张克溪1 赵鑫2
沈阳新松机器人自动化股份有限公司 辽宁沈阳 110168
摘要：迄今为止，轮子是移动机器人学和交通工具最流行的运动机构，因为，与其他移动方式相比，轮子可达到很高的效率并且实现简单。当考虑移动机器人运动的可能实现技术时，轮子结构有很大空间。本文将简单阐述主流常用轮系特点及控制要点。
1、常见底盘轮系及优缺点
1.三轮结构。三轮的优点是能保证三个轮子都能时刻接触地面，不易出现打滑或走偏现象。三轮机构还不需要专门的悬挂系统区保持各轮与地面的可靠连接，设计中只需要注意车体重心位置合理即可。
最常见的是两轮差速驱动，另外一个轮子使用脚轮作为辅助轮，这种结构的特点是机构组成简单，旋转半径为零。但是底盘转弯过程中形成的速度瞬心位于后两轮轴心连线上，所以即使机器人旋转半径为零，旋转中心也与车体重心不一致。
2.四轮结构。四轮结构的最大优点是底盘比较稳，承重大，机器人不易倾倒。缺点有两个：一是部分四轮构形的机器人移动能力受到限制，转向运动的实现需要一定的前行行程；二是必须有一个缓冲悬挂系统以保持稳定、可靠的驱动力。目前市场最常见的以下两种结构。
四轮前驱。优点是旋转中心靠前，机器人转向尤其是反向行驶时，因万向轮横摆造成的偏差比较小；由于一般驱动轮轮径较大，越障能力比较好。缺点是电机启动时由于惯性整车会后仰，驱动轮上的正压力减小，地面提供的摩擦力就减小，启动加速度比较小，加速时间长；上坡时机器人重心后移，驱动轮抓地能力减弱，上坡费劲。
四轮后驱。优点是启动时重心后移，机器人有足够的加速度。但越障能力收到万向轮径限制，反向行驶时，前端的万向轮要经过一个180°旋转变向的过程，对机器人行走重复定位精度有较大影响。
2、重心位置对底盘的影响及控制
1.重心侧偏的影响。重心侧偏导致两个驱动轮承受的正压力不同，启动时两轮打滑程度不一致，瞬间就偏离轨迹，转弯时，其中正压力小的轮子可能打滑，导致转弯困难；
2.重心前后偏的影响。以驱动轮后置的四轮结构举例，重心前偏，导致驱动轮上承受的正压力减小，机器人驱动轮与地面摩擦力减小，机器人的有效驱动力降低。同时万向轮上承受的正压力增大，导致运动状态改变时，需要的驱动力更大，这时机器人打滑更加容易，也更容易走偏，整车的可控性也变差。
结论：
1.设计时应尽量采用对称结构，前后对称，左右对称，都能有效的防止机器人的晃动；
2.设计时底盘要稳，底盘重量至少占到机器人重量的1/2为好；
3.设计时重心要低，重心位置要经过严格控制，不可以靠上身零件的重量来平衡重心位置，以免产生杠杆效应。
4.在驱动轮前置或者后置的方案中，重心距离驱动轮轴线不应该超过驱动轮和从动轮距离的1/3，否则容易造成驱动力不足
3、不同材质轮子的性能差别
◆聚氨酯轮与尼龙轮对比
一般情况下尼龙的硬度较高，比较耐磨，在承重方面较好，但是尼龙轮在地板或地砖上使用时容易对地面造成研伤，不适合室内机器人使用。
聚氨酯的软一些，强度相对差些，静音效果比较尼龙好。
◆聚氨酯轮与橡胶轮对比
1.滚动阻力对比
聚氨酯材料的化学构成决定了它具有比橡胶更低的滚动阻力。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆较低的滚动阻力会提高机器人电池的使用效率和时间
2.缓冲性能对比
实心轮的缓冲性能直接与它的材料硬度有关，硬度值越高，轮子越硬，吸收冲击的能力越弱，缓冲性能越差。橡胶轮的硬度普遍在65-75之间，而聚氨酯的硬度往往高达80-95，因为聚氨酯较硬，使用的平稳性不如橡胶轮。
3.牵引性能对比
驱动轮能提供的牵引力大小基本取决于接触对象之间的静摩擦系数和动摩擦系数的大小。橡胶轮较软，同质量作用下与地面的接地印痕面积大，因此，橡胶轮能提供的牵引力明显大于聚氨酯轮。
聚氨酯轮为了改善轮子牵引性能，通常在轮胎表面开模增加横槽纹或加刻不同形式的花纹，这样做在牺牲部分承载能力的条件下提高了其牵引性。
4.承载能力
选择合适的硬度，聚氨酯轮和橡胶轮都能胜任上百公斤的负载
5.耐磨性
橡胶轮软、平稳，但没有聚氨酯轮耐磨，一般来说，聚氨酯轮的耐磨寿命是橡胶轮的2倍以上
6.性价比
橡胶轮价格一般比聚氨酯轮便宜25%-50%，但是聚氨酯轮使用寿命一般在橡胶轮的2倍以上。
4、工艺好坏对底盘的影响及控制
1.安装电机的本体精度控制。
□本体的塑壳或钣金要有足够的强度，底盘行走受力时不变形；
□两侧电机安装面等高一致性良好；
□两侧电机安装位置对称性良好。
2.传动系统的精度控制。
驱动结构属于机器人机械结构中精度要求最高的部分，因此要做到以下几点：
□尺寸公差设置合理。
轴承内外环配合面、预紧面、键槽对称面、各种压盖间隙、止口、孔位等配合位置，根据相应场合和作用给出合理公差带。
□轴承使用正确。
对于外环孔来说，考虑到转子部件的热变形，一般都是采用小间隙配合；内环轴遵循以下原则，就大多数场合而言，轴旋转且径向载荷方向不变，即轴承内圈相对于载荷方向旋转的场合，一般旋转过度或过盈配合，静止轴且径向载荷方向不变，即轴承内圈相对于载荷方向是静止的场合，可选择过渡或小间隙配合。
□行位公差设置合理。
电机座、轴承座、各种连接法兰、转接件、导向件等零件需要合理标注形位公差。合理选择形位公差，基于两个原则，一是保证零件使用要求，二是兼顾产品经济效益。
□钣金件或塑料件精度和强度足够。
比如钣金件固定电机，因为要折弯，这个角度很可能不是90度，这将导致电机轴上倾或下倾，影响整个装配性能。采用钣金件时一定要注意钣金件的实际尺寸和你需要尺寸的差别，尽量保证两者一致。
3.表面粗糙度及热处理合理。
表面粗糙度是为了保证零件间配合的实际效果。表面粗糙度达不到使用要求，不仅会降低运动的灵敏性，而且由于粗糙的表面会带来接触面积的减小，从而降低零件件接触刚度，引发振动，降低零件精度保持的持久性。
4.电机精度控制。
电机或减速机输出端的精度等级直接影响整个传动系统，因此联系电机厂家时应尽量控制减速机输出端的轴向间隙和健侧间隙。
论文作者:张克溪1,赵鑫2
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第7期
论文发表时间:2018/7/18
标签：机器人论文; 聚氨酯论文; 橡胶论文; 重心论文; 轮子论文; 底盘论文; 电机论文; 《建筑学研究前沿》2018年第7期论文;