輪式移動底盤發(fā)展現(xiàn)狀分析

徐 冰 郎旬旬

（1.沈陽新松機(jī)器人自動化股份有限公司，沈陽 110168；2.沈陽塑力電纜有限公司，沈陽 110121）

當(dāng)前，人工智能發(fā)展速度驚人，智能移動設(shè)備以飛快的速度進(jìn)入人們的視野，走進(jìn)人們的生活。從2010年開始，智能移動設(shè)備以服務(wù)類機(jī)器人為標(biāo)志，由萌芽階段進(jìn)入急速發(fā)展階段。家居的智能移動機(jī)器人、物流的搬運(yùn)移動機(jī)器人、工業(yè)的搬運(yùn)運(yùn)輸agv和戶外的環(huán)境探查移動車等，大部分采用的是輪式的移動結(jié)構(gòu)[1]。輪式結(jié)構(gòu)種類多樣，對于地面的適應(yīng)性好，下面來解析下幾種主流的輪式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。

1 雙輪差動驅(qū)動輪式結(jié)構(gòu)

雙輪差動驅(qū)動輪式結(jié)構(gòu)，是機(jī)器人普遍應(yīng)用的移動結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在大部分服務(wù)類機(jī)器人都采用的這種結(jié)構(gòu)，而生活中最常見應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)的就是掃地機(jī)器人[2]。這種結(jié)構(gòu)布置簡單，且經(jīng)濟(jì)實(shí)用，在生活環(huán)境下的平整地面上應(yīng)用是最理想的選擇，一般雙差動驅(qū)動輪會配合一到四個萬向從動輪組成一個移動底盤。按照驅(qū)動輪和萬向從動輪的布置位置不同，又可分為中央雙輪差動驅(qū)動結(jié)構(gòu)、后置雙輪差動驅(qū)動結(jié)構(gòu)以及前置雙輪差動驅(qū)動結(jié)構(gòu)。

1.1 中央雙輪差動驅(qū)動結(jié)構(gòu)

移動的服務(wù)類機(jī)器人基本都是中央雙輪差動驅(qū)動結(jié)構(gòu)，即雙差動驅(qū)動輪布置在中央，前后對稱布置兩對萬向輪，如圖1所示，這樣能保證機(jī)器人各個方向的平穩(wěn)。整個主體靠四個從動輪支撐，驅(qū)動輪靠彈簧機(jī)構(gòu)壓向地面，增大驅(qū)動輪與地面的摩擦力，使地面能提供給驅(qū)動輪足夠的驅(qū)動力。運(yùn)動方面，中央雙輪差動可以實(shí)現(xiàn)0轉(zhuǎn)彎半徑即原地回轉(zhuǎn)，使其具有極高的行走靈活性，目前產(chǎn)品化應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)最多的，當(dāng)是物流的搬運(yùn)移動平臺，物流公司的倉儲設(shè)備已經(jīng)非常常見這種結(jié)構(gòu)。

1.2 后置雙輪差動驅(qū)動結(jié)構(gòu)

生活中的掃地機(jī)器人基本應(yīng)用的是后置雙輪差動驅(qū)動結(jié)構(gòu)，如圖2所示，兩個驅(qū)動輪偏后布置，前面有一個萬向輪從動，整個機(jī)器人靠三個輪支撐，轉(zhuǎn)向靠雙輪差動實(shí)現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)比較適合體積小、重量輕的移動設(shè)備應(yīng)用，因為主動輪偏后，轉(zhuǎn)向時，旋轉(zhuǎn)中心后置，如果體積大、重量大的設(shè)備用這種布置，轉(zhuǎn)彎時需要更多的動力。

1.3 前置雙輪差動驅(qū)動結(jié)構(gòu)

前置雙輪差動驅(qū)動結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在一些偏戶外的移動設(shè)備或者移動機(jī)器人上，一般在后面配合兩個萬向從動輪構(gòu)成整個移動的底盤，由于驅(qū)動輪在前面，這種結(jié)構(gòu)是三種雙輪差動結(jié)構(gòu)中通過能力最好的。

圖1 中央雙輪差動驅(qū)動結(jié)構(gòu)

圖2 后置雙輪差動驅(qū)動結(jié)構(gòu)

2 四轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)

四轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)，目前應(yīng)用的不是很多。典型的產(chǎn)品為adept旗下的seekur全能型戶外移動機(jī)器人平臺。它有四個可360°轉(zhuǎn)向的輪系，并且每個輪系都配備了獨(dú)立的減震系統(tǒng)，它可以在地面上全方向平移，靈活性非常高。四驅(qū)為它在戶外行走提供了非常足的驅(qū)動力，同時配備減震系統(tǒng)，使其在相對復(fù)雜的地面環(huán)境下通過能力以及平穩(wěn)性都高于一般的戶外移動平臺。但由于四轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，成本較高，并且一般的環(huán)境下并不需要這么高的行動能力，因此這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用目前還不是很廣泛。

目前使用結(jié)構(gòu)最多的是剛性連接的四輪驅(qū)動移動平臺，即四個驅(qū)動輪純剛性地連接在本體上，這種結(jié)構(gòu)整體比較簡單，易實(shí)現(xiàn)，能夠滿足多數(shù)情況下的需求[3]。目前市面上大多數(shù)的產(chǎn)品都應(yīng)用了這種結(jié)構(gòu)。然而，對于戶外的環(huán)境來講，這種結(jié)構(gòu)還不能極大地滿足，不過可以進(jìn)行一些簡單的設(shè)計，使移動平臺對戶外環(huán)境的適應(yīng)性提高一個層次。

人們可以在移動平臺后輪部分使用擺動懸架結(jié)構(gòu)，如圖3所示。擺動懸架結(jié)構(gòu)即移動平臺的兩個后驅(qū)動輪固定在擺動懸架上，而擺動懸架中部與本體通過鉸鏈連接，懸架可以圍繞鉸鏈進(jìn)行擺動，在懸架兩側(cè)加入減震，可以極大地減少兩車輪的震動，減少外界震動傳入本體。前驅(qū)動輪剛性連接，后驅(qū)動輪采用擺動懸架結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計可以使整個移動平臺對地面情況的適應(yīng)性提高一個層級，非極端條件下基本不會出現(xiàn)車輪空轉(zhuǎn)的狀況。由于擺動懸架可以擺動，所以后驅(qū)動輪能始終通過擺動來實(shí)現(xiàn)與地面的貼合，后懸架實(shí)際上可以看作是接觸地面的一個點(diǎn)，而三點(diǎn)成一面，所以理論上兩個前輪與后懸架形成與地面接觸的三個點(diǎn)，保證了整個平臺與地面的完全接觸，體現(xiàn)了對復(fù)雜地形的適應(yīng)性。

圖3 擺動懸架結(jié)構(gòu)

3 結(jié)語

根據(jù)對輪式移動結(jié)構(gòu)的詳細(xì)分析，筆者初步了解了每種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及所適合的應(yīng)用領(lǐng)域。在各式各樣的應(yīng)用環(huán)境下，每種輪系結(jié)構(gòu)都發(fā)揮著獨(dú)有的優(yōu)勢和作用，不過每一種輪系結(jié)構(gòu)從技術(shù)角度上講，還有潛力可挖掘，隨著技術(shù)的發(fā)展和需求的精益求精，還會有更多的結(jié)構(gòu)被開發(fā)出來。