同的速度旋转每个轮子来改变方向。可能还有其他一些轮子没有电机驱动,这些额外的轮子有助于保持平衡。

双轮机器人

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双轮机器人比其他类型的机器人更难平衡,因为它们必须保持运动才能保持直立。机器人的重心保持在轴线下,通常通过将电池安装在机身下方来实现。它们的轮子可以彼此平行,这些车辆被称为双轮车,也可以一个轮子在前,另一个轮子在后,形成串联式的轮子。双轮机器人必须保持运动才能保持直立,它们可以通过朝着机器人倾倒的方向行驶来做到这一点。为了保持平衡,机器人的底座必须始终在其重心下方。对于具有左右轮子的机器人,它至少需要两个传感器。一个倾斜传感器用于确定倾斜角度,以及轮编码器用于跟踪机器人平台的位置。

摇摆式机器人

Roomba 是双轮吸尘器,它可以自动移动清洁房间。它利用了前部的接触传感器和顶部上的红外传感器。

Roomba
赛格威
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赛格威 是自平衡双轮电动车。


幽灵骑士
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幽灵骑士 是唯一参加 2005 年 DARPA 大挑战 的双轮机器人。它之所以独特,是因为它的摩托车设计,与其他双轮机器人不同,它的轮子排列方式是前后排列,这使得它在转弯时更难平衡。这种串联式轮子设计远不如双轮车常见。

三轮车

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三轮机器人可以分为两种类型:差速转向(两个动力驱动轮,再加上一个自由旋转轮以保持平衡)或由一个动力源驱动两个轮子,第三个轮子使用动力转向。对于差速转向轮,可以通过改变两个单独驱动轮的相对旋转速度来改变机器人的方向。如果两个轮子都以相同的方向和速度驱动,则机器人将直线行驶。否则,根据旋转速度及其方向,旋转中心可能落在连接两个轮子的直线上的任意位置。

差速转向三轮车

这种类型的机器人重心必须落在轮子形成的三角形内。如果在自由旋转轮的一侧安装了过重的质量,机器人就会翻倒。

全向轮

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对于轮式机器人来说,全向轮是一种选择,它让那些轮子不都在同一个轴上的机器人更容易移动。全向轮就像许多较小的轮子组成一个较大的轮子,较小的轮子的轴垂直于核心轮子的轴。这使得轮子可以在两个方向上移动,并且能够全方位移动,这意味着它可以立即向任何方向移动。与汽车不同的是,汽车是非全方位的,必须处于运动状态才能改变航向。全向轮机器人可以在任何角度、任何方向上移动,无需事先旋转。有些全向轮机器人使用三角形平台,三个轮子以 60 度角间隔排列。使用 3 个轮子而不是 4 个轮子的优势在于它更便宜,并且 3 个点保证在同一个平面上,所以每个轮子都与地面接触,但只有一个轮子会朝着行驶方向旋转。全向轮的缺点是它们效率较低,因为并非所有轮子都朝着运动方向旋转,这也会造成摩擦损失,而且由于运动角度的计算,它们在计算上更加复杂。

一个简单的全向轮。自由旋转的滚轮(深灰色)使轮子能够横向滑动。


四轮车

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2 个动力驱动轮,2 个自由旋转轮

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与上面的差速转向轮相同,但有两个自由旋转轮,以提供额外的平衡。

2 个动力驱动轮,2 个自由旋转轮

比三轮版本更稳定,因为重心必须保持在四个轮子形成的矩形内,而不是三角形内。这留下了更大的可用空间。尽管如此,建议将重心保持在矩形的中间,因为这是最稳定的配置,尤其是在急转弯或在不平坦的表面上移动时。

2x2 动力驱动轮,用于坦克式移动

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Pioneer 3-AT 机器人有四个电机和四个非转向轮;每侧一对电机通过一根皮带驱动一对轮子。
四轮驱动

这种机器人使用两对动力轮。每对轮子(由一条线连接)朝同一个方向转动。这种推进方式的难点在于让所有轮子以相同的速度转动。如果一对轮子的速度不同,速度较慢的轮子会打滑(效率低下)。如果两对轮子的速度不同,机器人将无法直线行驶。一个好的设计必须包含某种类似汽车的转向系统。

类似汽车的转向

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差速转向

这种方法允许机器人像汽车一样转弯。这是一种更难建造的方法,也使航位推算更加困难。当机器人由内燃机提供动力时,该系统比之前的方法具有优势:它只需要一个电机(当然还需要一个伺服电机用于转向)。之前的方法需要两个电机或一个非常复杂的变速箱,因为它们需要两个具有独立速度和旋转方向的输出轴。

DARPA 大挑战和城市挑战中,机器人汽车在一系列导航测试中相互竞争。这些机器人是全自动的,可以在测试赛道上自动驾驶。国防部赞助了这场比赛,它被用来促进机器人技术的发展。

5 个或更多轮的车辆

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适用于较大的机器人。并不总是很实用。
尤其是在使用更多动力轮的情况下,设计变得更加复杂,因为当机器人必须向前移动时,每个轮子都必须以相同的速度转动。差速转向机器人左右轮之间速度的差异会导致机器人向侧面移动而不是直线移动。同一侧轮子之间速度的差异会导致最慢的轮子打滑。

有时会在机器人上添加一个额外的自由旋转轮子,该轮子带有里程计。这更精确地测量了机器人的移动方式。动力轮上的里程计排除了打滑和其他移动,因此可能存在误差。

火星探测器(探路者号、勇气号、机遇号)是六轮机器人,它们在着陆后在火星地形上导航。它们用于检查地形、有趣的标志性地标并对火星表面进行观察。它们有一个悬挂系统,可以使所有六个轮子始终与地面接触,并帮助它们越过斜坡和沙质地形。

探路者号探测器
火星探测器轮子尺寸:火星探测漫游者 (MER)、探路者号 (火星探路者号任务) 和火星科学实验室 (从左到右)
火星探测器艺术概念图

由于与地面只有一个接触点,单轮机器人很难保持平衡。有一些实验性设计和机器人确实只有一个轮子。使用球形轮子比使用典型的圆盘轮子更容易,因为机器人可以沿着球体沿任何方向移动。 一个示例草图展示了使用陀螺仪和反扭矩机制来保持机器人直立的基本思路。旋转飞轮使机器人稳定并倾斜,从而实现非完整运动。

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