2.2　机器人的移动机构

移动机器人的移动机构形式主要有：车轮式移动机构；履带式移动机构；腿足式移动机构。此外，还有步进式移动机构、蠕动式移动机构、混合式移动机构和蛇行式移动机构等，适合于各种特别的场合。

2.2.1　车轮型移动机构

车轮型移动机构可按车轮数来分类。

（1）两轮车

人们把非常简单、便宜的自行车或油轮摩托车用在机器人上的试验很早就进行了。但是人们很容易地就认识到油轮车的速度、倾斜等物理量精度不高，而进行机器人化，所需简单、便宜、可靠性高的传感器也很难获得。此外，两轮车制动时以及低速行走时也极不稳定。图2-1是装备有陀螺仪的油轮车。人们在驾驶两轮车时，依靠手的操作和重心的移动才能稳定地行驶，这种陀螺两轮车，把与车体倾斜成比例的力矩作用在轴系上，利用陀螺效应使车体稳定。

（2）三轮车

三轮移动机构是车轮型机器人的基本移动机构，其原理如图2-2所示。

图2-2（a）是后轮用两轮独立驱动，前轮用小脚轮构成的辅助轮组合而成。这种机构的特点是机构组成简单，而且旋转半径可从0到无限大任意设定。但是它的旋转中心是在连接两驱动轴的连线上，所以旋转半径即使是0，旋转中心也与车体的中心不一致。

图2-2（b）中的前轮由操舵机构和驱动机构合并而成。与图2-2（a）相比，操舵和驱动的驱动器都集中在前轮部分，所以机构复杂，其旋转半径可以从0到无限大连续变化。

图2-2（c）是为避免图2-2（b）机构的缺点，通过差动齿轮进行驱动的方式。近来不再用差动齿轮，而采用左右轮分别独立驱动的方法。

（3）四轮车

四轮车的驱动机构和运动基本上与三轮车相同。图2-3（a）是两轮独立驱动，前后带有辅助轮的方式。与图2-2（a）相比，当旋转半径为0时，因为能绕车体中心旋转，所以有利于在狭窄场所改变方向。图2-3（b）是汽车方式，适合于高速行走，稳定性好。

根据使用目的，还有使用六轮驱动车和车轮直径不同的轮胎车，也有的提出利用具有柔性机构车辆的方案。图2-4是火星探测用的小漫游车的例子，它的轮子可以根据地形上下调整高度，提高其稳定性，适合在火星表面运行。

（4）全方位移动车

前面的车轮式移动机构基本是二自由度的，因此不可能简单地实现车体任意的定位和定向。机器人的定位，用四轮构成的车可通过控制各轮的转向角来实现。全方位移动机构能够在保持机体方位不变的前提下沿平面上任意方向移动。有些全方位车轮机构除具备全方位移动能力外，还可以像普通车辆那样改变机体方位。由于这种机构的灵活操控性能，特别适合于窄小空间（通道）中的移动作业。

图2-5是一种全轮偏转式全方位移动机构的传动原理图。行走电机M1从运转时，通过蜗杆蜗轮副5和锥齿轮副2带动车轮1转动。当转向电机M2运转时，通过另一对蜗杆蜗轮副6、齿轮副9带动车轮支架10适当偏转。当各车轮采取不同的偏转组合，并配以相应的车轮速度后，便能够实现如图2-6所示的不同移动方式。

应用更为广泛的全方位四轮移动机构采用一种称为麦卡纳姆轮（Mecanum weels）的新型车轮。图2-7（a）所示为麦卡纳姆车轮的外形，这种车轮由两部分组成，即主动的轮毂和沿轮毂外缘按一定方向均匀分布着的多个被动辊子。当车轮旋转时，轮芯相对于地面的速度v是轮毂速度vh与辊子滚动速度vr的合成，v与vh有一个偏离角θ，如图2-7（b）所示。由于每个车轮均有这个特点，经适当组合后就可以实现车体的全方位移动和原地转向运动，见图2-8。

2.2.2　履带式移动机构

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。利用履带可以缓冲路面状态，因此可以在各种路面条件下行走。

履带式移动机构与轮式移动机构相比，有如下特点。

①支承面积大，接地比压小。适合于松软或泥泞场地进行作业，下陷度小，滚动阻力小，通过性能较好。

②越野机动性好，爬坡、越沟等性能均优于轮式移动机构。

③履带支承面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力。

④结构复杂，重量大，运动惯性大，减振性能差，零件易损坏。

常见的履带传动机构有拖拉机、坦克等，这里介绍几种特殊的履带结构。

（1）卡特彼勒（Caterpillar）高架链轮履带机构

高架链轮履带机构是美国卡特彼勒公司开发的一种非等边三角形构形的履带机构，将驱动轮高置，并采用半刚性悬挂或弹件悬挂装置，如图2-9所示。

与传统的履带行走机构相比，高架链轮弹性悬挂行走机构具有以下特点。

①将驱动轮高置，不仅隔离了外部传来的载荷，使所有载荷都由悬挂的摆动机构和枢轴吸收而不直接传给驱动链轮。驱动链轮只承受扭转载荷，而且使其远离地面环境，减少由于杂物带入而引起的链轮齿与链节间的磨损。

②弹性悬挂行走机构能够保持更多的履带接触地面，使载荷均布。因此，同样机重情况下可以选用尺寸较小的零件。

③弹性悬挂行走机构具有承载能力大、行走平稳、噪声小、离地间隙大和附着性好等优点，使机器在不牺牲稳定性的前提下，具有更高的机动灵活性，减少了由于履带打滑而导致的功率损失。

④行走机构各零部件检修容易。

（2）形状可变履带机构

形状可变履带机构指履带的构形可以根据需要进行变化的机构。图2-10是一种形状可变履带的外形。它由两条形状可变的履带组成，分别由两个主电机驱动。当两履带速度相同时，实现前进或后退移动；当两履带速度不同时，整个机器实现转向运动。当主臂杆绕履带架上的轴旋转时，带动行星轮转动，从而实现履带的不同构形，以适应不同的移动环境。

（3）位置可变履带机构

位置可变履带机构指履带相对于机体的位置可以发生改变的履带机构。这种位置的改变可以是一个自由度的，也可以是两个自由度的。图2-11所示为一种两自由度的变位履带移动机构。各履带能够绕机体的水平轴线和垂直轴线偏转，从而改变移动机构的整体构形。这种变位履带移动机构集履带机构与全方位轮式机构的优点于一身，当履带沿一个自由度变位时，用于爬越阶梯和跨越沟渠；当沿另一个自由度变位时，可实现车轮的全方位行走方式。

2.2.3　腿足式移动机构

履带式移动机构虽可以在高低不平的地面上运动，但是它的适应性不强，行走时晃动较大，在软地面上行驶时效率低。根据调查，地球上近一半的地面不适合于传统的轮式或履带式车辆行走。但是一般的多足动物却能在这些地方行动自如，显然足式移动机构在这样的环境下有独特的优势。

①足式移动机构对崎岖路面具有很好的适应能力，足式运动方式的立足点是离散的点，可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点，而轮式和履带式移动机构必须面临最坏的地形上的几乎所有的点。

②足式运动方式还具有主动隔振能力，尽管地面高低不平，机身的运动仍然可以相当平稳。

③足式行走机构在不平地面和松软地面上的运动速度较高，能耗较少。

现有的足式移动机器人的足数分别为单足、双足、三足和四足、六足、八足甚至更多。足的数目多，适合于重载和慢速运动。实际应用中，由于双足和四足具有最好的适应性和灵活性，也最接近人类和动物，所以用得最多。图2-12是日本开发的仿人机器人ASIMO，图2-13所示为机器狗。

2.2.4　其他形式的移动机构

为了特殊的目的，还研发了各种各样的移动机构，例如壁面上吸附式移动机构，蛇形机构等。图2-14所示是能在壁面上爬行的机器人，其中图2-14（a）是用吸盘交互地吸附在壁面上来移动，图2-14（b）所示的滚子是磁铁，壁面一定是磁性材料才行。图2-15所示是蛇形机器人。