三轮机构四轮机构

1、3.1.1三轮机构三轮移动机构具有一定的稳定性，是轮式机器人的基本移动机构之一，在机器人领域已 经得到广泛的应用，而且在实现方式上也呈现多样化。1）两轮独立驱动机构两轮独立驱动机构是最常用的一种驱动机构。如图（1），该机构利用一个高精度驱动轮 和两个随机轮构成。左右两个驱动轮由两个电动机经过减速器独立驱动，随机轮置于机器人 底盘的前方位置。机器人的行进方向由两轮驱动机构的速度差值决定，通过对两个电机施加 不同的速度可实现任意方向的驱动，因此属于差分驱动方式。这种结构的特点是运动灵活， 机构组成简单；当两轮转速大小相等方向相反时，可以实现机器人本体的灵半径回转。该机 构的缺点是对伺服系统的要求较

2、高，如进行严格的直线运动则需保证左右两个轮子的旋转速 度完全一样，且在加减速时的动态特性也应完全一致，这就要求伺服驱动系统要求有足够的 精度和优异的动态特性，从而会导致机器人底盘的成本增加。（1）两轮独立驱动机构2）前轮驱动前轮导向机构如图（2），该机构中的前轮既是驱动轮又是导向轮（操舵轮），采用两个电机分别控制: 导向电机控制前轮的转向角度，驱动电机控制前轮的旋转速度。因此，通过对前轮的这两个 自由度进行复合控制，可以同时实现对机器人本体的运行速度和运行方向的控制。两个被动 后轮没有电机控制，完全是随机轮。该种移动机构的特点是控制比较方便，能耗低，对于伺 服系统和制造装备精度要求不高，而且旋

3、转半径可以从0到无穷大连续变化；缺点是由于导 向和驱动的驱动器均集中在前轮部分，复合运动结构设计复杂，而且车体本身的运动并不十 分灵活。3）后轮差动减速器驱动前轮导向机构该种机构如图（3）,导向控制电机通过减速器控制导向前轮，决定了机器人本体的运动 方向。驱动轮同驱动控制电机通过驱动齿轮箱体连接，在箱体内安装有全部传动系统的减速 齿轮、差动器等传动零件，通过箱体两端的半轴带动左、右驱动轮运动。差速器的作用是在 进行转弯操作是为左、右两轮分配不同的旋转速度。这种移动机构和驱动系统可以利用一些 通用的传动系统零部件，传动效率较高，制造成本较低；但在传动模式上仍是机械传动模式， 结构比较复杂，体积较

4、大，质量也比较大，同时运动不灵活，不能实现机器人本体的小半径 回转运动。3）后轮差动减速器驱动前轮导向机构4）两后轮独立驱动前轮导向机构由图（4）可以看出，该机构同后轮差速器驱动前轮导向机构在原理上具有相似之处， 不同之处在于利用两个独立伺服驱动电机取代了差速器装置，用以分别控制左、右驱动轮。 该机构在控制上需要按照机器人运动学模型把移动平台的整体运动分解为对三个电机的控 制命令，然后控制导向轮的转动和两个驱动轮的差动实现本体运动。同后轮差动器驱动前轮 导向机构相比，该机构采用纯粹的电气传动模式，结构比较简单，体积和质量能够得到很好的控制，且方向控制精度更高，运动更为灵活；缺点是需要对三轮进行

5、协调控制，同步性要 求较高，且自转时的本体方向定位精度较低。两后轮独立驱动前轮导向机构5）三轮全驱动全导向机构三轮全驱动全导向机构属于同步驱动的装置方式。如图（5）所示，在该机构中，三个 轮子成120。放置，用齿轮或者链条将轮子同分别用以进行方向控制和驱动的电机相连。每 个轮子都可独立地进行转向控制和速度控制，因此在结构和原理上类似于前轮驱动前轮导向 机构的前轮。当三个轮子保持初始位置以相同的速度转动时，及其本体做原地零半径旋转运 动；当三个轮子导向角度相同并以相同速度驱动时，本体按照该导向角方向做直线运动。施 加适当的控制，利用该机构实现的机器人本体能够按照任意指定的轨迹运动，具有很高的运

6、动灵活性。但是该机构的整体结构比较复杂，完成每个动作都需要对6个伺服电机进行合理 控制，且对于方向和驱动控制精度有较高要求，因此控制难度较大。（5）三轮全驱动全导向机构3.1.2四轮机构四轮机构在驱动方式上和结构上类似于三轮机构，其优点是驱动轮和负载能力更强，具 有较高的地面适应能力和稳定性。同三轮机构相比，四轮机构的缺点在于其回转半径较大， 转向不灵活。常见的几种四轮移动机构如图所示1）两轮独立驱动机构如图（6）所示，四轮机器人中的两轮独立驱动机构和三轮机器人中的两轮独立驱动机 构在工作原理上完全相同，两者之间唯一的差别在于前者多用了一个随机轮，以增加平台的 稳定性和伏在承受能力。随机轮旦码

7、盘H 口电机n1 减速器I驱动轮随机轮（6）两轮独立驱动机构2）四轮全驱动全导向机构如图（7）所示，该种移动机构同三轮机器人中的三轮全驱动全导向机构在工作原理上 完全相同。由于增加了一个驱动轮，使得平台的地面适应能力、负载能力以及平稳性都得到 提高。然而，该种机构的控制自由度变得更高，并且由于在运动过程中要求各个独立的导向 机构相互协调，保持一定的相互关系，因此控制算法更为复杂。此外，更多的活动机构和过 多的控制关节使系统复杂度升高、可靠性降低。a11驱动控制lb电机 厂减速器 一O码盘导向控制电机导向驱动轮（7）四轮全驱动全导向机构3）四轮全驱机构四轮全驱机构如图（8）所示。同四轮全驱全导向

8、机构相比，二者的四轮布局完全相同， 差别之处在于：每个轮子均没有转向机构，只能进行前后方向上的旋转运动。机器人平台只 能通过滑动转向方式进行方向控制，即完全靠两侧驱动轮独立驱动产生的速度差使车轮产生 侧向滑动来完成转向操作。因此，这种机构的致命缺点是转向损耗较大。该机构的优点是可 以实现不同半径甚至原地零半径的转向，可以满足崎岖地形移动机器人的的性能要求。此外， 由于没有活动连接，结构简单可靠，以最简单的机构达到了很高的机动性。1_1 码盘Li龈动控制电机- 减速器-V驱动轮u VU（0）四轮全驱机构4）两轮独立驱动汽车转向机构如图（9）所示，该移动机构的两个驱动后轮分别利用独立地伺服电机进行

9、驱动，实现 机器人本体的运动速度控制。其优点在于：前端两个导向轮采用类似于汽车那样的艾克曼转 向机构相连接，利用一个转向伺服电机实现机器人本体的方向控制。艾克曼转向时目前地面 车辆最通用的转向机构，两个转向轮之间通过四连杆机构连接并确定转向角之间的相互关系，可以使转向轮得到基本满意的朝向。艾克曼通过机械结构确定转向轮之间的角度约束关 系，整个机构只有一个自由度，因而控制简单、可靠。艾克曼转向机构技术成熟，在性能和 可靠性之间得到较好的均衡。但是采用艾克曼转向机构的车辆转弯半径较大，给机器人的控 制和路线规划带来较大难度。（9）两轮独立驱动汽车转向机构5）两轮差速器驱动汽车转向机构如图（10）所示，该种机构也采用艾克曼转向机构实现机器人的运动方向控制，而后面 两个驱动则采用单伺服电机驱动差速器的方式实现。同图（d）所示机构相比，这种机构只 利用两个电机就能实现四轮机器人的的速度和方向控制，控制更为简单，可靠性更高；但是 由于转向轮角度约束与驱动轮速度差分制均采用机械方式实现，因此机械结构也变得更为复 杂，据此实现的机器人平台往往体积更大，质量也更大。驱动轮（io）两轮差速器驱动汽车转向