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1. 轮车机器人 二轮车的速度、 倾斜度等物理精度不高, 而若将其进行机器人化, 则引进简单、便宜、可靠性高的传感器也很难。 此外,二轮车制动及低速行走时极不稳定, 目前正在进行稳定化试验。图1所示为利用陀螺仪的二轮车。人们在驾驶两轮车时, 依靠手的操作和体重的移动力求稳定行走,这种陀螺二轮车, 把与车体倾斜成比例的力矩作用在轴系上,利用陀螺效果使车体稳定。  图 1 利用陀螺仪的二轮车 2. 由三组轮子组成的轮系 三轮移动机构是车轮型机器人的基本移动机构。目前, 作为移动机器人移动机构的三轮机构的原理如图2所示。 本文来自www.eadianqi.com  图 2 三轮车型移动机器人机构 图3所示的三组轮是由美国Unimationstanford 行走机器人课题研究小组设计研制的。它采用了三组轮子, 呈等边三角形分布在机器人的下部。  图 3 三组轮 在该轮系中, 每组轮子由若干个滚轮组成。 这些轮子能够在驱动电机的带动下自由地转动, 使机器人移动。驱动电机控制系统既可以同时驱动所有三组轮子, 也可以分别驱动其中两组轮子, 这样, 机器人就能够在任何方向上移动。 该机器人行走部分设计得非常灵活, 它不但可以在工厂地面上运动, 而且能够沿小路行驶。 存在的问题是, 机器人的稳定性不够, 容易倾倒, 而且运动稳定性随着负载轮子的相对位置不同而变化。 另外， 在轮子与地面的接触点从一个滚轮移到另一个滚轮上的时候, 还会出现颠簸。 自动控制网www.eadianqi.com版权所有 为了改进该机器人的稳定性, Unimationstanford研究小组重新设计了一种三轮机器人。改进后的特点是使用长度不同的两种滚轮：长滚轮呈锥形, 固定在短滚轮的凹槽里。这样可大大减小滚轮之间的间隙, 减小了轮子的厚度, 提高了机器人的稳定性。 此外, 滚轮上还附加了软橡皮, 具有足够的变形能力, 可使滚轮的接触点在相互替换时不发生颠簸。 3. 四轮机器人 四轮车的驱动机构和运动基本上与三轮车相同。 图4(a)所示为两轮独立驱动, 前后带有辅助轮的方式。 与图2(a)相比, 当旋转半径为0时, 由于能绕车体中心旋转, 因此有利于在狭窄场所改变方向。 图4(b)是所谓汽车方式, 适合于高速行走, 但用于低速的运输搬运时, 费用不合算, 所以小型机器人不大采用。  图4 四轮车的驱动机构和运动 自动控制网www.eadianqi.com版权所有 另外, 还有依据使用目的, 使用六轮驱动车和车轮直径不同的轮胎车; 也有的提出利用具有柔性机构车辆的方案。图5是火星探测用的小漫游车的例子。  图 5 火星探测用小漫游车 图6所示为四轮防爆机器人, 该轮系由于采用了四组轮子, 运动稳定性有很大提高。但是,要保证四组轮子同时和地面接触, 必须使用特殊的轮系悬挂系统。它需要四个驱动电机, 控制系统也比较复杂, 造价也较高。  图6 四轮防爆机器人 自动控制网www.eadianqi.com版权所有 4. 三角轮系统 图7所示为三角轮系的机构图。这是日本东京大学研制的一种机器人轮系, 它所装备的机器人用于核电厂的自动检测和维修。该机器人除了采用三角轮系外, 还具有一个传感器系统和一个计算机控制系统。该轮系使机器人不但能在地面上运动, 而且还能够爬楼梯。  图7 三角轮系的机构图 5. 全方位移动机器人 过去的车轮式移动机构基本上是2自由度的, 因此不可能简单地实现任意的定位和定向。 机器人的定位, 用四轮构成的车可通过控制各轮的转向角来实现。自由度多、能简单设定机器人所需位置及方向的移动车称为全方位移动车。图8是表示全方位移动车移动方式的各车轮的转向角。  本文来自www.eadianqi.com 图8 全方位移动车的移动方式 (a) 全方位方式； (b) 转弯方式; (c) 旋转方式; (d) 制动方式 6. 两足步行式机器人 车轮式行走机构只有在平坦坚硬的地面上行驶才有理想的运动特性。如果地面凸凹程度和车轮直径相当, 或地面很软, 则它的运动阻力将大增。 足式步行机构有很大的适应性, 尤其在有障碍物的通道(如管道、 台阶或楼梯)上或很难接近的工作场地更有优越性。 足式步行机构有两足、 三足、 四足、 六足、 八足等形式, 其中两足步行机器人具有最好的适应性, 也最接近人类, 故也称之为类人双足行走机器人。类人双足行走机构是多自由度的控制系统, 是现代控制理论很好的应用对象。 这种机构除结构复杂外, 在静/动状态下的行走性能、稳定性和高速运动等都不是很理想。 如图9所示, 两足步行机器人行走机构是一空间连杆机构。 在行走过程中, 行走机构始终满足静力学的静平衡条件, 也就是机器人的重心始终落在支持地面的一脚上。  本文来自www.eadianqi.com 图9 两足步行式行走机构原理图 两足步行机器人的动步行有效地利用了惯 性力和重力。人的步行就是动步行, 动步行的典型例子是踩高跷。 高跷与地面只是单点接触, 两根高跷不动时在地面站稳是非常困难的, 要想原地停留,必须不断踏步,不能总是保持步行中的某种瞬间姿态。 图10所示为北京汉库科技公司研制的双足机器人。该机器人全部采用国产元件, 驱动部分采用23个直流伺服电机, 行走平稳,能直立,前进,后退,单腿站立, 原地旋转,跳舞, 打太极拳等。其中，二足共有10个自由度， 由腰部、 大腿、 小腿和脚掌组成，髋部有前向和侧向关节各一对，膝部有前向关节一对，踝部有前向关节和侧向关节各一对。前向关节用来实现重心在前进方向上的运动。侧向关节用来实现重心的侧向运动。 KAMRO机器人是Karlsrube大学开发的自治式行走机器人, 如图11所示。该机器人用在柔性制造单元中进行工件搬运和装配作业。 KAMRO机器人从材料储存系统中挑选所需的零件并把它搬运到装配站, 零件准备好以后, 机器人的两个手臂在传感器系统监控下把零件装配成成品件。手部具有装配工作不可少的力和力矩传感器,以便测量装配过程中零件之间的碰撞和力; 由视觉系统监视装配过程, 即超声波传感器探测可能存在的障碍物, 并避开障碍物寻找安全路径。 自动控制网www.eadianqi.com版权所有   图10 汉库科技公司的双足机器人 图11 KAMRO机器人 7. 履带行走机器人 履带式机构的最大特征是将圆环状的无限轨道带卷绕在多个车轮上, 使车轮不直接与路面接触。 利用履带可以缓冲路面状态, 因此可以在各种路面条件下行走。 机器人采用履带方式有以下一些优点: (1) 能登上较高的台阶; (2) 由于履带的突起, 路面保持力强, 因此适合在荒地上移动; (3) 能够原地旋转; (4) 重心低, 稳定。 图12所示的排爆机器人的行走机构为履带行走机构。  本文来自www.eadianqi.com 图12 履带机器人 通过进一步采用适应地形的履带, 可产生更有效地利用履带特性的方法。 图13是适应地形的履带的例子。  图13 适应地形的履带 |