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輪式移動機器人是機器人科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域之一，它們在生產(chǎn)生活中得到廣泛應(yīng)用的原因在于其控制簡單精確、運動能力強、可靠性高。使用了全方位輪的輪式移動機器人被稱為全方位移動機器人。全方位輪在傳統(tǒng)輪的基礎(chǔ)上，將輪的自由度由2個擴展到3個，這樣使得全方位機器人可以實現(xiàn)平面內(nèi)任意方向靈活的平移和自轉(zhuǎn)。諸多科研人員己經(jīng)開發(fā)出多種用途的全方位機器人，例如競賽型全方位機器人，服務(wù)型全方位機器人等。全方位輪是全方位機器人的核心部件，各式各樣結(jié)構(gòu)的全方位輪層出不窮，典型的全方位輪有：萬向輪、麥克納姆輪、連續(xù)切換輪、球體等，但這些種類全方位輪的承載能力都偏弱。正交輪和MY輪都是將球輪和連續(xù)切換輪結(jié)合在一起的全方位輪，具有承載能力強、機構(gòu)簡單的特點。下面對其進行詳細的結(jié)構(gòu)強度分析。
正交輪與交互輪MY1的剖面對比圖，正交輪的接地區(qū)與非接地區(qū)的切換角度為90°(這正是正交輪名稱的來歷)，而MY1輪的切換角度則是45°。圖2所示為第1代MY輪的3D模型。兩部分球體的被動旋轉(zhuǎn)軸成45°交叉布置，這樣保證了每一時刻均有球冠與地面接觸，實現(xiàn)了運動過程中球冠與地面的連續(xù)接觸。第1代MY輪全方位機器人的運動實驗表明MY1輪存在幾點不足之處：(1)結(jié)構(gòu)開放、松散，如圖，每一對MY1球冠之間的間隙較大，較容易卷入雜物。這就要求MY1輪全方位機器人的使用場地必須滿足一定的潔凈度。(2)承載能力低，由于每個球冠都由一個獨立的被動軸支撐，極容易造成應(yīng)力應(yīng)變集中，使承載能力下降。
圖所示為第2代三錐輪MY輪，MY2的設(shè)計過程：從球冠的相互分離，到球冠相互的“點接觸”，再到錐輪之間的“線接觸”。這種結(jié)構(gòu)上的變化實現(xiàn)了三錐輪MY輪結(jié)構(gòu)與強度的優(yōu)化。圖所示為三錐形輪的第2代MY輪3D模型，這種設(shè)計的創(chuàng)新點是，變一貫使用的球冠為錐輪。將第1代MY輪的開放式結(jié)構(gòu)改進為封閉結(jié)構(gòu)，并且借助錐形輪之間的相互擠壓將一個被動軸的受力傳遞到其它幾個軸，從而增加了MY輪的機械強度(圖所示為1軸的受力分析示意圖)。但是三錐形輪的設(shè)計，會出現(xiàn)錐輪轉(zhuǎn)動方向的相互干涉，如圖所示。
四錐形輪的差動結(jié)構(gòu)的第2代MY輪避免了錐形輪之間的轉(zhuǎn)動干涉，轉(zhuǎn)動方向協(xié)調(diào)一致，如圖所示。圖所示右視圖和主視圖顯示了MY2輪驅(qū)動方向上是一個完全圓形結(jié)構(gòu)，保證了運動的連續(xù)性，而在被動方向上，約束力被球冠的自由旋轉(zhuǎn)運動卸載。第2代MY輪有著十分突出的優(yōu)點：(1)結(jié)構(gòu)封閉、緊湊，如圖所示，由于差動結(jié)構(gòu)的存在，MY2輪不再是MY1輪的開放式結(jié)構(gòu)，而是4個錐形輪的組合。4個錐形輪構(gòu)成封閉式結(jié)構(gòu)，降低了機器人運動受阻的可能性，這擴展了MY輪機器人的應(yīng)用空間。(2)承載能力高，MY2輪在結(jié)構(gòu)上徹底將輪的被動軸的受力狀態(tài)優(yōu)化，錐輪不僅傳遞著滾動作用，還將地面的支持力傳遞給其它錐輪，被動軸之間相互依靠，提高了承載能力，如圖所示。圖所示為(a)中1軸的受力分析圖，圖中標示出軸向受力。(3)較強的越障能力，多錐形體組合式MY輪變開放結(jié)構(gòu)為封閉結(jié)構(gòu)，克服了常規(guī)全方位輪越障能力差的缺點。不僅在主驅(qū)動方向上能夠跨越障礙，也能夠?qū)崿F(xiàn)被動方向的障礙跨越，實現(xiàn)了全方位輪功能上的突破。越障高度可以達到0。
為了進一步增加MY輪與地面之間的摩擦力，在第3代MY輪的設(shè)計中采用聚氨醋材料覆蓋在輪的接地面，用強膠與鋁質(zhì)基輪相粘合。另外，輪緣的設(shè)計沒有沿襲MY2輪的較為鋒利的結(jié)構(gòu)，而是在MY3的A，B位置進行了倒圓角操作。而且聚氨醋輪與基輪之間有15°的夾角，用來防止錐形輪之間攪入雜物。MY1輪和MY2輪在設(shè)計時保持了輪在軸線方向上圓周的完整性，而MY3輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計破壞了MY輪的完整圓周，出現(xiàn)了大小為△的誤差。對△的校核如下：MY3具體數(shù)據(jù)以及主要參數(shù)如下，MY輪半徑R=40mm，MY輪中心到倒角處距離R=38mm基座輪半徑L=32，95mm聚氨酯輪倒角h=2，53mm倒角半徑2mm，聚氨酯輪間夾角30°，將數(shù)據(jù)代入兩式，可求得形變率R=0.4%，誤差較小，在允許誤差范圍內(nèi)，故該“非圓”結(jié)構(gòu)對MY3輪的影響可以忽略不計。
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