轮式机器人专题介绍

来源：比勒陀利亚时间：2017/11/17

轮式机器人简介轮式机器人是以驱动轮子来带动机器人进行移动和工作的机器人。虽然其运动稳定性与路面的路况有很大关系，但是由于其具有自重轻、承载大、机构简单、驱动和控制相对方便、行走速度快、工作效率高等特点，从而被广泛应用。20世纪末，传动机构的设计一直是阻碍机器人发展的难题。此后，国内外做了大量的设计研究，在短短不到20年的时间，已经解决了轮式机器人的传动机构难题。现在机器人通过搭载视觉传感器或气体传感器等设备，可以在缺少人干预的环境中进行战场侦察、室内或库房的巡逻及行星探测等任务，也可以通过搭载声光电等设备作为一种新颖的具有移动性和交互性的儿童玩具。轮式机器人适用性较广，在教学、科研、野外作业、民用运输方面有着广泛的应用前景，在反恐及其它尖端领域具有重大的应用价值。早期的典型代表是美国卡内基-梅隆大学机器人研究所研制的单轮滚动机器人Gyrover。Gyrover是一种陀螺稳定的单轮滚动机器人。它的行进方式是基于陀螺运动的基本原理,具有很强的机动性和灵活性,他们开发该机器人的目的是用于空间探索。英国巴斯大学的RhodriHArmour对单轮滚动机器人做了系统的总结性研究。他从自然界生物存在的滚动前行方式开始论述,通过分析11种单轮滚动机器人,总结出了7种单轮滚动机器人的设计原理:弹性中心构件原理、车辆驱动原理、轮式块原理、半球轮原理、陀螺仪平衡器原理、固定于质心轴上的配重块原理、轮式于质心轴上的配重块原理。由于轮式机构在空间探测机器人系统中的重要地位，国外许多机构都在研究机器人轮式机构。比较著名的研究机构有：美国卡内基梅隆大学（CarnegieMellonUniversity，简称CMU）、美国喷气推进实验室（JetPropulsionLaboratory，简称JPL）、芬兰赫尔辛基工业大学（HelsinkiUniversityofTechnology，简称HUT）和欧洲航天局等。总体来说在轮式机器人领域国内外都取得了大量的成果，所设计的轮式机器人都能够在不可预测的环境中保持正常的运动，能够适应复杂多变的各种未知环境、能够处理各种突发情况并具有较强的避障能力从而能够顺利的完成任务。机器人应用领域不断扩大，机器人完成的操作变得更加复杂。传统的轮式机器人构型己不能满足许多特殊作业要求。为了适应特殊的作业要求，需要设计新型的机器人结构，以实现准确、快速的预期运动。轮式机器人技术具有延伸性和一定的通用性，可以应用到其它领域。如军用扫雷、排险机器人、勘探机器人、环保机器人和救援机器人等。轮式机器人是机器人技术和智能控制技术相结合和产物，因此轮式机器人的研究和实现对推动机器人机构学、智能机器人技术和智能控制技术的提高具有举足轻重的意义。目前对设计出能在非结构环境下运动的轮式机器人提出了更高的要求，设计的轮式机器人应该具有体积小、质量轻、结构紧凑、对地形适应能力强等特点。总的来说，轮式机器人发展趋势主要是:①轮式机器人的结构不再是简单的轮式结构，取而代之的是具有很强的非结构化环境适应能力的轮、腿、履带式的复合结构和可变现的轮式结构。②由于现在机器人技术、尺寸、质量和费用的限制，微小型和小型轮式机器人是目前发展的主流的热点。轮式机器人分类按轮子的数量分类由于轮子的多少，直接关系到机器人设计的技术和难度，以及其功用。所以轮式机器人的分类一般都是根据其轮子多少进行分类。按照已经出现的机器人，可以分为如下几类：单轮滚动机器人（如球形机器人）、两轮移动机器人（如自行车机器人）、三、四轮机器人（如智能车）、六轮机器人和复合轮式机器人。一般而言，三轮机器人简单实用，四轮机器人稳定性好，承载能力大，而相比之下，六轮机器人比四轮机器人更为优越。1.单轮滚动机器人单轮滚动机器人是一种全新概念的轮式机器人。从外观上看它只有一个轮子,它的运动方式是沿地面滚动前进,后来又开发出的球型机器人也属于单轮滚动机器人。早期的典型代表是美国卡内基-梅隆大学机器人研究所研制的单轮滚动机器人Gyrover。Gyrover是一种陀螺稳定的单轮滚动机器人，它的行进方式是基于陀螺运动的基本原理,具有很强的机动性和灵活性，他们开发该机器人的目的是用于空间探索。英国巴斯大学的RhodriHArmour对单轮滚动机器人做了系统的总结性研究。他从自然界生物存在的滚动前行方式开始论述,通过分析11种单轮滚动机器人,总结出了7种单轮滚动机器人的设计原理:弹性中心构件原理、车辆驱动原理、移动块原理、半球轮原理、陀螺仪平衡器原理、固定于质心轴上的配重块原理、移动于质心轴上的配重块原理。近年来,国内也对单轮滚动机器人也进行了深入研究。香港中文大学设计了一种单轮滚动机器人。它的驱动部件是一个旋转的飞轮。飞轮的轴承上安装有双链条的操纵器和一个驱动马达。飞轮不仅可以使机器人实现稳定运行,还可以控制机器人运动的方向。哈尔滨工业大学设计了一种球形滚动机器人。在进行结构和控制系统设计时,使转向与直线行走两种运动相互独立，从而避免了非完整约束的存在,简化了动力学模型和控制算法，使该机器人转向非常灵活。针对单轮滚动机器人的研究工作主要包括:(1)单轮滚动机器人的动态模型建立以及推进力与操纵机构的耦合和参数化问题；(2)基于位置传感器的运动信息获取方法；(3)动态稳定而静态不稳定的控制方案。单轮滚动机器人的研究具有广阔的应用前景:利用其水陆两栖的特性,将它引入到海滩和沼泽地等环境,进行运输、营救和矿物探测；利用其外形纤细的特性将它用作监控机器人,实现对狭窄地方的监控；在航天领域,基于单轮滚动机器人的原理可以开发一种不受地形影响、运动自如的月球车。2.两轮移动机器人两轮轮式机器人主要包括自行车机器人和两轮呈左右对称布置的两轮移动机器人。自行车机器人自行车机器人是机器人学术界提出的一种全新的智能运输(或交通)工具的概念,由于其车体窄小、可作小半径回转、运动灵活、结构简单,因此可在灾难救援、森林作业中得到广泛应用。但到目前,仍处于理论探讨和初步的实验研究阶段。自行车运动力学特征较为复杂,其两轮纵向布置,与地面无滑动接触,它本身就是一个欠驱动的非完整系统,还具有一定的侧向不稳定性,如果不对它实施侧向控制,自行车就一定会不能站立起来。同时自行车具有对称性特征,即它的拉格朗日函数和约束关于自行车在路面上的位姿变化是不变的。因此,自行车机器人的控制问题相当困难,如不能采用连续或可微的纯状态反馈实现系统的渐近稳定,不能采用非线性变换实现整体线性化等。所以,自行车机器人是一个令人非常感兴趣的研究领域,其动力学与控制极具挑战性。南非比勒陀利亚大学的YYavin设计了两种带机械调节器的自行车机器人,分别为带有转动杆调节器的自行车机器人和带有转动飞轮调节器的自行车机器人,建立了相对应的动力学模型,并且对动力学模型进行了简化。运用逆动态方法设计了自行车机器人的轨迹跟踪控制器。并且对自行车机器人的稳定性及避免碰撞控制进行了研究。中国上海交通大学的刘延柱教授最早对自行车动力学进行了研究,他在年提出要考虑人的控制因素对动力学的影响,并提出单纯依靠车把就可以实现自行车的稳定控制,同时获得了稳定性条件。中国北京邮电大学的郭磊、廖启征、魏世民根据依靠车把控制的方法,分别以电位计和速率陀螺仪检测出自行车的倾斜角度，然后通过控制车把转向来实现对自行车的侧向平衡控制。近年来,大部分研究工作都是围绕着自行车机器人动力学建模和提出新的控制算法这两方面内容展开的。NeniHGetz提出了一种较为简单的自行车机器人动力学模型,并为机器人设计了一个内部平衡控制器,在他所建的动力学模型中,将转动车把的扭矩和自行车后轮的驱动扭矩作为系统输入。一些研究人员提出了一种2个二阶非线性微分方程描述的自行车动力学模型,并使用在线加强学习的智能算法实现自行车机器人的稳定控制。另一些研究人员考虑到配重机构对于自行车机器人稳定控制的重要作用,提出了一种1个二阶非线性微分方程描述的动力学模型,并使用非线性控制理论设计了基于该模型的控制律。自行车机器人研究存在的问题主要包括自行车机器人在运动时的建模和分析、自行车机器人的侧向稳定控制机理、自行车机器人在不同载重下的平衡问题、自行车机器人对复杂地面的适应能力。两轮呈左右对称布置的两轮移动机器人不加装车体的两轮移动机器人是典型的机器人结构,左右轮分别由一个电机驱动,依靠差速实现转向,转向灵活。但当安装上车体时,就同自行车机器人一样,要考虑机器人的平衡问题。这种两轮移动机器人具有极强的灵活性而且它的行为与火箭飞行以及两足机器人行走有很大的相似性,因而对其理论及控制系统的研究受到国内外机器人领域的高度重视。近年来,该机器人逐渐成为全球机器人领域的研究热点之一。美国和日本的研究机构相继开始了这方面的应用研究并取得了初步成果。两轮行走机构是自然不稳定体,是高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合系统。目前还存在许多问题,不能实际应用。年日本筑波大学研制的两轮机器人YamabicoKurara采用倒钟摆式结构,左右两个独立的驱动轮,用陀螺仪传感器测量车身倾角角速度、用旋转编码器来测量车轮度。他们的研究目的是使机器人在平地上行驶的同时保持其自身平衡。控制算法由平衡和速度控制,转向控制和直线跟踪控制组成。最近几年对两轮呈左右对称布置的移动机器人主要的研究有如下:美国卡内基-梅隆大学下属的生物机器人实验室研制了一种两轮机器人,用于城市搜索和营救,该机器人具有很强的生存能力,能承受很大的坠落冲击力。中国台湾成功大学研制了两轮机器人TWV,TWV是由两个独立的马达分别驱动左右轮,用动态分析来获得机器人的数学模型,用渴望车轮响应值和车体倾斜角度来控制车体的动作,使用自适应比例微积分控制器来稳定和控制TWV的姿态。英国巴斯大学的RhodriHArmour在其论文中提到了近年大学研制的两轮机器人,它没有采用由两个驱动马达与地面产生驱动力矩的原理,而是在中央底盘上设置了悬挂摆锤进行驱动。在实验中,它能顺利地爬上斜坡、翻过障碍物。当用球形外壳代替它的两个轮子时,它就变成了单轮滚动机器人。3.三轮及四轮机器人轮式机器人中最常见的机构就是三轮及四轮轮式机器人。当在平整地面上行走时，这种机器人是最合适的选择，并且在其他领域(如汽车领域)已为其发展提供了成熟的技术。三轮移动机器人与四轮移动机器人类似,按转向及驱动方式的不同,分为前轮由电机实现转向、后轮驱动；前轮由电机实现转向、前轮驱动；前轮为万向轮、后面两个车轮分别由一个电机驱动,从而实现差速转向这3种方式。西班牙塞维利亚大学研制的机器人ROMEO3R其前轮即是转向轮又是驱动轮,并且带有人工遥控和机器人自动行走的转换装置。到目前为止,对三轮及四轮移动机器人的相关研究很多,主要涉及到机器人机构、体系结构、运动规划、导航与定位、跟踪控制、运动控制的反馈镇定、交互技术、多传感器系统与信息融合、智能技术等关键技术。同时,该类机器人的研究也为发展多轮及复合式机器人提供了基础。并将对现代汽车工业的发展产生深远影响。4.六轮机器人六轮机器人相比四轮机器其移动灵活性及可靠性更高，越野能力更好，但结构相对复杂，具有代表性的是美国研制的火星探测车，它采用的是六轮摇臂悬架机构，其采用对称式结构，单侧摇臂主要包括主摇臂、副摇臂、前后两个主动轮以及中间的随动轮。与四轮结构相比，由于引入了副摇臂和从动轮，当遇到障碍时，通过对副摇臂的转动，并借助于从动轮来调整重力在各个轮上的分力，可以提高车体的稳定性和越野能力。5.复合轮式机器人由于轮式、履带式等各类移动机器人都具有各自的优点和缺点,因此研制复合式机器人就显得十分必要,复合式移动机器人已逐渐成为现代移动机器人发展的重要方向。复合轮式移动机构主要有轮-腿复合式、关节-轮复合式、轮-腿-履带式，复合轮式移动机器人广泛应用于复杂地形、反恐防暴、空间探测等领域。此类机器人具有较强的爬坡、过沟、越障和上下楼梯能力以及运动稳定性。轮-腿式移动机构运动稳定,具有较强的地形适应能力,应用较多；关节-轮式移动机构运动速度较快,但越障能力差,较多应用于管型构件中；轮-腿-履带式机构越障性能好,但转向性能差、功耗较大,运动控制比较复杂。轮式移动机器人车轮的选择与安装车轮材料的选择1.依据机器人重量选择车轮材料一般来说,机器人越重,要求车轮和履带的结构越坚固。小于2磅的轻型机器人,可以使用软性泡沫塑料车轮。由于机器人的重量轻,软性材料的变形还不至于太严重，而且能在摩擦力很小时工作良好。超过2磅的机器人,需要选用质地更为坚硬的材料做车轮,不充气的中空橡胶轮胎能够在6~10磅下工作。超过10磅,就要考虑实心橡胶轮胎或者充气轮胎。而类似割草机的车轮,不管是实心的还是充气的,在机器人的重量接近40磅的场合都可以成为选择的方案。机器人超过40磅时,可以考虑试用诸如小型机车轮、手推车轮,或者其他相似的高效率的充气轮胎。以上是一般性的建议,在某些特殊工作场合会有例外,比如通过增加静摩擦或滚动摩擦来换取更好的牵引效果,而又不太在意磨损的应用场合。如果轻型机器人驱动电机的功率较小,便可以使用硬橡胶轮胎以减少滚动摩擦。还有另一种例外,就是有意让轮子和标准铅垂面之间形成一个角度,这个措施能削弱机器人由于电机未被妥善紧固而造成的偏离行进方向的倾向。为此轮胎的质地需要更为坚硬,因为此时只是借助轮胎的某个侧面来运动,而非整个底面。机器人运动时,需要考虑轮胎材料以及轮胎受到的压力和拉力。2.依据地形条件选择车轮材料首先观察一下在不同路面上移动时汽车和自行车的车轮。路面平整时常使用充气轮胎,这时轮胎不会发生严重变形。而驾车外出或在山路上骑车时应减少轮胎的充气量。一般来说,在光滑表面使用坚硬的或充气很足的轮胎,在崎岖路面使用扁平的软性轮胎以便获得在不确定路面下良好的牵引效果。对机器人来说选用轮胎的方法与此类似,可以概括为高摩擦表面使用低摩擦性能的轮胎,低摩擦表面使用高摩擦性能的轮胎。在崎岖的路面,车轮需要更具有附着力的轮胎面,它更能适应地形增加摩擦力。路面光滑时,使用光滑的胎面以增加车轮与路面间的接触面积。但如果在光滑的路面上有碎屑和尘土,就需要在轮胎上做出一些特殊的纹路,以增加对运动表面的压力,降低尘土对车轮的影响。路面潮湿时也要求轮胎上有凹槽,这样既有利于排水又可以增加摩擦力,或者说对地面的附着力。有些材料在不同路面上使用时性能的差别很大,一定要仔细选择。往往需要进行试验,以找到能满足路面条件要求的最合适的材料。在同样的路面使用不同的轮胎也会表现出不一样的性能。例如沙地,接触面狭窄时,牵引力很小；接触面积很大时它却能获得高的牵引力。因此在沙地上运动时,应该使用宽轮胎,因为窄轮胎会陷进去但是宽轮胎摩擦系数更高,需要更多能量来驱动它。为了在这对矛盾中寻求最优解就需要进行试验,以获得轮胎宽度的合适范围。车轮的安装机器人在安装驱动轮时，主要注意以下问题：1.平衡机器人为一对车轮驱动的时候,安装时要让左、右车轮处于同一平面内,如下图（a）所示。图（b)为右轮高于左轮情况，左、右车轮高低不同是不可取的。检查所安装的车轮是否平衡的方法很简单,只要将机器人放置在一个光滑的平面上,仔细观察所有驱动轮是否同时接触到平面,以及机器人是否倾斜,或者在每个驱动轮的正上方给一个正压力,观察机器人是否会晃动即可。如果发现车轮不在同一平面内，就要调整车轮十机器人达到平衡状态。机器人不平衡，会导致机器人直线行进时偏离行进方向，朝略微偏向未接触地面的那个驱动轮的方向行驶。电机和驱动轮是通过一个支架与机器人底盘连接的,这时需要在支架与底盘之间塞人厚度合适的垫片调整有问题的驱动轮。如果机器人只是单轮驱动,而通过另外两个辅助车轮来支撑和转向,那么对非驱动车轮也要进行同样的检查和调整,以免机器人出现错误转向的问题。2.对称对于双轮驱动系统,安装时还要注意确保两驱动轮的轴线处于同一前后置上，如下图（a）所示。使两驱动轮的轴线对称布置，操作起来其实很容易,只要在向驱动轮安装架钻孔时事先做好标记就可以了。对于单轮驱动,则要求驱动轮安装在两辅助轮轴线的中垂线上，如下图（b)所示。3.同轴当驱动轮与电机直接连接时,还要注意驱动轮彼此是同轴的,也就是说,驱动轮都对正前方,如图（a）所示。如果出现图（b)所示的安装姿态,如果不靠某种软件来校正,机器人肯定不会沿着既定的路线行驶。如果电机不直接与驱动轮相连,事先应当计划好处安装电机。电机的输出轴将经由链传动、齿形带、带轮等将运动传递到车轮,一定要计算好链条或皮带的长度以及张紧力,确保传动时不会打滑。尽管一些挠性联轴器,比如聚乙烯管材、联轴器成品等,容许在一定程度的错轴条件下传动,但是仍然需要将这种变形限制在允许的范围内。轮式移动机器人转向机构轮式移动机器人的转向结构主要有如下5种:艾克曼转向、滑动转向、全轮转向、轴-关节式转向及车体-关节式转向。艾克曼转向艾克曼转向是汽车常用的转向机构,使用这种转向方式的汽车中有前轮转向前轮驱动和前轮转向后轮驱动两种运动方式。西班牙塞维利亚大学研制的ROMEO4R机器人便采用了艾克曼转向机构,该机器人采用后轮驱动,前轮由电机控制实现转向。澳大利亚卧龙岗大学研制的Titan机器人也采用了艾克曼转向机构,该机器人前面两轮为自由轮,采用艾克曼转向机构,后面两个车轮分别由一个电机驱动,通过差速实现转向。滑动转向滑动转向的两侧车轮独立驱动,通过改变两侧车轮速度来实现不同半径的转向甚至原位转向,所以又称为差速转向。滑动转向的轮式移动机器人的结构简单,不需要专门的转向机构；并且,滑动转向结构具有高效性和低成本性。美国佛罗里达农工大学研制的ATRVJr机器人及加拿大高等综合理工大学研制的Pioneer3AT机器人都采用了滑动转向原理。左边两个车轮和右边两个车轮分别用一个电机控制,靠两侧的差速度控制机器人的转向。全轮转向轮式全方位移动机器人能够在保持车体姿态不变的前提下沿任意方向移动,这种特性使得轮式移动机器人的路径规划、轨迹跟踪等问题变得相对简单,使机器人能够在狭小的工作环境中很好地完成任务。又由于兼具了履带式机器人较强的越野能力和轮式机器人简单高效的特点,四轮全方位转向与驱动机构在机器人移动平台获得了越来越广泛的应用。MobileRobotsInc开发的室内外清扫机器人Seekur便采用了四轮全方位转向与驱动机构,其移动平台采用8个电机分别控制4个轮子的转向和驱动。这种机构具有转向半径小,转向稳定容易等特点。另一种全方位移动方式是基于全方位移动轮构建的,目前主要的全方位移动轮为麦克纳姆轮。麦克纳姆轮主要应用在三轮及四轮全方位移动机器人上。麦克纳姆轮是瑞典麦克纳姆公司的专利,在它的轮缘上斜向分布着许多小滚子,故轮子可以横向滑移。小滚子的母线很特殊,当轮子绕着固定的轮心轴转动时,各个小滚子的包络线为圆柱面,所以该轮能够连续地向前滚动。麦克纳姆轮结构紧凑、运动灵活,是很成功的一种全方位轮。由4个这种轮子进行组合,可以使机构实现全方位移动功能。新西兰梅西大学研制了装有麦克纳姆轮的移动机器人,他们对这种机器人进行了运动控制实验。针对麦克纳姆轮在移动机器人应用中存在的一些缺陷,中国哈尔滨工业大学机器人研究所设计了一种新型的全方位轮，由这种全方位轮组成的全方位移动机构具有运转灵活、控制方便、效率较高、承载能力较强；轮上的各个小滚子一般均处于纯滚动状态,不易磨损；滚子轴的受力情况也较好,不易损坏；对各轮的转向和转速控制得当,可实现精确定位和轨迹跟踪等特点。此外,近年来还出现了一些新的全方位移动方式。如伊朗加兹温省的阿萨德大学研制的螺旋运动机器人Clmix，Clmix机器人有3个固定的车轮,分别由3个电机驱动,可以实现狭小空间的全方位移动。轴-关节式转向由于采用轴-关节式转向结构的机器人在转向时车轮转动幅度较大,因此这种转向方式一般不常采用。车体-关节式转向车体-关节式转向机器人,具有转弯半径小,转向灵活的特点。但其转向轨迹难以进行准确控制。并且在行驶时容易出现前轮和后轮轨迹不一致,需要用到其它辅助装置来约束后面车体的自由度。典型全方位轮转向结构分析全方位运动机器人回转半径为零，能够沿任何方向运动，运动灵活并且不需要车体改变姿态，在很多场合具有明显的优越性。典型的全方位轮有全轮转向式、麦克纳姆轮、正交轮、球轮、偏心方向轮。全轮转向式如图为典型全轮转向式全方位移动机构，电动机通过蜗杆5、锥齿轮2驱动轮子1转动。操舵由蜗轮蜗杆6、圆柱齿轮4带动蜗杆架实现的，整个机构设3、7两个转向电机，通过离合器转换实现三种移动方式，使机器人完成全方位移动。麦克纳姆轮麦克纳姆轮如图所示，它有两种不同的形式：两端支撑麦克纳姆轮（如图左）和中间支撑麦克纳姆轮（如图右）。麦克纳姆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Y，通常将夹角Y做成45度，每个轮子具有三个自由度，第一个是绕轮子轴心转动，第二个是绕滚子轴心转动，第三个是绕轮子和地面的接触点转动。轮子由电机驱动，其余两个自由度自由运动。由三个或三个以上的麦克纳姆轮可以构成全方位移动机器人。如图为由麦克纳姆轮作为行走机构的全方位移动机器人。正交轮正交轮是由两个相同的球形轮子（削去球冠的球）架固定在一个共同的壳体上构成的，如图为正交轮结构简图，每个球形轮子架有两个自由度，即绕轮子架的电机驱动轮子转动和绕轮子轴心的自由转动。两个轮子架的转动轴方向相同，由一个电机驱动，两个轮子的轴线方向相互垂直，因而称为正交轮。如图为中国科学院沈阳自动化研究所研制的全方位机器人，该机器人即采用了这种结构。球轮球轮由一个滚动球体、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，其结构如图所示。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的平面的法线转动，同时可以绕垂直的轴线自由转动。如图为球轮全方位移动机器人。偏心方向轮偏心方向轮结构如图所示，它采用轮盘上不连续滚子切换的运动方式，轮子在滚动和换向过程中与地面的接触点不变，采用这种结构的机器人在运动过程中不发生振动，同时机器人很少发生打滑现象。如图为偏心方向轮的实际应用。单球轮式移动机器人结构设计一般的轮式机器人都有着一个共同的弊端——无法在小空间内进行灵活自由的转向和全方位的移动，在与人协作时，不能快速的跟随人的动作对运行方向做出调整，从而限制了人机协作的应用场合。将传统的轮式机器人的驱动轮用圆球体替代，出现了一种新的、特殊的轮式移动机器人——单球轮移动机器人。单球轮移动机器人作为轮式机器人的一种，依靠圆球体作为驱动轮在平面上进行移动，由于圆球体具有换向不用转弯的优势，所以可以实现机器人全方位的移动，即使在狭窄区域中也能进行灵活的工作，在工作生活中具有很强的实用性。单球轮移动机器人的典型结构是以隔板分层隔开的圆柱体作为机器人的主体，以对称分布的电机安装在主体底盘上作为驱动装置，以圆形球体作为机器人的驱动轮。主体结构设计机器人的主体作为单球轮移动机器人的核心部分，需要完成的功能有：（1）采集主体的姿态数据；（2）驱动圆形球体移动；（3）为整个系统供电。所以机器人主体需要包含机器人的控制板、机器人驱动装置以及系统的电源三大部分。同时为了更有利于机器人的平衡和稳定，主体上的各个装置进行安装时需要以主体为中心对称点进行对称安装。机器人主体结构示意图如图下所示。机器人具体设计为：主体高mm，分为两层，通过两块直径为mm的圆形PVB塑料板作为支撑，PVB板中间通过三根互成°的丝杠固定，主体顶层安装的是机器人的控制板，底层的上面安装的是三个步进电机驱动器，下面安装的是三个步进电机，丝杠、步进电机驱动器以及步进电机的位置一一对应。主体的实物图如图所示。底盘结构设计机器人底盘上安装的是机器人的驱动装置，即步进电机、步进电机驱动器以及QL万向轮。由于机器人的移动实际上是借助万向轮来驱动下方的圆形球体移动，所以步进电机以及QL万向轮的安装位置会对机器人的驱动效果、稳定性以及数学模型的建立产生重大影响。本机构采用三个步进电机互成°安装，步进电机转轴与安装平面呈45°角，底盘结构如图所示。由上左图可知，三个步进电机的中轴线之间互成°角，在空间上对称，故三个电机重力的合力过底盘的中心，有利于驱动圆球体移动时主体的稳定。底盘中心预留了一个五边形孔洞，主要是为了方便拆卸电机。由上右图可知，步进电机的中轴线过底盘中心，且与底盘呈45°，之所以β=45°，因为如果β太大不利于主体驱动圆球体沿X或Y轴的移动，而β太小则会导致主体在圆球体上的平衡更加困难，所以取一个适中的值。底盘的实物图如图所示。万向轮和驱动球选择对于万向轮选择，有多种结构都能够满足要求，全向轮驱动装置简单并具有很好的驱动效果，本设计选择4寸QL全向轮为驱动轮，因为该种全向轮与圆球体表面只有一个接触线，使得其对球体的驱动更加简单，全向轮如图所示。QL全向轮采用了双排多细分的设计，其自由滚轮为优质橡胶并内嵌轴承，运转时可以有效的将滚轮轴的滑动摩擦转化为滚动摩擦，并弥补了自由滚轮之间的间隙，避免了全向轮运转中抖动严重的问题。对于驱动球的选择上，国外基本上使用的都是表面覆盖特殊涂层的硬质球，本次设计选择直径为mm表面覆盖特殊涂层的硬质球，虽然这种驱动球制造成本较高，但其稳定、耐磨，较长时间都能保持较好的精度，机器人运动较平稳。双轮式移动机器人结构设计轮式机器人的机构设计属于机械领域，在设计过程中不仅要考虑自身重量的影响，还要考虑到工作环境的影响，而且不能对数据的采集和分析产生干扰。结构设计双轮式机器人整体结构示意图如图所示，其结构用空心弧形管将两轮联接成“工”字形状，两轮轴心处各有一内置步进电机，控制车轮的正反转，实现机器人全方位的行走。在两轮的内侧各有一个挂篮与空心管固定为一体，挂篮内装有蓄电池块，既可作为动力源，还可以当作配重块。挂篮与空心管通过螺丝联接成一体，方便拆卸。在空心管的中端有一摄像头，用于观察反馈现场情况。通过遥控控制电机的转向，可轻松实现机器人的前进，后退，及原地转向。挂篮底部装有蓄电池块，能够起到偏重块作用，保证了轮式机器人的在平路或斜坡上都能够保持静止状态。如图为双轮式机器人结构简图。机构采用了一种全新、高效的内驱动方式，通过遥控电机的转向，双轮机器人能自如地完成直线、圆弧运动，最高运动速度达到了5m/s，能够爬上30度的斜坡，并且能够实现原地自转。在静止状态下轮式机器人能够沿任意方向启动运动。设计时特意采用弧形空心管，大大提高了机器人的底盘，使得该机器人行走可以直接通过障碍物，具有良好的过障碍能力，这在条件恶劣的道路上行走尤其重要。通过控制两个步进电机同步同向转动，双轮机器人能实现快速直线行驶，其结构简单，不存在失稳状态，易于控制。又可通过控制步进电机同步反向转动，迅速实现后退，其反应灵活，操作方便。还可单独控制左右一侧电机的转动，实现机器人的左右转弯，必要时还可控制两侧电机的同步异向转动，机器人能实现原地转向。该设计平台操作简便，用途广泛，在未来各领域都能有着广阔的发展空间。车轮的电机采取内置，没有导线在外裸露，不易被障碍物挂住或挂断导线，增强了机器人适应恶劣环境的能力；轮子与地面接触产生的摩擦力为驱动力，没有被动摩擦轮，运动效率高；轮子与地面接触面小，对路面条件要求低，适应环境能力强。并且机器人用最少的自由度，以欠驱动的方式实现了机器人的全方位运动。并在弧形管的中间安装一摇控摄像头，通过控制摄像头的云台可控制摄像头实现左右、高低转动，扩大了摄像头的观察视野，使得摄像头能够全视距观察现场情况。在特殊场合下，还可通过搭载武器、传感器等特殊装备，来完成一些特殊任务，减少在战争中的人员伤亡。这种机器人平台在教学、科研、野外作业、民用运输方面有着广泛的应用前景，在反恐及其它尖端领域具有重大的应用价值。运动研究为了便于分析机器人的运动，我们可将该轮式机器人作为一整体，其受力可简化为重力G、地面的反作用力N、摩擦力Ff，如图所示。其运动取三种情况进行分析：在平路上行驶、爬坡以及在斜坡上的静止。三轮移动机器人三轮移动机器人具有稳定性，并且简单实用，到目前为止，对三轮移动机器人的相关研究有很多，主要涉及到机器人机构、体系结构、运动规划、导航与定位、跟踪控制、运动控制的反馈镇定、交互技术、多传感器系统与信息融合、智能技术等关键技术。后轮驱动三轮式移动机器人行走机构设计三轮式移动机器人根据车轮配置与功能的不同组合有可以将其分为如图的四种类型。图（a）所示的组合是前轮1为万向脚轮或球形轮，后轮2和后轮3为独立驱动轮，利用它们的转速差实现转向。这种组合的特点是机构组合容易，而且当两个驱动轮以相同速度、相反方向转动时车体能绕两个驱动轮连线的中点自转，但自传中心与车体中心不一致。图（b）所示的组合是操纵舵机机构和驱动机构集中在前轮1上，两个后轮之起支撑从动作用。与图（c）相比，该机构也能绕两后轮连线的中点自转，但其前轮驱动集中，结构比较复杂。图（c）所示的组合是前轮1为操舵轮，后轮2和后轮3中的一个为驱动轮，另一个为从动轮。这种车轮机构的特点是结构简单，组成容易，但单边驱动的驱动性差，稳定性不好，不能自传。图（d）的车轮组合将图（c）的单轮驱动该为双后轮差动驱动，提高了驱动性，但加了一个差动齿轮装置，结构更加复杂，也增加了质量。三轮移动机构基本具有稳定性，其主要问题是移动方向的控制，如图为两后轮独立驱动的机器人移动底盘结构示意图，两后轮分别由两台直流伺服电机驱动，每台电机与各自驱动的主动轮构成速度闭环，在额定工作载荷范围内，调节两电机的速度控制电压即可调节两主动轮驱动电机的转速，从而实现移动机器人的运动方向和运动速度的控制。如图为三轮机器人行走机构结构简图，A为主动轮，B是减速器，C是直流伺服电机，D是从动支撑轮。主动轮采用全轮转向式结构，从动轮为小角轮，安装布置在两主动轮连线的中垂线上。四轮移动机器人1.小型四轮机器人行走机构结构设计在设计轮式机器人行走机构时，首先应考虑机器人的用途，因为不同的用途，轮式机器人的移动机构是不同的。此外，还应该考虑轮式机器人的工作环境、耐久性、稳定性、机动性、复杂性、外形尺寸及设计加工费用等。根据移动机器人平台以后会应用的复杂环境情况，我们所设计的行走机构必须具有较好越障性能及适应能力较强的移动系统，使其能够根据不同的结构环境调整自身的步态来完成指定任务的用途。轮式机器人的行走机构主要由悬挂系统、底盘系统、传动系统承载轮机构和行走驱动机构组成。机构的总体设计要求着重考虑以下几点：①在远距离平坦路面运动情况下，要求机器人具有较高的运动速度和较低的能耗。②在松软、沼泽、不平坦地形、陡峭的斜面等自然环境中保持较好的穿越能力。③越障能力强，能够穿越平常障碍，能够穿越台阶、凸台、壕沟等室内结构化环境中经常遇到的障碍。④能够实现在较灵活的转向功能。⑤结构紧凑、质量轻、体积小、运动灵活。底盘的设计机器人移动机构的底盘是整个机器人各部件的承载平台，同时也是个主要部件的装配设计基准。底盘的设计好坏直接影响到机器人的传动精度和传动效率，并且对运动部件的寿命起到直接的影响。在设计底盘时，既要考虑到底盘在运动过程中药承受震动及其它载荷，会产生的变形，又要考虑底盘自身的强度和刚度要求。本文所设计的行走机构底盘主要承载行走机构驱动系统、悬挂系统，搭载系统三个部分。要求在总体设计要求提出的尺寸指标下合理安排和设计各部件的安装结构。既满足论文所提出的性能要求，又能够在要求的尺寸下安装各个部件。此外，作为小型的移动机器人，在充分考虑其运行的复杂路况及环境下，符合车体的尺寸小、质量轻等要求，从经济和实用的角度考虑，本设计选择30×30mm方钢管材料，并在底盘的设计时采用在满足强度要求的同时使结构紧凑，达到轻量化的目的。本文最终底盘的设计尺寸为：××（长宽高mm）其底盘结构示意图如图所示。轮胎轮毂的选取轮式机器人的特点是机动灵活，在平坦的路面上可以较快的速度较低的功耗长距离的执行任务，但本文设计的轮式机器人要求在有楼梯、斜坡、凸台等复杂室内环境下执行任务。四轮机器人结构简单，由于机器人在越障时没有辅助的越障设备，只能依靠驱动轮提供的驱动力越障。考虑工作环境及国内外同类机器人轮胎的选取，最终对四轮机器人的轮胎选取型号为90/-14的越野摩托车轮胎，轮毂则选用14英寸的辐条式轮毂，此款轮毂上的传动链轮安装孔和选择的链轮的安装孔是吻合的。悬挂和传动部分的设计独立悬挂系统是每一侧的驱动轮都是单独地通过弹性悬挂系统悬挂在车架或底盘下面的。其优点是：质量轻，减少了车身受到的冲击，并提高了车轮的地面附着力；移动机器人重心也得到降低，从而提高移动机器人的移动的稳定性；左右轮单独跳动，互不相干，能减小车身的倾斜和震动。减震器是弹性悬挂中的关键构件，减震器的安装位置决定着机器人的稳定性和减震装置的使用寿命，减震器的安装方向沿着连杆绕支点的圆弧的切线。由M=L×F可得，在力矩相等的情况下，力臂L和和力F是成反比的，减震器下端与连杆支点距离越短，减震器受力越大，在弹簧弹性强度相同的情况下，颠簸的路面上车体受到的震动越小。传动链轮的中心距离设计为mm-mm可调，能够调节轴距，重心位置以和链条的预紧力。如图为行走机构传动部分示意图。使用三维建模软件设计出四轮行走机构结构示意图如下图所示，框架式结构预留了后期的控制器、传感器、电池的安装位置。最终四轮机器人实物如图所示。2.后轮驱动四轮机器人传动结构设计后轮驱动轮型机器人，它是一种典型的非完整约束的轮式移动机器人模型。后轮为驱动轮，方向不变，提供前进驱动力，两轮驱动速度相同；前轮为转向轮，称为舵轮，通过转向系统同步控制两轮转向，使机器人按照要求的方向移动。如图为后轮驱动前轮转向四轮式结构示意图。如图为四轮机构具体结构模型，后轮为两驱动轮，两个转向轮为前轮。这种结构能够实现运动规划、稳定以及跟踪等控制任务，可适应复杂的地形，稳定性好，承载能力强。驱动轮传动结构后轮为驱动轮，由电机驱动使整个机构运动，后轮驱动装置机械结构模型图如图所示。后轮驱动装置机械传动结构如图所示。转向轮传动结构转向轮起支撑和转向作用，不产生驱动力矩，在小车转向时它可以以一定角度转动，主要机械组成结构如图。轮式机器人前轮转向装置由以下几部分构成：驱动电机、蓄电池和充电部分、转向传动机构和前减震机构、前车体和电池箱及轮胎和轮毂五部分，如下图所示。3.全方位四轮式移动机器人转向机构设计车轮形移动机构的特征与其他移动机构相比有下列一些优点：能高速稳定的移动，能量利用率高，机构的控制简单，而且它可以能够借鉴日益完善的汽车技术和经验等。它的缺点是移动只限于平面。目前，需要机器人工作的场所，如果不考虑特殊环境和山地等自然环境，几乎都是人工建造的平地。所以在这个意义上车轮形移动机构的利用价值可以说是非常高的。转向机构的结构决定车轮形移动机构性能，对比各转向机构的优缺点，本文介绍四轮全方位机构的设计。全方位轮式机器人的运动包括纵向、横向和自转三个自由度的运动，可以沿着任意方向做直线运动而不需要事先做旋转运动，并且在直线运动到达目标点的过程中可以同时做自身旋转运动来调整机器人的位姿。如图是全方位四轮式移动机构示意图。轮式移动机构预期设计要求实现零半径回转，可调速，便于控制。车轮的旋转和转向是独立控制的，全方位移动机器人采用前后轮成对驱动来控制转向，以及控制每轮旋转来实现全方位移动车轮旋转机构设计在设计车轮旋转机构时，有两种常用机构可供选择，如图为两种方案的机构模型。由图可以看出，模型a结构简单，但是车轮与地面接触面积小，可能产生打滑现象且对电机轴形成一个弯矩，容易对电机轴造成破坏。模型b采用电机内嵌式结构，增大了车轮与地面接触面积，减小了打滑现象，但电机固定比较困难。将电机内嵌在车轮内部，既增大车轮与地面的接触面积，又缩短了整个结构的轴向距离。为了保持轮子受力平衡使整个机构可以平稳运动，将轮子设计为两个一组来实现。轮子采用了深沟球轴承作为径向支承，一方面避免了车轮对电机产生弯矩；另一方面保证了车轮的刚度。轴承外圈与车轮内表面配合，由于内圈并不能与电机直接配合，设计时增加一个电机壳结构，用以连接电机和轴承。车轮旋转部分的具体结构分为五个部分：（1）两个轴承由弹性挡圈和电机壳的轴肩保证轴向的定位，径向定位通过电机轴外表面实现。此外,此处选用深沟球轴承作为支撑.深沟球轴承主要承载径向载荷,同时也可以承载小的轴向载荷。深沟球轴承可以满足设计的要求,而且深沟球轴承经济性好,方便购买。而作为径向支撑,它主要避免了车轮对电机产生弯矩。（2）电机预装在电机壳上，依靠电机壳凸缘轴向定位；但径向定位不能利用电机定位止口定位，只能采用车轮调整电机轴的同心完成径向定位。（3）车轮依靠轴承的外圈定位，然后再通过车轮自有联轴器与电机轴联接。这个过程也是调整电机轴同心，然后在车轮侧面的预留安装孔上将电机紧固在电机壳上。（4）整个车轮分为两部分组合而成。一个是带有轴径的车轮,另一个是不带轴径的轮子,两者相配合使用组成一组完整的车轮。而车轮轴径与车体支撑件以滚动摩擦的形式配合使用,并且作为两车轮的轴向定位件。车轮最终的固定是通过外侧的螺钉来顶紧挡板实现的。（5）整个旋转部分结构设计完成,但它必须与转向机构连接起来才能实现全方位移动。后一小节转向机构的设计中设计有转向轴,为了使转动部分和转向部分的转向轴连接以实现全方位运动,此处设计了类似于半圆的固定件。如图下图所示。使用是采用两个配合来固定住旋转部分,通过四个螺栓的连接来实现和转向轴的连接,从而使转向机构和转动机构连为一体,最终实现全方位移动。转向机构设计转向部分主要由转向轴、轴承、基座、转向电机以及转向连接件组成。转向机构设计的基本路线是从上而下，如图所示。1.转向轴转向轴分两部分，呈T型，一端采用阶梯轴的形式，便于与基座联接；另一端与车轮部分联接，设计成圆柱形以保证足够的强度和良好的工艺性。同时两部分轴互相配合，可以伸缩以便转向时车轮轴的位移变化。转向轴主要作用就是通过与转向电机的连接起到转向的作用，主要受的是径向力，而受到的轴向力很小。转向轴受到向上的轴向力时，轴向力通过轴肩传到下方轴承内圈，再传到套筒，然后传到上方轴承的内圈，再通过滚珠传递到轴承外圈，而轴向力进一步的传递到端盖和箱体，从而将轴向力转移到整个车体上，因为，箱体连接在车体上。转向轴受到向下的轴向力时，首先是靠弹性挡圈传递轴向力，再通过一系列传递最终将轴向力转移到车体上。所以说，转轴的工作是可靠的。2.转向轴与基座联接转向轴相对于基座来说只有一个自由度，形成的是转动副，转向轴在机器人移动过程中承受径向力和比较大的轴向力，适合这种要求的常用轴承有圆锥滚子轴承。轴承采用套筒隔开的两端支撑结构，这样设计可以保证转向轴在转向的过程中不发生摇摆，保证转向的精度并且可以减小对转向相关零部件的磨损。一对轴承用套筒隔开后，轴承内圈由轴肩和轴用弹性挡圈固定。两轴承外圈与基座座孔和轴承端盖连接。3.转向电机和转向轴联接两轴的连接一般选用联轴器。联轴器主要用来联接轴与轴(或联接轴与其它回转件)以传递运动和转矩,有时也用作安全装置。可以选用标准的联轴器,但标准的联轴器整体尺寸过大,占用空间大,且不利于安装,不符合设计要求。可以根据所要连接的两轴径大小自行设计联轴器。如图为连轴器结构简图。由于轴所受轴向力很小轴，可以看成仅受到转矩的作用,，所以两轴的周向固定都采用平键连接,以达到固定和连接两轴的目的。4.转向驱动电机与基座联接当转向轴与基座构成转动副以后，只需要用电机来驱动转向轴即可实现车轮的转向。将电机固定在基座上需要一个连接件，连接件设计过程中考虑了两种结构：整体式和剖分式。整体式装配时定心性好，但必须侧面开口，这样容易导致车轮转向精度不够，且不利于防尘；剖分式定心性稍差一点，可以组合成封闭结构，具有可靠的刚度，防尘，拆卸方便。因此，选用剖分式，其结构如图所示。4.四轮机器人越障和转弯分析越障能力是机器人设计的一项重要指标，越障能力的好坏直接决定机器人的性能优劣。机器人越障能力差，会严重影响其应用价值就，阻碍机器人发展。转向运动分析轮式移动机构依靠左右轮的差速转向，在转弯运动时，由于轮胎压力分布不均匀，在转弯过程中车体产生滑移，这些因素都使得对轮式机器人的运动学分析极为困难。因此对其进行运动学分析，必须建立在适当的假设和简化基础上。假设一个刚性轮式机器人运行在水平面上，其运动的任何一个瞬间都可以看成绕某一点A的转动，A点称为机器人运动的瞬时转动中心，简称瞬心。机器人直线运动时，可以认为瞬心A位于无穷远处。由于运动学只分析运动，而不考虑受力，在此可作以下假设：1)不考虑结构变形，将移动平台结构各部分视为刚体；2)链式传动机构的链轮与链条之间没有滑转，即驱动轮滑转δ=0，轮胎与地面之间不发生侧滑；3)两侧轮胎均匀着地。如图所示，XOY为固连与地面的固定坐标系。在轮式机器人上建立车载坐标系，坐标系的点O`位于机器人质心位置，Y`轴沿机器人中轴线指向前进方向。B为左右履带中心线之间的距离，v和ω为移动平台几何中心O`的瞬时线速度和角速度，w1，w2分别表示左右驱动带轮的角速度，r表示驱动带轮的半径，移动机器人在地面固定坐标系XOY的位姿用(x,y,θ)的来表示。5.摇臂式四轮机器人移动平台设计灾害发生之后，由于空间限制和非结构化的地形以及危险的存在，需要具有良好的越障性能和移动稳定的救援机器人代替人类从事救援工作。摇臂式四轮机器人具有良好的地形的适应性和强大的越障性能，非常适合在这种恶劣的环境中执行任务。移动平台如图所示，移动平台的摇臂式四轮机器人包括一个主体（Mainbody），齿轮式差动设备(Differentialdevice)，两个摇臂悬挂(Rockersuspension)和四个轮子(Wheel)。外壳通过差动设备连接到内部主体。差动的两个扩展槽设备支持在横向的轴座板的主体，并连接到两边的安装摇臂悬浮主体上。四个轮子分别连有锥齿轮传动机构，并且都是独立的由一个直流电机驱动，轮子安装在着陆腿悬挂的摇臂下。摇臂悬挂摇臂悬架的主要作用是提供的移动系统能适应非结构化地形的移动台，像轨道，台阶，壕沟和瓦砾等由于建筑物倒塌、隧道顶部倒塌等灾难发生后。通过连接差动装置中间之间的两个摇臂悬浮液，四个驱动轮可以接触到凹凸不平的地面被动车轮可以承受的平均负载机器人，所以，它是能够跨越软地形。车轮可以提供足够的推进力，使机器人通过超越不均匀的障碍，并通过地形。摇臂悬挂组成结构有连接块(Connectingblock)、着陆腿(Landingleg)和锥齿轮传动(Bevelgeartransmission)，如上图所示。着陆腿之间的角度和每个主体一侧的腿都被仔细校正，腿被连接到连接块上连接机器人内部传动，腿的另一端连接锥齿轮传动。如图为降落腿结构，它分为上层(Uppersection)和底部(Bottomsection)，底部是圆柱，直流电动机(DCmotor)安放在摇臂腿部并固定在连接缸(Connectingcylinder)上。电机轴连接到锥齿轮传动带动轮子转动。上部通过箕舌线形成的底部和连接腔连接有中心盲孔。通过电缆入口(Cableentry)装置的上半部分，主电机功率和控制电缆机器人的身体被放到连接腔(Connectioncavity)并连接到接线端子，反过来，连接线连有指导线，指导线的另一端连接在电机的底部。差动装置圆锥齿轮差动机构原理图差速器鉴于上述原则的锥齿轮差动装置，我们设计了这样一个锥齿轮差速器，结构如图所示，图a是差速装置外观，图b是差速器内部结构，由图可以清晰的看到这个齿轮差动装置适合摇臂式移动机器人。锥齿轮差速器由外壳(Shell)、端盖(Endcover)、半轴锥齿轮（Semi-axlebevelgear）、行星锥齿轮(Planetarybevelgear)、连接轴(Connectingshaft)、轴座(Axlebed)、弹性挡圈（Circlip）等组成。端盖和车轴的底座通过螺钉连接到外壳，两个行星锥齿轮同轴对称的安装在连接轴上，轴和锥齿轮之间连接有轴承。挡圈安装在连接轴上限制轴承的负荷。两个半轴锥齿轮被分开安置在两轴座上，两轴座对称的固定在外壳上，两个行星锥齿轮正交，两轴基本上具有相同的结构。半轴位于锥齿轮的轴承外，轴套在轴座挡圈上。当差动设备安装在机器人上，两边半轴锥齿轮分别连接左边和右边的摇臂。差动的外壳被固定在机器人的主体上。六轮移动机器人1.小型六轮机器人行走机构结构设计机器人行走机构是执行机器人移动和完成任务的搭载平台，是作为行走越障机器人系统的核心部分，移动灵活，可靠性高，机构质量尽可能小，其设计的好坏是整个机器人系统性能优劣的重要指标。行走机构的设计主要由悬挂系统、底盘系统、传动系统承载轮机构和行走驱动机构组成。在对机器人行走机构机构设计的过程中我们首先要遵守以下原则：①机构尺寸要满足设计要求；②零部件便于加工、测量；③设计的机构零部件满足机构的强度和刚度要求；④设计的机构便于安装、调试和修理；⑤作为机器人的移动平台，要为将来的传感器、功能元件如电池等预留装空间和位置。⑥保证各个装配部件以及装配组件便于拆装，且保证机构满足设计运动要求，互不干扰。底盘的设计六轮机器人的底盘分三部分。主底盘和前后的副底盘，副底盘通过销钉与主底盘联接。前后副底盘都具有升降功能，升降的动力来自电动推杆，推杆在安装位置已经在底盘上预留。底盘底部设计了电池、控制系统，电机调速器和无线传输模块的位置。在四轮机器人设计的基础上，考虑到加工的成本和难易程度，设计出结构简单，尺寸符合要求的底盘。主底盘的尺寸：长mm；宽mm；高mm。下图主底盘结构示意图。轮胎轮毂的选取六轮机器人由于是轮胎独立驱动，每个轮子都是和驱动电机连接，轮轴要承受轴向和径向的力，而且减速电机的减速器动力输出轴是键连接，最终选取了键连接的铝合金4英寸轮毂，轮胎是4.10/3.50-4的越野轮胎。轮胎外径mm，宽70mm，粗糙的胎纹为爬坡提供了较好的附着力。前后轮升降系统的设计本文中设计的六轮机器人轮胎直径相对较小，越障能力弱。搭配前后轮升降系统使机器人在越过高台障碍和爬楼梯的能力大大增强。相对于四轮机器人，六轮的控制比较复杂。如图所示，前后轮分别安装在前后的副底盘上，在电动推杆推力的作用下，副底盘绕轴O转动，底盘和驱动轮胎都升起，协助六轮机器人爬越高台和楼梯。当电动推杆收缩时，拉力可以将主底盘升起，此时六轮机器人只有四个轮子着地，减小了与地面接触的的行驶阻力，降低了功耗。2.六轮机器人越障能力分析如图为升降六轮机器人跨越台阶过程示意图，机器人通过前后轮升降系统跨越垂直台阶障碍，具体过程分为四个阶段：a.机器人接近台阶时，由电动推杆的推力作用，使前轮升起，机器人在驱动轮的作用下同时缓慢前进。b.当前轮完全处于台阶上时，分别收缩前后轮升降系统的推杆，使中间轮的高度与前轮高度水平，此时机器人仍向前缓慢行走。c.当中间轮处于台阶上时，调节后轮升降系统的电动推杆长度，使得后轮与前轮，中间轮在一条直线上，机器人继续前行。d.当后轮中心与台阶前沿处于同一平面时，机器人完全爬上高台。如图为升降六轮机器人下台阶过程示意图，具体也分为四个阶段进行：e.到达台阶边缘时，前轮首先下降。f.随着机器人的前行，中间轮处于悬空状态，此时调节前后轮升降系统，使中间轮下降。g.中间轮接触到地面后，机器人继续前行。同时调节电动推杆将后轮降下。h.机器人完成台阶下将，继续向前行驶。

来源：萝卜库