行走机构是行走式机器人的重要执行部件,它由行走驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成。行走机构一方面支承机器人的机身、臂部和手部,因而必须具有足够的刚度和稳定性;另一方面,还需根据作业任务的要求,实现机器人在更广阔的空间内的运动。

行走机构按其运动轨迹可分为固定轨迹式和无固定轨迹式两类。固定轨迹式行走机构主要用于工业机器人,如横梁式机器人。无固定轨迹式行走机构根据其结构特点分为轮式行走机构、履带式行走机构和关节式行走机构等。在行走过程中,前两种行走机构与地面连续接触,其形态为运行车式,应用较多,一般用于野外、较大型作业场合,也比较成熟;后一种与地面为间断接触,为动物的腿脚式,该类机构正在发展和完善中。

行走机构根据其结构分为车轮式、履带式、步行式和其他方式。以下分别论述各行走机构的特点。

车轮式行走机构

车轮式行走机构具有移动平稳、能耗小,以及容易控制移动速度和方向等优点,因此得到了普遍的应用,但这些优点只有在平坦的地面上才能发挥出来。目前应用的车轮式行走机构主要为三轮式或四轮式。

三轮式行走机构具有最基本的稳定性,其主要问题是如何实现移动方向的控制。典型车轮的配置方法是一个前轮、两个后轮,前轮作为操纵舵,用来改变方向,后轮用来驱动;另一种是用后两轮独立驱动,另一个轮仅起支承作用,并靠两轮的转速差或转向来改变移动方向,从而实现整体灵活的、小范围的移动。不过,要做较长距离的直线移动时,两驱动轮的直径差会影响前进的方向。

四轮式行走机构也是一种应用广泛的行走机构,其基本原理类似于三轮式行走机构。图1所示为四轮式行走机构。其中图1中(a)、(b)所示机构采用了两个驱动轮和两个自位轮(图a中后面两轮和图b中左、右两轮是驱动轮);图1中(c)所示是和汽车行走方式相同的移动机构,为转向采用了四连杆机构,回转中心大致在后轮车轴的延长线上;图1中(d)所示机构可以独立地进行左、右转向,因而可以提高回转精度;图1中(e)所示机构的全部轮子都可以进行转向,能够减小转弯半径。

图1 四轮式行走机构

在四轮式行走机构中,自位轮可沿其回转轴回转,直至转到要求的方向上为止,这期间驱动轮产生滑动,因而很难求出正确的移动量。另外,用转向机构改变运动方向时,在静止状态下行走机构会产生很大的阻力。

履带式行走机构

履带式行走机构的特点很突出,采用该类行走机构的机器人可以在凸凹不平的地面上行走,也可以跨越障碍物、爬不太高的台阶等。一般类似于坦克的履带式机器人,由于没有自位轮和转向机构,要转弯时只能靠左、右两个履带的速度差,所以不仅在横向,而且在前进方向上也会产生滑动,转弯阻力大,不能准确地确定回转半径。

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