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輪式移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域之一，它們?cè)谏a(chǎn)生活中得到廣泛應(yīng)用的原因在于其控制簡(jiǎn)單精確、運(yùn)動(dòng)能力強(qiáng)、可靠性高。使用了全方位輪的輪式移動(dòng)機(jī)器人被稱為全方位移動(dòng)機(jī)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(gè)擴(kuò)展到3個(gè)，這樣使得全方位機(jī)器人可以實(shí)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(jī)器人，例如競(jìng)賽型全方位機(jī)器人，服務(wù)型全方位機(jī)器人等。全方位輪是全方位機(jī)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(qiáng)、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。下面對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。
正交輪與交互輪MY1的剖面對(duì)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(dòng)旋轉(zhuǎn)軸成45°交叉布置，這樣保證了每一時(shí)刻均有球冠與地面接觸，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)過程中球冠與地面的連續(xù)接觸。第1代MY輪全方位機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)表明MY1輪存在幾點(diǎn)不足之處：(1)結(jié)構(gòu)開放、松散，如圖，每一對(duì)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(jī)器人的使用場(chǎng)地必須滿足一定的潔凈度。(2)承載能力低，由于每個(gè)球冠都由一個(gè)獨(dú)立的被動(dòng)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(jì)過程：從球冠的相互分離，到球冠相互的“點(diǎn)接觸”，再到錐輪之間的“線接觸”。這種結(jié)構(gòu)上的變化實(shí)現(xiàn)了三錐輪MY輪結(jié)構(gòu)與強(qiáng)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(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)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(jìn)為封閉結(jié)構(gòu)，并且借助錐形輪之間的相互擠壓將一個(gè)被動(dòng)軸的受力傳遞到其它幾個(gè)軸，從而增加了MY輪的機(jī)械強(qiáng)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(jì)，會(huì)出現(xiàn)錐輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向的相互干涉，如圖所示。
四錐形輪的差動(dòng)結(jié)構(gòu)的第2代MY輪避免了錐形輪之間的轉(zhuǎn)動(dòng)干涉，轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)方向上是一個(gè)完全圓形結(jié)構(gòu)，保證了運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性，而在被動(dòng)方向上，約束力被球冠的自由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)卸載。第2代MY輪有著十分突出的優(yōu)點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)封閉、緊湊，如圖所示，由于差動(dòng)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(gè)錐形輪的組合。4個(gè)錐形輪構(gòu)成封閉式結(jié)構(gòu)，降低了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)受阻的可能性，這擴(kuò)展了MY輪機(jī)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(dòng)軸的受力狀態(tài)優(yōu)化，錐輪不僅傳遞著滾動(dòng)作用，還將地面的支持力傳遞給其它錐輪，被動(dòng)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(biāo)示出軸向受力。(3)較強(qiáng)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(diǎn)。不僅在主驅(qū)動(dòng)方向上能夠跨越障礙，也能夠?qū)崿F(xiàn)被動(dòng)方向的障礙跨越，實(shí)現(xiàn)了全方位輪功能上的突破。越障高度可以達(dá)到0。
為了進(jìn)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(jì)中采用聚氨醋材料覆蓋在輪的接地面，用強(qiáng)膠與鋁質(zhì)基輪相粘合。另外，輪緣的設(shè)計(jì)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(jìn)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(jì)時(shí)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(jì)破壞了MY輪的完整圓周，出現(xiàn)了大小為△的誤差。對(duì)△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(duì)MY3輪的影響可以忽略不計(jì)。
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