文档介绍：机械电子工程原理
第十八章移动式机器人设计

自上世纪60年代初问世以来,关节式机器人不仅己成为制造工业中必不可少的核心装备,由于关节式机器人操作手的基座是固定的,其工作空间就会受到限制,为了突破关节式机器人操作工作空间的限制,可以给其装备移动机构,这样就构成了移动式机器人系统。
移动式机器人系统是将关节式机械手安装在行走机构上所构成的一类机器人,其中机械手用来实现如抓取、操作等动作,平台的移动用来扩展机械手的工作空间,使机械手能以更合适的姿态执行任务。
车体的可移动性大大增加了机器人工作空间,并且能使机械手臂更好的定位来高效地完成任务,因此其应用范围要比关节式机器人大得多。
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移动式机器人应用场合
制造业
在该领域最成功的应用是自动化生产系统中的物料搬运,用以完成机床之间、机床与自动仓库之间的工件传送,以及机床与工具库间的工具传送。移动机器人灵活的运动性能,大大增加了生产系统的柔性和自动化程度。
把广泛用于自动化车间且为无轨运行的移动机器人称为自动引导车(AGV),图为一类用于室内物料搬运的移动机器人。
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危险环境
人的生命是宝贵的,对于一些诸如有高温、辐射、化学腐蚀等危险环境,人们往往希望有一类机器人能代替人类到现场发挥作用。
移动机器人除了在消防危险环境得到应用外,在铁路驼峰摘钩自动化方面也得到了应用。
移动式机器人应用场合
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空间与海洋探索
20世纪60年代,美国MIT开始研究火星探索移动机器人,以便在火星上进行移动,收集探测数据。
1997年7月4日,“火星探路者”(Mars Pathfinder)探测器成功着陆火星,并于次日释放出“漫步者”(Rover)自主移动机器人,由后者完成了对火星地表和岩石的取样分析。
图示为2004年美国发射的“勇气号”火星漫步机器人。
移动式机器人应用场合
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行走机构是移动式机器人的重要执行部件,它由行走的驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成。它一方面支承机器人的机身、手臂,另一方面还根据工作任务的要求,带动机器人在广阔的空间内运动。
行走机构按其结构可以分为以下几类:
车轮式
履带式
足式
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车轮式行走机构
车轮式机器人动作稳定,操作也简单,在无人工厂中,常常用来搬运零部件或其他工作,它最适合平地行走。普通的轮式机器人按照轮数分类,有三轮车、四轮车等。
三轮车主要是两轮驱动,一轮自位,驱动方式又有左右轮独立驱动和通过差动齿轮驱动。
四轮车的驱动机构和运动,基本上与三轮车差不多,也有独立驱动和差动驱动之分,另两个自位轮可以前后安装,或并排安装(如汽车方式)。
普通轮式机器人具有运动平稳,操作简单的优点,但是在转向时候需要整车转动,占用比较大的运动空间,如果工作区域比较小的时候就限制了机器人的使用。
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车轮式行走机构
在车轮式移动机器人中,还有一类特殊的全方位式车轮。全方位移动机器人具有平面运动的全部三个自由度,理论上可以在任何角度以任何速度在机器人所处平面上运动,有效地避免了普通车轮不能侧向运动带来的非完整性约束,适合于工作在空间狭窄有限、对机器人的机动性要求较高的场合。
其中最具代表性的是由瑞典麦克纳姆公司提出的麦克纳姆轮。
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履带式行走机构
履带式机构称为无限轨道方式,其最大特征是将圆环状的无限轨道履带卷绕在多个车轮上,使车轮不直接与路面接触,因此支撑面积大,接地比压小,可以在有些凹凸的地面上行走,可以跨越障碍物,能爬梯度不太高的台阶。
缺点是由于没有自位轮,没有转向机构,要转弯只能靠左右两个履带的速度差,所以不仅在横向,而且在前进方向也会产生滑动,转弯阻力大,不能准确地确定回转半径等。
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足式行走机构
对于一些诸如山岳地带和凹凸不平的环境,轮式和履带式机器人有时就无能为力。足式机器人具有更好的机动性,可以跨越较大障碍及通过松软地面。由于其立足点离散,可以通过控制算法在地面上选择最优的支撑点,因此能耗也较少。在地形复杂的林场、采石场和矿山以及节能要求高的水下资源开发、战地侦察、警戒等应用领域,足式机器人具有更明显的优势。
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