輪式機(jī)器人底盤輪系優(yōu)劣及控制分析摘要：迄今為止，輪子是移動(dòng)機(jī)器人學(xué)和交通工具最流行的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，因?yàn)椋c其他移動(dòng)方式相比，輪子可達(dá)到很高的效率并且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。當(dāng)考慮移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的可能實(shí)現(xiàn)技術(shù)時(shí)，輪子結(jié)構(gòu)有很大空間。本文將簡(jiǎn)單闡述主流常用輪系特點(diǎn)及控制要點(diǎn)。1、常見底盤輪系及優(yōu)缺點(diǎn)三輪結(jié)構(gòu)。三輪的優(yōu)點(diǎn)是能保證三個(gè)輪子都能時(shí)刻接觸地面，不易出現(xiàn)打滑或走偏現(xiàn)象。三輪機(jī)構(gòu)還不需要專門的懸掛系統(tǒng)區(qū)保持各輪與地面的可靠連接，設(shè)計(jì)中只需要注意車體重心位置合理即可。最常見的是兩輪差速驅(qū)動(dòng)，另外一個(gè)輪子使用腳輪作為輔助輪，這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是機(jī)構(gòu)組成簡(jiǎn)單，旋轉(zhuǎn)半徑為零。但是底盤轉(zhuǎn)彎過程中形成的速度瞬心位于后兩輪軸心連線上，所以即使機(jī)器人旋轉(zhuǎn)半徑為零，旋轉(zhuǎn)中心也與車體重心不一致。四輪結(jié)構(gòu)。四輪結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)是底盤比較穩(wěn)，承重大，機(jī)器人不易傾倒。缺點(diǎn)有兩個(gè)：一是部分四輪構(gòu)形的機(jī)器人移動(dòng)能力受到限制，轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)需要一定的前行行程；二是必須有一個(gè)緩沖懸掛系統(tǒng)以保持穩(wěn)定、可靠的驅(qū)動(dòng)力。目前市場(chǎng)最常見的以下兩種結(jié)構(gòu)。四輪前驅(qū)。優(yōu)點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)中心靠前，機(jī)器人轉(zhuǎn)向尤其是反向行駛時(shí)，因萬向輪橫擺造成的偏差比較小；由于一般驅(qū)動(dòng)輪輪徑較大，越障能力比較好。缺點(diǎn)是電機(jī)啟動(dòng)時(shí)由于慣性整車會(huì)后仰，驅(qū)動(dòng)輪上的正壓力減小，地面提供的摩擦力就減小，啟動(dòng)加速度比較小，加速時(shí)間長(zhǎng)；上坡時(shí)機(jī)器人重心后移，驅(qū)動(dòng)輪抓地能力減弱，上坡費(fèi)勁。四輪后驅(qū)。優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)時(shí)重心后移，機(jī)器人有足夠的加速度。但越障能力收到萬向輪徑限制，反向行駛時(shí)，前端的萬向輪要經(jīng)過一個(gè)180°旋轉(zhuǎn)變向的過程，對(duì)機(jī)器人行走重復(fù)定位精度有較大影響。2、重心位置對(duì)底盤的影響及控制重心側(cè)偏的影響。重心側(cè)偏導(dǎo)致兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪承受的正壓力不同，啟動(dòng)時(shí)兩輪打滑程度不一致，瞬間就偏離軌跡，轉(zhuǎn)彎時(shí)，其中正壓力小的輪子可能打滑，導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎困難；重心前后偏的影響。以驅(qū)動(dòng)輪后置的四輪結(jié)構(gòu)舉例，重心前偏，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)輪上承受的正壓力減小，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪與地面摩擦力減小，機(jī)器人的有效驅(qū)動(dòng)力降低。同時(shí)萬向輪上承受的正壓力增大，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)，需要的驅(qū)動(dòng)力更大，這時(shí)機(jī)器人打滑更加容易，也更容易走偏，整車的可控性也變差。結(jié)論：設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，前后對(duì)稱，左右對(duì)稱，都能有效的防止機(jī)器人的晃動(dòng);設(shè)計(jì)時(shí)底盤要穩(wěn)，底盤重量至少占到機(jī)器人重量的1/2為好；設(shè)計(jì)時(shí)重心要低，重心位置要經(jīng)過嚴(yán)格控制，不可以靠上身零件的重量來平衡重心位置，以免產(chǎn)生杠桿效應(yīng)。在驅(qū)動(dòng)輪前置或者后置的方案中，重心距離驅(qū)動(dòng)輪軸線不應(yīng)該超過驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪距離的1/3,否則容易造成驅(qū)動(dòng)力不足3、不同材質(zhì)輪子的性能差別?聚氨酯輪與尼龍輪對(duì)比一般情況下尼龍的硬度較高，比較耐磨，在承重方面較好，但是尼龍輪在地板或地磚上使用時(shí)容易對(duì)地面造成研傷，不適合室內(nèi)機(jī)器人使用。聚氨酯的軟一些，強(qiáng)度相對(duì)差些，靜音效果比較尼龍好。?聚氨酯輪與橡膠輪對(duì)比滾動(dòng)阻力對(duì)比聚氨酯材料的化學(xué)構(gòu)成決定了它具有比橡膠更低的滾動(dòng)阻力。較低的滾動(dòng)阻力會(huì)提高機(jī)器人電池的使用效率和時(shí)間緩沖性能對(duì)比實(shí)心輪的緩沖性能直接與它的材料硬度有關(guān)，硬度值越高，輪子越硬，吸收沖擊的能力越弱，緩沖性能越差。橡膠輪的硬度普遍在65-75之間，而聚氨酯的硬度往往高達(dá)80-95,因?yàn)榫郯滨ポ^硬，使用的平穩(wěn)性不如橡膠輪。牽引性能對(duì)比驅(qū)動(dòng)輪能提供的牽引力大小基本取決于接觸對(duì)象之間的靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)的大小。橡膠輪較軟，同質(zhì)量作用下與地面的接地印痕面積大，因此，橡膠輪能提供的牽引力明顯大于聚氨酯輪。聚氨酯輪為了改善輪子牽引性能，通常在輪胎表面開模增加橫槽紋或加刻不同形式的花紋，這樣做在犧牲部分承載能力的條件下提高了其牽引性。承載能力選擇合適的硬度，聚氨酯輪和橡膠輪都能勝任上百公斤的負(fù)載耐磨性橡膠輪軟、平穩(wěn)，但沒有聚氨酯輪耐磨，一般來說，聚氨酯輪的耐磨壽命是橡膠輪的2倍以上性價(jià)比橡膠輪價(jià)格一般比聚氨酯輪便宜25%-50%，但是聚氨酯輪使用壽命一般在橡膠輪的2倍以上。4、工藝好壞對(duì)底盤的影響及控制安裝電機(jī)的本體精度控制。口本體的塑殼或鈑金要有足夠的強(qiáng)度，底盤行走受力時(shí)不變形；口兩側(cè)電機(jī)安裝面等高一致性良好；口兩側(cè)電機(jī)安裝位置對(duì)稱性良好。傳動(dòng)系統(tǒng)的精度控制。驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)屬于機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)中精度要求最高的部分，因此要做到以下幾點(diǎn)：口尺寸公差設(shè)置合理。軸承內(nèi)外環(huán)配合面、預(yù)緊面、鍵槽對(duì)稱面、各種壓蓋間隙、止口、孔位等配合位置，根據(jù)相應(yīng)場(chǎng)合和作用給出合理公差帶。口軸承使用正確。對(duì)于外環(huán)孔來說，考慮到轉(zhuǎn)子部件的熱變形，一般都是采用小間隙配合；內(nèi)環(huán)軸遵循以下原則，就大多數(shù)場(chǎng)合而言，軸旋轉(zhuǎn)且徑向載荷方向不變，即軸承內(nèi)圈相對(duì)于載荷方向旋轉(zhuǎn)的場(chǎng)合，一般旋轉(zhuǎn)過度或過盈配合，靜止軸且徑向載荷方向不變，即軸承內(nèi)圈相對(duì)于載荷方向是靜止的場(chǎng)合，可選擇過渡或小間隙配合。口行位公差設(shè)置合理。電機(jī)座、軸承座、各種連接法蘭、轉(zhuǎn)接件、導(dǎo)向件等零件需要合理標(biāo)注形位公差。合理選擇形位公差，基于兩個(gè)原則，一是保證零件使用要求，二是兼顧產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益。口鈑金件或塑料件精度和強(qiáng)度足夠。比如鈑金件固定電機(jī)，因?yàn)橐蹚潱@個(gè)角度很可能不是90度，這將導(dǎo)致電機(jī)軸上傾或下傾，影響整個(gè)裝配性能。采用鈑金件時(shí)一定要注意鈑金件的實(shí)際尺寸和你需要尺寸的差別，盡量保證兩者一致。表面粗糙度及熱處理合理。表面粗糙度是為了保證零件間配合的實(shí)際效果。表面粗糙度達(dá)不到使用要求，不僅會(huì)降低運(yùn)動(dòng)的靈