商用机器人的全方位轮的优势:任意方向运动,精确定位和高精度轨迹跟踪

所谓全方位移动机构是指运动机构在二维平面上，从当前位置能够向任意方向运动，而不需要车体改变姿态。目前我们所见过的J大多数的轮式移动机构在调整 运动方向时都需要一定的回转半径，而全方位移动机构可以使回转半径为0。全方 位移动机构比普通的移动机构在某些场合有明显优越性。例如，当车辆在狭窄或 拥挤的空间内工作时，利用全方位移动机构的零回转半径的特点，使其能灵活自如 地穿行。另外，全方位移动机构可以对自己所处的位置进行细微的调整，因此，在需要准确定位和G精度轨迹跟踪的时候也要求运动机构具备全方位移动的能力。

现在比较常见的全方位移动机构有：空气悬浮式，全轮转向式，如图2-2-3 所示。麦卡纳姆轮(MECANUM)S~7, 球履带全方位移动机构8等。

日本电通大的越山笃等人研制了一种球轮驱动式全方位移动机器人9,10。图 2-2-4为其结构图。它由一个球形轮构成，外部是一个拱形壳，移动和控制机构在 轮的内部，由三个直流电机分别驱动球轮(special wheel)、拱 体(arched body)和 控 制 拱(controlling arch),以实现全方位移动功能。

1992年，日本神户制钢所的西川晃平等人研制了一种球履带全方位移动机 构3-11.123,结构示意图见图2-2-5。该全方位移动机构有两条履带，每个履带内平 行放置两条杆，分别由直流伺服电机通过履带驱动，而每条履带内各自分别放入2个橡胶球，通过两条履带的运动组合及球的转动即可实现全方位移动功能。

另外还有一种称为Mecanum 的全方位轮。由图2-2-6所示。这种特殊的车 轮是瑞典 Mecanum 公司的专利。通过将多个(常为3个或4个)Mecanum 轮以一 定的方式组合，就可以使移动机构具备全方位移动机能。美国卡内基-梅隆大学的 Muir.Charles和Neuman 等人研制出了一台具有四个Mecanum 轮的全方位移动 机器人——URANUS 。 这种机器人自载电源、计算机和一定数量的传感器，可 以非常灵活地在地面上自主运动。由于这种Mecanum 轮结构紧凑，运动灵活，因 此本课题拟提出采用这种车轮作为壁面移动机器人的移动机构，实验证明使用 成功。

Campion G 在文献[13]中将轮子划分为传统轮系，包括固定方向轮(fixed wheel)、同 心 方 向 轮(centered orientable wheel)和偏心方向轮(off-centered orientable wheel)(见图2-2-7),和自由方向轮系，如瑞典(Swedish) 轮、球轮等。 Swedish 轮也称Mecanum 轮，由轮辐和固定在外周的许多小滚子构成，轮子和滚 子之间的夹角为γ,通常夹角γ为45°,如图2-2-8所示

球 轮(ball wheel)由一个滚动球体、 一组支撑滚子和一组驱动滚子组成，其中 支撑滚子固定在车底盘上，驱动滚子固定在一个可以绕球体中心转动的支架上，如 图2-2-9所示15.16]。每个球轮上的驱动滚子由一个电机驱动，使球轮绕驱动滚子 所构成平面的法线转动，同时可以绕垂直的轴线自由转动。轮子的驱动力是滚子 和轮子的摩擦力，使得轮子的驱动力和速度受到限制，这也是球轮的缺点。同时， 轮子在地面滚动过程中吸附的一些灰尘，会在轮子和滚子的接触点积累，影响两者 之间的摩擦力，使轮子打滑，我们在使用滚动鼠标时都会有同样的感受。因而，对 球轮的改进方法是有效增加滚子和球体之间的摩擦驱动力。

连续切换轮的基础为Transwheel 轮，由一个轮盘和固定在轮盘外周的滚子构 成。轮盘轴心同滚子轴心垂直，轮盘绕轴心由电机驱动转动，滚子依次与地面接 触，并可绕自身轴心自由转动，结构如图2-2-9所示。采用这种轮子设计了几种不 同的足球机器人17.18],所存在的问题与Swedish 轮相似，就是轮盘转动时，滚子同 地面接触不连续，使机器人产生振动和打滑。

方法是采用多个滚子以减小滚子之间的间隙。

全方位轮在移动机器人领域的应用已经非常广泛，已经涉及生活中很多领域， 包括足球机器人、全方位轮椅、月球车、工程叉车等，由于其运动性能的优点，使其 应用将越来越广泛。图2-2- 14为上海交通大学开发的第三代月球车模拟样机。 图2-2-15为上海交通大学开发的全方位移动足球机器人。

Airtrax 公司是世界上D一个将全方位移动机器人应用于商业开发的公司，该 公司D一次生产了大型全方位轮，并且将4个大型Mecanum 轮子做成工程叉车， 如图2-2-16所示，主要用于仓库货物运输用途，除了具有一般叉车功能外，使用更 灵活，操作更简单。

M.Wada 等人采用全方位球轮设计并研制了全方位移动轮椅，如图2-2-17 所示，通过右手边的3自由度摇杆可以方便地控制机器人的前进、后退、转向。