四足机器人结构设计

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数量和接触点几何 - 重心 - 静态/动态稳定 - 地形倾斜 •联系的特点 - 接触点/通道的大小和形状 - 接触角 - 摩擦 •环境类型 - 结构体 - 介质（例如水，空气，软或硬地面） 运动的理论分析，首先是机械与物理研究所。从这个出发点，我们就可以正式定义和分析移动机器人运动系统的所有方式。然而，这本书的重点是移动机器人的导航问题，特别是强调感知，定位和认知。因此，我们不会深入到运动的物理基础。然而，在这一章的腿运动[33]和轮式运动问题概述目前剩下的两个部分。然后，第3章介绍运动学和轮式移动机器人的控制的更详细的分析。 2.2 腿移动机器人 腿式移动的特征在于一系列机器人和地面之间点接触。关键优势包括在崎岖地形的适应性和可操作性。因为只有一组点接触是必需的，这些点之间的接地的质量并不重要，只要该机器人能维持足够的离地间隙。此外，行走机器人能够跨过一个孔或中断区，只要其范围超过孔的宽度。腿式移动的最后一个优点是操纵在环境中的对象以高超的技巧的潜力。一个很好的例子虫，甲虫，能够滚动球。 腿式移动的主要缺点包括电力和机械复杂性。腿，其可包括若干个自由度，必须能承受机器人的总重量的一部分，并且在许多的机器人必须能够升降的机器人。此外，高机动性将仅在腿有足够数量的自由度，以赋予力在许多不同的方向来实现。 图2.5 各种动物的腿的布置。 2.2.1 腿配置和稳定性 由于腿的机器人仿生，这是有益的生物研究成功腿系统。许多不同的腿配置已经成功应用在多种生物体（图2.5）。大型动物，如哺乳动物和爬行动物，有四条腿，而昆虫有六个或更多个腿。在一些哺乳动物，走在只有两条腿的能力已经完善。特别是在人类的情况下，平衡已经进展到，我们甚至可以用一条腿1跳点。这个特殊的可操作性是有代价的：更加复杂的主动控制，以保持平衡。 与此相反，用三条腿的生物可呈现姿势提供了一种静态的，稳定的，它可以确保其重心是地面接触的三脚架之内。静态稳定性，由一个三条腿的凳子证明，这意味着保持平衡，无需运动。从稳定性（例如，轻轻推凳）小偏差被动地朝着稳定的姿势时，镦粗力停止修正。 但一个机器人必须能够举起它的腿实现行走。为了实现静态行走，机器人必须至少有六条腿。在这样的结构，有可能设计一个步态，其中腿的静态稳定三角架是在任何时候（图2.8）与地面接触。 昆虫和蜘蛛都能够立即出生的时候走路。对于他们来说，问题行走过程中的平衡也比较简单。哺乳动物，有四条腿，无法实现静态走路，但能够在四条腿站立容易。例如，花几分钟的时间试图站在他们能够做到这一点之前，再花几个多分钟的学习而不坠走路。人类，用两条腿走路，甚至不能站在一个地方静态稳定性。婴儿需要几个月站立和行走，甚至更长的时间来学习跳，跑，并单腿站立。 图2.6 腿与三个自由度的两个例子。 这里也有各个腿的复杂花样繁多的潜力。再次，生物世界提供了两个极端的例子。例如，在履带的情况下，每条腿用液压由收缩的体腔并迫使在压力上升延伸，每个腿由减轻的油压，然后激活单个拉伸肌肉，拉纵向缩回腿朝向身体。每个腿具有唯一的自由，其沿着腿纵向定向的单个程度。向前运动取决于在体内，延伸对腿之间的距离的油压。毛毛虫的腿因此机械很简单，用外在肌肉的最小数量来实现复杂的整体运动。 在另一个极端，人腿具有多于七个主要自由度，与脚趾进一步致动相结合。超过十五肌肉组织驱动8复杂的关节。 在腿式移动机器人的情况下，最低的两个自由度通常是由抬起腿向前摆动它向前移动腿必需的。更常见的是在加入更多的复杂机动第三自由度，造成腿诸如图2.6中所示的。在创建双足行走机器人最近取得的成功已在踝关节更多自由的第四个自由度。脚踝使得通过致动脚的鞋底的姿势更一致的地面接触。 在一般情况下，加入自由度的机器人腿增加了机器人的可操作性，既充实的地形上，它可以行驶的范围，所述机器人具有多种步态的行进的能力。附加关节和执行器的主要缺点，当然是，能量，控制和质量。额外执行机构需要能量和控制，并且它们也增加了腿质量，进一步增加了对现有执行机构的功率和负荷的要求。 图2.7 二步法有四条腿 由于这种机器人有少于六条腿，静态走路一般是不可能。 在机器人移动的情况下，存在对运动腿协调，或步态控制的问题。步态的数量可能取决于腿的数目。腿式移动机器人，可能发生的事件的一个步行机的总数为 一个两足步行器腿，可能发生的事件的数量是 六个不同的事件是 1.抬起右腿; 2.抬起左腿; 3.释放右腿; 4.释放左腿; 5.抬起双腿在一起; 6.释放双腿在一起。 当然，这种快速增长相当大。例如，具有六个腿机器人具有更 步态理论上： 图2.7和2.8描绘几个四条腿的步态和静态六条腿的三角步态。 2.2.2 腿机器人运动的例子 目前虽然没有大批量工业应用，但腿式移动是长期研究的重要领域。一些有趣的设计介绍如下，以独腿机器人开始和六条腿的机器人完成。对于登山和步行机器人的一个很好的概述，请参阅http://www.uwe.ac.uk/clawar/。 2.2.2.1 一条腿 腿式机器人可具有腿的最小数目。最小化腿的数目为几个原因是有益的。体重是尤为重要。行走机器，单腿减少腿部累积的质量。当机器人具有多个腿腿协调是必需的，但有一个腿不需要这种协调。或许最重要的是，一腿式机器人最大化腿式移动的基本优点：腿有代替整个轨道的与地面接触的单点。单足机器人只需要一个触点，使它适合于最恶劣的地形。此外，跳跃机器人可以动态地穿过缺口比通过采取运行开始它的步幅较大，而步行机器人由于其覆盖面大不能运行仅限于交叉差距。 创建一个单一的腿机器人的主要挑战是平衡。用于与一个机器人腿，静态走路不仅是不可能的，但是静态稳定静止时也不可能。机器人必须由改变其重心或通过赋予矫正力主动均衡本身。因此，成功的单腿式机器人必须是动态稳定。 图2.8 静态行走六腿 图2.9示出了Raibert料斗[28，124]中，最广为人知的单一腿跳跃机器人。该机器人通过相对于所述主体调整腿角度使得连续修正车体姿态和机器人速度。驱动是液压，包括姿态中的腿的高功率纵向延伸到跳回到空气中。虽然强大，这些致动器需要大，离板液压泵在任何时候都可以连接到机器人。 图2.10示出了最近[46]开发了一种更节能的设计。 代替通过一个非车载液压泵装置供给电力的，弓腿料斗是设计为捕获所述机器人的动能作为它的土地，使用高效的弓形弹簧腿。此弹簧返回的能量的大约85％，这意味着稳定跳频仅需要在每一跳中加入所需的能量的15％。这种机器人，它是由一个悬臂沿一个轴的限制，已经证明连续跳频用于使用一组在船上承载的机器人电池20分钟。作为与Raibert料斗，弓腿料斗控制通过在髋关节改变腿的角度，身体的速度。 图2.9 Raibert料斗[28，124]。 图2.10 二维单弓腿斗 图2.11 索尼SDR-4X II机器人 林格罗塞的论证力学中非常重要的两重性和适用于单足跳机的控制。经常巧妙的机械设计可以作为复杂的有源控制电路执行相同的操作。在该机器人中，脚的物理形状是完全正确的曲线，这样，当没有被完全垂直的机器人的土地中，从冲击提供适当的矫正力，使机器人由下一个着陆垂直。该机器人是动态稳定的，并且还被动。校正由机器人及其环境之间的物理相互作用提供，没有计算机或在循环中的任何主动控制。 2.2.2.2 两条腿（双足） 在过去的十年各种成功的双足机器人已被证明。两足机器人已经被证明跑，跳，行走上下楼梯，甚至做空中技巧，如翻跟头。在商业领域，本田和索尼公司都取得了那些启用了精干的双足机器人在过去十年显著的进步。两家公司设计的小型，供电接头是实现电力 - 重量性能闻所未闻的，在市售的伺服电机。这些新的“智能”舵机采用力矩传感和闭环控制方式不仅提供了强有力的激励，也兼容驱动。 图2.12 日本的人形机器人P2 索尼梦机器人，型号SDR-4X II，见图2.11。该电流模式是在1997年开始与移动娱乐和通信娱乐（即，跳舞和唱歌）的基本目标研究的结果。这种机器人38自由度有七个麦克风声音的精细定位，基于图像人识别，板上微型立体声深度图重建，和有限的语音识别。给的流体和娱乐运动的目标，索尼花了考虑，能够努力设计一个运动原型应用系统，以使他们的工程师编写脚本以直接的方式跳舞。注意，SDR-4X II是比较小的，站立高度58厘米，体重只有6.5公斤。 本田人形项目有显著的历史，但同样，先后攻克了很动的重要的工程挑战。图2.12示出了模型的P2，这是一个前任到最近的Asimo机器人模型（创新先进步流动性）。从这张照片的本田人形比大得多注意SDR-4X在120厘米高和重52公斤。这使得在楼梯和暗礁的人类世界的实际流动性，同时保持一个没有威胁的大小和姿势。也许第一次机器人展示著名仿生双足爬楼梯降，这些人形本田系列机器人被设计不是为了娱乐的目的，但在整个社会中的人类辅助工具。本田指，例如，以阿西莫的高度为最小高度使其能够仍然管理人类世界的操作中，例如，光开关的控制。 图2.13 人形机器人WABIAN-R III 双足机器人的一个重要特征是它们的拟人化的形状。它们可建为具有相同的近似尺寸为人类，这使得它们优良的车辆在人机交互研究。 WABIAN是在早稻田大学日本（图2.13）建为这样的研究[75]的机器人。 WABIAN旨在模拟人体运动，而且甚至还设计跳舞像一个人。 双足机器人只能在一定的限度之内静态稳定，因此机器人，如P2和一般WABIAN必须即使进行连续的平衡校正伺服。此外，每条腿必须有足够的容量来支持的全部重量的机器人。在四足机器人的情况下，平衡的问题是伴随着促进各腿的负载要求。一个双足机器人的一个优雅的设计是麻省理工学院（图2.14）的春季火烈鸟。这个机器人插入弹簧串联腿执行器实现了更有弹性的步态。与限制膝关节角度“膝盖”相结合，实现了火烈鸟仿生出奇运动。 2.2.2.3 四条腿（四足动物） 图2.14 麻省理工学院火烈鸟 虽然仍站在四条腿是被动的稳定，走路仍然具有挑战性因为要保持稳定重心机器人的中心必须步态过程中积极转变。索尼公司最近投资数百万美元开发了一个名为AIBO（图2.15），四条腿的机器人。为了创建这种机器人，索尼产生两个新的机器人操作系统是近实时和新齿轮伺服电动机是足够高的转矩，以支持该机器人中，用于安全尚未回驱动。除了开发定制的电机和软件，索尼成立的彩色视觉系统，使AIBO追逐光亮的彩球。该机器人能够需要再充电之前为最多一小时运行。机器人的早期销售一直非常强劲，第一年销量超过60000台。然而，电机的数量，这种机器狗背后的技术投资产生了非常高的价格大约为$ 1500。 四足机器人在作为有效的有潜力研究对象进行人类与机器人互动（图2.16）。人类可以治疗索尼机器人，例如，作为宠物，并可能发展人与狗之间类似情绪的关系。此外，索尼AIBO设计的行走方式和一般的行为模仿学习和成熟，从而随着时间的推移是谁可以跟踪变化的行为，车主更有趣的动态行为。作为高能量储存和马达技术所面临的挑战是解决了，它很可能是四足机器人比AIBO更有能力在很大程度上将整个人类环境变得很普遍。 2.2.2.4 六条腿（昆虫） 六足结构已经在移动机器人非常流行，因为步行期间它们的静态稳定性，从而降低了控制的复杂性（图2.17和1.3）。 在大多数情况下，每个腿具有三个自由度，包括髋关节屈曲，膝屈曲，和髋部外展（见图2.6）。成吉思汗是具有六个腿，每一个都具有两个自由度由嗜好伺服提供（图2.18）市售嗜好机器人。这样的机器人，它仅包括髋关节屈曲及髋关节外展，在崎岖的地形较少的可操作性，但在平地上表现相当好。因为它是由伺服电动机和直腿的一个简单的安排，这种机器人可以容易地由机器人爱好者建造。 图2.15 机器狗 图2.16 东京工业大学开发的四足机器人 产品规格： 最大速度：0.5米/秒 重量：16千克 身高：0.3米 长度：0.7米 腿数：6 自由度总数：6×3 消耗功率：10瓦 图2.17 德国卡尔斯鲁厄大学开发的六足平台。 图2.18 麻省理工学院最有名的步行机器人 采用伺服电机的爱好作为其执行机构（http://www.ai.mit.edu/projects/genghis）。这是从上面的例子清楚地表明腿的机器人有很大的进步，使之前，他们对自己的生物等效竞争力。然而，显著增益最近已经实现了，这主要是由于在马达设计的进步。创建该接近动物的肌肉的效率驱动系统从仍远到达机器人一样，储能与有机生命中发现的能量密度形式 2.3 轮式移动机器人 车轮已经是移动机器人和一般人造车最流行的运动机制。它可以达到很好的效率，如图2.3论证，并以相对简单的机械实现这样做。 此外，平衡不是通常在轮式机器人设计研究的问题，因为轮式机器人几乎总是设计成使得所有的车轮在任何时候都接触地面。于是，三个轮子足以保证稳定的平衡，但正如我们将在下面看到，两个轮子的机器人也能保持稳定。当使用三个以上的车轮，需要悬挂系统，以允许所有车轮当机器人遇到不平地形保持接触地面。从而不必担心平衡，轮式机器人的研究往往侧重于牵引力和稳定性，可操作性和控制的问题：可以在机器人轮子的机器人，以覆盖所有需要的地形提供足够的牵引力和稳定性，并且做机器人的轮子配置允许通过机器人的速度足以控制？ 图2.19 四种基本的车轮类型 （a）标准轮：两个自由度的;周围的旋转（电动化）轮轴和接触点。 （b）脚轮：两个自由度;围绕旋转胶印转向节。 （c）瑞典轮：三个自由度;周围的旋转（电动）轮轴，绕辊子，和周围的接触点。 （d）球或球形轮：实现技术上的困难。 2.3.1 轮式运动：设计空间 正如我们看到的，有当一个人认为的移动机器人运动可能的技术可能车轮的配置非常大的空间。我们首先讨论了详细的车轮，因为有许多不同类型的车轮与特定的长处和短处。然后，我们研究完整的车轮配置，可提供运动的特殊形式的移动机器人。 2.3.1.1 轮毂设计 共有四种主要轮类如图2.19。他们有很大的不同其 运动学，因此车轮类型的选择对移动机器人的整体运动有很大影响。标准轮和脚轮有旋转的主轴，因而高度定向。以在不同的方向上移动时，车轮必须首先沿一垂直轴线转向。这两个轮之间的关键区别在于，标准轮可完成无副作用该转向运动，作为旋转的中心穿过与地面接触印痕，而脚轮围绕偏移轴线旋转，造成的力转向期间赋予给机器人底盘。 图2.20 汽车上的轮毂 瑞典轮和球形轮是较少受方向性比常规标准轮约束两种设计。瑞典轮用作正常轮，但是，有时在中间角度提供在另一个方向低电阻，以及，有时在垂直于常规的方向，如在瑞典90，如在瑞典45绕轮的圆周附小滚筒被动和车轮的主轴线作为唯一积极供电接头。这种设计的主要优点是，虽然车轮旋转仅沿一个主轴线供电（通过轴），该轮可运动地用很少的摩擦移动沿着许多可能的轨迹，不只是前进和后退。 球形轮是一个真正的全向车轮，常常设计成使得它可以是积极动力沿任意方向旋转。用于实现该球面设计一种机制仿计算机鼠标，提供积极驱动辊即靠在球体的顶部表面并赋予旋转力。 不管什么轮被使用，适用于所有地形环境和三个以上的轮子的机器人，悬浮系统通常需要保持与地面轮接触。一对悬挂的最简单的办法是设计的灵活性入轮本身。例如，在使用脚轮一些四轮室内机器人的情况下，制造商已应用软橡胶的可变形的轮胎到轮以创建原始悬浮液。当然，这种限制的解决方案不能用在应用程序的复杂的悬挂系统，其中，机器人需要为显著非平坦地形更加动态悬浮竞争。 2.3.1.2 轮几何 轮类型的用于在移动机器人的选择强烈挂轮的选择安排，或轮的几何形状。移动机器人设计者必须设计一个轮式机器人的机制时，同时考虑到这两个问题。为什么轮式和轮几何关系吗？机器人的三个基本特性由这些选择决定：机动性，可控性，和稳定性。 不同于汽车，这在很大程度上是专为一个高度标准化的环境（道路网络），移动机器人被设计用于在各种情况下的应用程序。汽车都有着类似的轮结构，因为在最大化的可操作性，可控性和稳定性的标准环境设计的空间区域：铺成的巷道。但是，存在的各种面对不同的移动机器人，你将在移动机器人的车轮配置看到极大各种环境中最大限度地提高这些性质没有单一的轮配置。事实上，很少使用的机器人汽车的车轮阿克曼配置，因为其可操作性差，与专为道路系统（图2.20）移动机器人的除外。 表2.1给出了由轮的数量有序车轮配置的概述。 此表显示特定车轮类型都选择和机器人底盘上它们的几何构型。请注意，一些示出的配置是在移动机器人的应用很少使用。例如，这两个轮子的自行车装置具有适度的可操作性和控制性差。就像一个单跳腿的机器，它永远停滞不前。然而，该表提供了大量的各种轮的配置，在移动机器人的设计是可能的指示。 表2.1变异的数量是相当大的。但是，也有重要的趋势和分组，可以在理解的优点和每个配置的缺点帮助。下面，我们确定我们前面已经确定的三个问题方面有一些关键的权衡：稳定性，可操作性，和可控性。 2.3.1.3稳定性 出人意料的是，对于静态稳定性所需车轮的最小数量为两个。两轮差分驱动机器人可以实现静态稳定性，如果质量中心是轮轴的下方。 CYE是使用该轮配置（图2.21）商用移动机器人。然而，在一般情况下这样的解决方案，需要车轮直径的是不切实际的大。动力学也能引起二轮车机器人求取地板与第三接触点，例如，与从待机足够高的电机转矩。静稳定性需要至少三个轮子的，与重心必须包含由车轮的地面接触点形成的三角形内的附加警告。稳定性可以通过添加更多的车轮得到进一步改善，虽然曾经接触点的数目超过3，几何性质的超静将需要某种形式的不平坦的地形灵活的悬架。 表2.1对于车辆轧车轮配置 #车轮排名 布局 描述 典型的例子 2 一方向盘在前方，在后一个牵引轮 自行车，摩托车 与大众（COM）的轴下方的中间两轮差分驱动 CYE个人机器人 3 接触的第三点两轮中心差分驱动 游牧侦察员 在后方/前方两个独立驱动的车轮，前/后1无动力全向轮 许多室内机器人， 包括EPFL机器人 皮格马利翁和爱丽丝 两个连接的牵引轮（差）的后方，1转向自由轮在前面 比亚乔微型车 在后两个自由轮，1转向曳引轮在前面 海王星（卡内基·梅隆 大学），英雄 - 1 安排在一个三角形的三个机动瑞典或球形车轮;全向运动是可能的 斯坦福轮Tribolo EPFL，Palm Pilot掌上电脑机器人套件 （CMU） 三同步机动和转向车轮;方向是不可控的 “同步驱动器” 丹宁MR2，佐治亚理工学院，I-B24机器人，游牧 200 2.3.1.4 机动性 一些机器人全向的，这意味着它们可以在沿着接地平面的任何方向随时走动其垂直轴机器人的取向无关。可操作性的这个级别要求轮子可在不止一个方向上移动，并且因此全向机器人通常采用被供电瑞典语或球形轮。一个很好的例子是天王星，如图所示2.24。该机器人使用四个轮子瑞典旋转，独立和没有约束的转换。 图2.21 市售的家用机器人 在一般情况下，与瑞典和球形轮机器人的离地间隙是比较有限由于构成全向车轮的机械约束。一个有趣的最近溶液，同时解决该地面净空问题全向导航的问题是四脚轮结构，其中每一个脚轮积极转向积极翻译。在这种结构中，机器人是真正的全向因为，即使脚轮都垂直于行进的所需方向朝向的方向，机器人可以仍然在所希望的方向上被操纵这些轮子运动。因为垂直轴是从地面接触路径偏移，该转向运动的结果是机器人的运动。 在研究界，其他类移动机器人很受欢迎因为实现很高的可操作性，只有略劣于全向结构。在这样的机器人，在特定方向上的运动开始时可能需要的旋转运动。具有圆形底盘和在机器人的中心旋转轴，这种机器人可以旋转而不改变其地面足迹。最流行的这样的机器人是两轮差分驱动机器人，其中两个轮子绕机器人的中心点旋转。可用于稳定一个或两个额外的接地接触点的基础上，应用程序的细节。相较于上述配置，考虑转向梯形配置。 通用汽车。这种车辆典型地具有一转弯直径比所述车大。另外，对于车辆侧向移动需要驻车操作方向包括反复修改前进和后退。尽管如此，转向梯形几何一直在爱好机器人市场，一个机器人可以通过一个遥控赛车套件开始，增加感知和自主现行机制建设特别受欢迎。此外，阿克曼转向的有限的可操作性有重要的优势：其方向性和转向几何它提供在高速转弯非常良好的横向稳定性。 2.3.1.5 可控性 一般有可控性和可操作性之间的负相关性。 对于例如，全向设计，如四脚轮结构需要显著处理以期望的旋转和平移速度转换为单个车轮的命令。此外，这样的全向设计通常有更大的自由度，在车轮。例如，瑞典轮有一组沿车轮周长自由辊。这些自由度引起滑移的累积，倾向于减少推算定位精度，并增加了设计的复杂性。 相比较少机动性设计时控制装置，用于旅行的特定方向的全向机器人也比较困难的，往往不太准确。例如，阿克曼转向车辆可通过锁定转向轮和驾驶驱动轮直行简单。在差驱动车辆，附连到两个车轮的两个马达必须沿完全相同的速度分布，其可以是具有挑战性的车轮，马达，和环境的差异之间考虑变化来驱动。如天王星机器人，它具有四个瑞典轮子，这个问题就更加困难，因为全部四个车轮必须以完全相同的速度驱动机器人在一个完美的直线行进。 总之，就是同时最大限度地提高台站没有“理想的”驱动器配置相容性，可操作性，和可控性。每一个移动机器人应用独特的地方在机器人设计问题的限制，以及设计师的任务是可以从妥协的这个空间当中选择最相应的驱动器的配置。 2.3.2 轮式运动：案例研究 下面，我们描述四个特定车轮的配置，为了说明的具体上面讨论到对于真实世界的活动建移动机器人的概念的应用程序。 2.3.2.1 同步驱动器 在同步驱动器配置（图2.22）是在室内移动机器人的应用车轮的流行安排。这是一个非常有趣的配置，因为尽管有三个驱动和转向轮，只有两个马达总使用。所述一个平移电机设置所有三个轮子的速度一起，和所述一个转向马达旋转全部车轮一起关于每个其个别竖直转向轴。但请注意，在车轮正在转向相对于所述机器人底盘，因此有重新取向所述机器人机架的没有直接的方法。事实上，底盘取向不随时间漂移由于轮胎打滑不均匀，造成旋转推算定位误差。 图2.22 同步驱动器 同步传动：机器人可以在任意方向上移动;然而，机箱的取向是不可控的。同步驱动器是在无指向性的情况下寻求特别有利。只要每个竖直转向轴与每个轮胎的接触路径对齐，机器人可以总是调整其车轮和沿一个新的轨迹移动，而不改变它的尺打印。当然，如果机器人底盘具有方向性和设计者打算目的地重定向底盘，然后同步传动当与独立旋转转台，重视对轮底盘结合仅为合适的。商业研究机器人，如Nomadics150或RWI B21r已经售出这种配置（图1.12）。在航位推算而言，同步驱动系统一般优于真正的全向定向配置，但不如差分驱动和阿克曼转向系统。这有两个主要原因。首先，翻译马达通常驱动用单个皮带三个轮子。由于以溅和间隙中的传动系，每当驱动马达啮合，最接近轮开始最远车轮前转动，从而导致在机箱的取向的小的变化。随着电机转速其他更改，这些小角度的变化积累航位推算过程中创建的方向一个大错误。第二，该移动机器人具有在底盘的取向没有直接控制。取决于底盘的方向，车轮推力可以是高度不对称的，在一侧的两个轮子和单独的第三轮，或对称的，每边一个轮子和一个轮直行或后面，如图2所示。不对称的情况下，导致多种时，可能发生轮胎打滑地面，再次引起机器人定位航位推算错误的错误。 图2.23 球形的轴承和电机 2.3.2.2 全向驱动器 正如我们将在3.4.2节后面看到的，全方位的运动是完整的机动性极大的兴趣。全向机器人能够在任何方向上移动（）在任何时候也完整约束（参见3.4.2节）。他们可以通过实现使用球形，蓖麻，或瑞典的车轮。这种机器人中完整的三个例子如下。 全方位运动三个球形车轮。全方位机器人在图2.23示出基于三个球形轮，各由一个电机致动。在此设计中，球形轮由三个接触点，二经球面轴承和一个由连接到马达轴上的轮定暂停。这个概念提供了极好的操作性和设计简单。然而，它仅限于平坦表面和小负荷，这是相当困难的发现圆轮具有高摩擦系数。全方位运动有四个轮子。如图2.24所示的全方位安排已成功应用于多个研究机器人，包括卡内基·梅隆天王星。该配置包括四个瑞典45度轮，分别由单独的电动机驱动。通过改变旋转和相对的方向四个车轮的速度，该机器人可沿在平面任何轨迹和移动，更令人印象深刻，可同时旋转绕其垂直轴线。 图2.24 卡内基梅隆大学机器人天王星 卡内基梅隆大学机器人天王星，全向机器人有四个供电瑞典45轮。例如，当所有四个车轮旋转“前进”或“后退”的机器人的整体移动以直线向前或向后，分别。然而，当一个对角线对车轮的在同一方向上被旋转，另一对角线对在相反方向上旋转，机器人横向移动。 这个瑞典车轮的四轮布置不是最小的控制方面电机。因为只有三个自由度，在飞机上，可以建立使用三个瑞典90度轮三轮全向机器人底盘见表2.1。然而，如天王星现有例子已经设计由于能力和稳定性的考虑四个车轮一个应用此种全方位的设计是特别适合的移动操作。在这种情况下，理想的是降低的自由度，机械臂通过移动机器人的运动底盘减少手臂质量。如与人类，这将是理想的，如果基于可以在不大大影响操纵器尖端的位置全方向移动，如天王星可以承受正是这样的能力。 全方位运动有四个脚轮和八个马达。为无指向另一解决方案是使用脚轮。这是从游牧技术游牧XR4000（图2.25）来完成，给它良好的机动性。不幸的是，游牧已停止生产移动机器人。 上述三个实施例是从表2.1延伸，但是这不是一个详细的列出所有轮式运动特性。结合了腿和轮式运动，或履带式和轮式运动混合方法，还可以提供特别的优势。下面是专门的应用程序创建了两个独特的设计。 图2.25 游牧XR4000 从游牧技术游牧XR4000有四个脚轮为完整约束运动的安排。所有的脚轮被驱动和转向，因此需要精确的同步和协调，以获得精确的运动。 2.3.2.3 履带打滑/滑行运动 在上面讨论的车轮构造中，我们已经提出，车轮表面不允许打滑的假设。转向的另一种形式，称为空转/滑行，也可以使用通过纺丝正面临以不同的速度或在相反的方向相同的方向车轮重新定位的机械手。军队坦克操作这种方式，并且Nanokhod是基于相同的概念的移动机器人的一个例子。 相比传统轮式设计，机器人使胎面的使用具有大得多的地面接触印痕，并且这可以显著改善其在松散地形的机动性。然而，由于这大的地面接触印痕，改变所述机器人的取向通常需要打滑转，其中，所述轨道的一个大的部分必须针对地形滑动。 这样的配置的缺点是联接到空转/滑行的转向。因为大量的转弯时打滑的，机器人的旋转的正中心是很难预测和位置和方向的精确变化也受到取决于地面摩擦的变化。因此，这种机器人航位推算是非常不准确的。这是权衡即以换取极其良好的可操作性和牵引在粗糙和松散的地形制成。此外，在使用上的高摩擦表面上的空转/滑行的方法可以快速地克服电机的扭矩能力。在功率效率方面，这种做法在松散的地形相当有效的，但非常低效的。