1. 輪車機器人
二輪車的速度、 傾斜度等物理精度不高, 而若將其進行機器人化, 則引進簡單、便宜、可靠性高的傳感器也很難。 此外,二輪車制動及低速行走時極不穩(wěn)定, 目前正在進行穩(wěn)定化試驗。圖1所示為利用陀螺儀的二輪車。人們在駕駛兩輪車時, 依靠手的操作和體重的移動力求穩(wěn)定行走,這種陀螺二輪車, 把與車體傾斜成比例的力矩作用在軸系上,利用陀螺效果使車體穩(wěn)定。![]( "圖片2.png")
圖 2 三輪車型移動機器人機構(gòu)
圖3所示的三組輪是由美國Unimationstanford 行走機器人課題研究小組設(shè)計研制的。它采用了三組輪子, 呈等邊三角形分布在機器人的下部。
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圖4 四輪車的驅(qū)動機構(gòu)和運動
另外, 還有依據(jù)使用目的, 使用六輪驅(qū)動車和車輪直徑不同的輪胎車; 也有的提出利用具有柔性機構(gòu)車輛的方案。圖5是火星探測用的小漫游車的例子。![]( "圖片29.png")
圖6 四輪防爆機器人
4. 三角輪系統(tǒng)
圖7所示為三角輪系的機構(gòu)圖。這是日本東京大學(xué)研制的一種機器人輪系, 它所裝備的機器人用于核電廠的自動檢測和維修。該機器人除了采用三角輪系外, 還具有一個傳感器系統(tǒng)和一個計算機控制系統(tǒng)。該輪系使機器人不但能在地面上運動, 而且還能夠爬樓梯。
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圖8 全方位移動車的移動方式
(a) 全方位方式； (b) 轉(zhuǎn)彎方式; (c) 旋轉(zhuǎn)方式; (d) 制動方式
6. 兩足步行式機器人
車輪式行走機構(gòu)只有在平坦堅硬的地面上行駛才有理想的運動特性。如果地面凸凹程度和車輪直徑相當, 或地面很軟, 則它的運動阻力將大增。 足式步行機構(gòu)有很大的適應(yīng)性, 尤其在有障礙物的通道(如管道、 臺階或樓梯)上或很難接近的工作場地更有優(yōu)越性。 足式步行機構(gòu)有兩足、 三足、 四足、 六足、 八足等形式, 其中兩足步行機器人具有最好的適應(yīng)性, 也最接近人類, 故也稱之為類人雙足行走機器人。類人雙足行走機構(gòu)是多自由度的控制系統(tǒng), 是現(xiàn)代控制理論很好的應(yīng)用對象。 這種機構(gòu)除結(jié)構(gòu)復(fù)雜外, 在靜/動狀態(tài)下的行走性能、穩(wěn)定性和高速運動等都不是很理想。 如圖9所示, 兩足步行機器人行走機構(gòu)是一空間連桿機構(gòu)。 在行走過程中, 行走機構(gòu)始終滿足靜力學(xué)的靜平衡條件, 也就是機器人的重心始終落在支持地面的一腳上。
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圖12 履帶機器人
通過進一步采用適應(yīng)地形的履帶, 可產(chǎn)生更有效地利用履帶特性的方法。 圖13是適應(yīng)地形的履帶的例子。
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圖 1 利用陀螺儀的二輪車
2. 由三組輪子組成的輪系
三輪移動機構(gòu)是車輪型機器人的基本移動機構(gòu)。目前, 作為移動機器人移動機構(gòu)的三輪機構(gòu)的原理如圖2所示。
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圖 3 三組輪
在該輪系中, 每組輪子由若干個滾輪組成。 這些輪子能夠在驅(qū)動電機的帶動下自由地轉(zhuǎn)動, 使機器人移動。驅(qū)動電機控制系統(tǒng)既可以同時驅(qū)動所有三組輪子, 也可以分別驅(qū)動其中兩組輪子, 這樣, 機器人就能夠在任何方向上移動。 該機器人行走部分設(shè)計得非常靈活, 它不但可以在工廠地面上運動, 而且能夠沿小路行駛。 存在的問題是, 機器人的穩(wěn)定性不夠, 容易傾倒, 而且運動穩(wěn)定性隨著負載輪子的相對位置不同而變化。 另外， 在輪子與地面的接觸點從一個滾輪移到另一個滾輪上的時候, 還會出現(xiàn)顛簸。
為了改進該機器人的穩(wěn)定性, Unimationstanford研究小組重新設(shè)計了一種三輪機器人。改進后的特點是使用長度不同的兩種滾輪：長滾輪呈錐形, 固定在短滾輪的凹槽里。這樣可大大減小滾輪之間的間隙, 減小了輪子的厚度, 提高了機器人的穩(wěn)定性。 此外, 滾輪上還附加了軟橡皮, 具有足夠的變形能力, 可使?jié)L輪的接觸點在相互替換時不發(fā)生顛簸。
3. 四輪機器人
四輪車的驅(qū)動機構(gòu)和運動基本上與三輪車相同。 圖4(a)所示為兩輪獨立驅(qū)動, 前后帶有輔助輪的方式。 與圖2(a)相比, 當旋轉(zhuǎn)半徑為0時, 由于能繞車體中心旋轉(zhuǎn), 因此有利于在狹窄場所改變方向。 圖4(b)是所謂汽車方式, 適合于高速行走, 但用于低速的運輸搬運時, 費用不合算, 所以小型機器人不大采用。
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圖 5 火星探測用小漫游車
圖6所示為四輪防爆機器人, 該輪系由于采用了四組輪子, 運動穩(wěn)定性有很大提高。但是,要保證四組輪子同時和地面接觸, 必須使用特殊的輪系懸掛系統(tǒng)。它需要四個驅(qū)動電機, 控制系統(tǒng)也比較復(fù)雜, 造價也較高。![]( "圖片30.png")
圖7 三角輪系的機構(gòu)圖
5. 全方位移動機器人
過去的車輪式移動機構(gòu)基本上是2自由度的, 因此不可能簡單地實現(xiàn)任意的定位和定向。 機器人的定位, 用四輪構(gòu)成的車可通過控制各輪的轉(zhuǎn)向角來實現(xiàn)。自由度多、能簡單設(shè)定機器人所需位置及方向的移動車稱為全方位移動車。圖8是表示全方位移動車移動方式的各車輪的轉(zhuǎn)向角。
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圖9 兩足步行式行走機構(gòu)原理圖
兩足步行機器人的動步行有效地利用了慣 性力和重力。人的步行就是動步行, 動步行的典型例子是踩高蹺。 高蹺與地面只是單點接觸, 兩根高蹺不動時在地面站穩(wěn)是非常困難的, 要想原地停留,必須不斷踏步,不能總是保持步行中的某種瞬間姿態(tài)。
圖10所示為北京漢庫科技公司研制的雙足機器人。該機器人全部采用國產(chǎn)元件, 驅(qū)動部分采用23個直流伺服電機, 行走平穩(wěn),能直立,前進,后退,單腿站立, 原地旋轉(zhuǎn),跳舞, 打太極拳等。其中，二足共有10個自由度， 由腰部、 大腿、 小腿和腳掌組成，髖部有前向和側(cè)向關(guān)節(jié)各一對，膝部有前向關(guān)節(jié)一對，踝部有前向關(guān)節(jié)和側(cè)向關(guān)節(jié)各一對。前向關(guān)節(jié)用來實現(xiàn)重心在前進方向上的運動。側(cè)向關(guān)節(jié)用來實現(xiàn)重心的側(cè)向運動。
KAMRO機器人是Karlsrube大學(xué)開發(fā)的自治式行走機器人, 如圖11所示。該機器人用在柔性制造單元中進行工件搬運和裝配作業(yè)。 KAMRO機器人從材料儲存系統(tǒng)中挑選所需的零件并把它搬運到裝配站, 零件準備好以后, 機器人的兩個手臂在傳感器系統(tǒng)監(jiān)控下把零件裝配成成品件。手部具有裝配工作不可少的力和力矩傳感器,以便測量裝配過程中零件之間的碰撞和力; 由視覺系統(tǒng)監(jiān)視裝配過程, 即超聲波傳感器探測可能存在的障礙物, 并避開障礙物尋找安全路徑。
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圖10 漢庫科技公司的雙足機器人 圖11 KAMRO機器人
7. 履帶行走機器人
履帶式機構(gòu)的最大特征是將圓環(huán)狀的無限軌道帶卷繞在多個車輪上, 使車輪不直接與路面接觸。 利用履帶可以緩沖路面狀態(tài), 因此可以在各種路面條件下行走。
機器人采用履帶方式有以下一些優(yōu)點:
(1) 能登上較高的臺階;
(2) 由于履帶的突起, 路面保持力強, 因此適合在荒地上移動;
(3) 能夠原地旋轉(zhuǎn);
(4) 重心低, 穩(wěn)定。
圖12所示的排爆機器人的行走機構(gòu)為履帶行走機構(gòu)。
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圖13 適應(yīng)地形的履帶
