CICC科普欄目｜機器人四向移動平台

課題主要研究技術的國內外發展現狀與趨勢

近年來，隨著移動機器人學和相關技術的發展，使得移動機器人在很多行業的應用逐漸深入和拓寬，尤其在室內服務方面比如機器人吸塵器等。移動機器人由移動機構、感測器和控制器等組成。其中移動機構是移動機器人運動的基礎，根據移動特性可以分為非全方位和全方位移動機器人兩種，在平面上移動的物體可以實現前後、左右和自轉3 個自由度的運動，若所具有的自由度少於3個，則為非全方位移動機器人，典型產品如汽車等，可以前進、拐彎而不能橫向移動；若具有完全的3個自由度，則稱為全方位移動機器人，它非常適合工作在空間狹窄有限、對機器人的機動性要求高的場合中，國外很多研究機構開展了全方位移動機器人的研製工作，在車輪設計製造、機器人上輪子的配置方案、以及機器人的運動學分析等方面進行了廣泛的研究，形成了許多具有不同特色的移動機器人產品。

1.Swedish 輪

Swedish 輪也稱Mecanum輪，由輪輻和固定在外周的許多小滾子構成，輪子和滾子之間的夾角為r,通常夾角r為45度 , Mecanum輪這一設計方法最早為瑞典Mecanum公司提出，美國的Carnegie Mellon大學、日本的Okayama大學及Polytechnic大學等相繼對這一機構進行不斷的研究，部分國內單位加入了研究行列，如圖所示每個輪子具有三個自由度,一個是繞輪子軸心轉動,第二個是繞滾子軸心轉動,第三個是繞輪子和地面的接觸點轉動.輪子由電機驅動,其餘兩個自由度自由運動.由三個或以上的是Swedish輪子可以構成全方位移動機器人. 由於滾子之間存在間隙,使得輪子在轉動過程中同地面接觸點的高度不斷變化,導致車體振動或打滑,因而增加了運動學計算的誤差.通常的改進方法是採用多個滾子以減少滾子之間的間隙。

2.連續切換輪

連續切換輪的基礎為Transwheel輪,由一個輪盤和固定在輪盤外周的滾子構成.輪盤軸心同滾子軸心垂直,輪盤繞軸心由電機驅動轉動,滾子依次與地面接觸,並可繞自身軸心自由轉動,結構如圖所示，目前能全方位移動的足球機器人（比賽用）基本上都採用這種輪子。如小型組機器人足球。

為減少Transwheel輪轉動過程中的振動，韓國人提出了另一種連續切換輪（Alternatewheel）如圖所示連續切換輪的輪輻上有兩種滾子，分為內圈和外圈，可以繞與輪盤軸垂直的軸心轉動，具有公共的切面方向，這樣既保證了在輪盤滾動時同地面的接觸點高度不變，避免機器人振動，也保證了在任意位置都可以實現沿與輪盤軸平行方向的自由滾動。但其結構複雜、裝配難度大是顯而易見的 。

3.正交輪

正交輪是由兩個形狀相同的球形輪子(削去球冠的球)架,固定在一個共同的殼體上構成, 如圖所示,每個球形輪子架有2 個自由度:繞輪子架的電機驅動轉動,和繞輪子軸心的自由轉動,兩個輪子架的轉動軸方向相同,由一個電機驅動,兩個輪子的軸線方向相互垂直,因而稱為正交輪. 由正交輪的工作原理可見：在運動過程中兩個輪子是交替接觸地面的，只有很短的時間是兩個輪子同時接觸地面，在輪子的交替運動過程中每個輪子所承受的壓力變化很大，影響其同地面接觸的摩擦力，這對驅動電機來說是一個干擾，從而影響輪子的轉動速度和機器人整體的運動精度,科學院瀋陽自動化研究所所研製的全方位移動機器人採用了這種結構。

4.偏心方向輪

其基本結構為萬向輪,由於通常具有兩個電機驅動,也稱為驅動萬向輪,輪子的結構見圖每個輪子具有2 個自由度,分別為繞輪子軸心轉動和繞輪子支架軸心轉動,兩個轉動軸正交,都由電機驅動，中科院北京自動化研究所的全方位移動平台便採用此種結構。哈工大研究了類似結構的二自由度四輪轉向移動機器人平台，上海大學研究了更複雜的能翻轉的類似驅動方式的越障組合輪移動平台。

偏心方向輪缺點：

上述幾種機構的共性是結構複雜、驅動複雜，電機成本高，利用輪子驅動的合力移動，電機無用功輸出較多，可靠性差，在不平坦的場合使用時，自控能力差，目前都處於摸索階段，沒有實質性使用（足球比賽機器人除外）。

4.球輪 （Ballwheel）

球輪由一個滾動球體、一組支撐滾子和一組驅動滾子組成、其中支撐滾子固定在車底盤上，驅動滾子固定在一個可以繞球體中心轉動的支架上，如圖