為適應不同場景需求,不同類型的輪子被設計出來,機器人移動平台常見車輪7種
普通橡膠輪看起來最為普通,但實際應用廣泛,在兩輪差速驅動機器人、car-like robot及四輪驅動(4WD)機器人均采用該輪子。
普通橡膠輪表麵花紋複雜,有效增大摩擦係數,有較好抓地力,且材質具有一定彈性,具備一定抗震功能,輪胎直徑範圍較大,越障性能較好。但輪子運動速度方向需沿著輪子外圓切線方向,並不能橫移,因此運動靈活性不如萬向輪。
因此,普通橡膠輪適用於室內外的大部分地形特征,也適用於速度變化範圍大(高速到低速)的場景。
直行被動輪本質上與普通橡膠輪是相近的,普通橡膠輪的輪軸會與電機軸相連接,成為主動輪,而圖 2.1(b)中的直行被動輪的輪軸是與輪架連接,沒有電機驅動,因此是被動輪。
直行被動輪與普通橡膠輪都是隻能沿著輪子外圓切線方向運動,不能橫移。
直行被動輪在實際應用中的半徑一般較小,常被應用於室內場景,例如我們的超市購物車、嬰兒車的兩個後輪。
全向輪與麥克納姆輪是一對“同分異構體”,全向輪的輥子軸線與輪轂軸線夾角為90度,而麥輪是45度,因此麥輪存在問題,全向輪也有,從而導致兩者的應用場景也是比較接近的,故不在此贅述,具體可參考《全向輪運動特性分析》。
麥克納姆輪外形炫酷,是由輪轂和外圍係列輥子組成,實際運動是由輪轂轉動和輥子轉動兩部分運動合成的,具體規律可以參考《麥克納姆輪運動特性分析》。
麥克納姆輪的外圍輥子之間存在間隙,因此麥輪運動過程中會存在輕微的震蕩,且對運動連續性也有影響。麥輪的負載能力也較弱,是因為整個機器人重量會“壓”在輥子軸上,輥子軸直徑很小,所以能夠承受的重量也是較小的。
麥輪的構型和工藝較其他輪子更複雜,且輥子易磨損,因此成本也更高。麥輪的運動是依賴於輥子的運動的,假如麥輪在室外非結構化場景(泥土、雜草)中運動,輥子容易被雜物卡住而無法被動轉動,因此麥輪主要被應用於結構化地麵,如水泥地麵等。
將多個麥輪按照一定規律排列組合,並按照一定規律運動,就可以達到全向移動的效果,適用於室內狹窄場景。
萬向輪有別於全向輪,常被作為被動輪,是隨著機器人的運動而被動運動的,主要作用是提供滾動功能降低運動摩擦,以及提供支撐,主要優點是能夠朝向任意方向運動。
本文列舉了兩種:滾珠萬向輪和被動萬向輪。
從圖 2.1(e)可以看出,滾珠萬向輪的運動依賴於嵌入在輪殼內的滾珠,滾珠是標準球體,可朝向任意方向滾動,實現“萬向”的效果,在TurtleBot3的前麵兩個輪子就是采用的滾珠萬向輪,這樣可以盡可能壓低機器人底盤。
生活中更常見的是被動萬向輪,如圖 2.1(f)所示,常被用於超市購物車、嬰兒車的兩個後輪。這裏分析兩個細節:
在圖 2.1(f)中,滾輪的軸線是B,滾輪轉向時會繞著軸線A轉動,分別對應兩個自由度,軸線A和B之間是空間相互垂直的關係,但不會存在交點,即兩條軸線之間存在一定距離。這是因為該距消除了A軸線死點的情況,可實現萬向輪轉向時需要先完成轉向,再繼續滾動的動作,且對滾輪的運動方向具有一定的導向調整作用,削弱了兩個自由度衝突程度,如果兩軸線相交,則A軸線的自由度會有存在死點,兩個自由度沒有主次之分,當機器人想轉向時,滾輪可能會卡在A軸線死點上而無法轉向,影響轉向效果。
舵輪其實是直行被動輪的升級版,在執行被動輪上增加了兩個電機,電機MA用於直接驅動輪子滾動,電機MB通過齒輪組驅動驅動轉向,因此舵輪是有兩個自由度,且可以主動控製,即可直線運動,又可轉向。
舵輪也常被應用於室內AGV,用於搬運倉庫貨物,通過多個舵輪組合運動,可實現全向運動。
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