外文翻譯--轉向歷史 中文版

第六章 轉向歷史 版權所有 2003 年的麥格勞 - 希爾公司，公司點擊這里使用條款。 羅馬人 廣泛使用二輪馬車 ， 一 拉動右邊韁繩，馬就拉著車向右拐 ，反之亦然。 車 上的兩個輪子 裝在同一軸上，但在必要的地方每個車輪可轉動的速度取決于車是直行還是拐彎 。 車越來越大，最終有四個輪子，兩個 在 前 面 和 兩個在后面。很明顯（雖然目前還不清楚這是不是羅馬人提出的），這個嘗試是拐彎引起的問題，一個或一 組車輪會打滑。 解 決這個問題最簡單的方法是在車輪前組上 軸 的中間設計成旋轉的 （圖 6-1）。 一個 舌頭連接到軸和前面的車輛，在 連接到一個馬。 馬 拉著前面車輪轉，后輪跟著轉 。這個方法 很 有效 ，的確，仍然是四輪馬車 。 圖 6-1 樞軸安裝前車輪 在 19 世紀初，隨著蒸汽機的出現(xiàn)（以及后來的電動機，燃氣發(fā)動機和柴油發(fā)動機） 該方法 開始出問題 。車輛 很難 在速度更快的情況下控制 在 每秒幾米。 在車輛的前下方 車軸和舌頭 占用了大量的空間來回擺動 。嘗試解決這個問題的方法是使該軸足夠長，使 前轉彎時車輪沒有打 到車的兩側，但 前輪 比較長的車輛不是 很方便 。 第一個有效的修復 是在兩個前輪上安裝機制，允許每個車輪旋轉到接近其自己的中心。這節(jié)省空間， 更容易控制 并且 工作 得很好 。在 1816 年，喬治 Lankensperger 發(fā)現(xiàn)轉彎時用車輪安裝使用，將使這種變化一致。 他與魯?shù)婪虬⒖寺?合作 ，他的名字是現(xiàn)在這種 幾何形狀轉向 類型 的代名詞 。雖然阿克曼轉向 在幾乎每個人控制的車輛設計道路上使用，它其實是 不適合 由電腦控制的高機動性車輛，但感覺對了的人，可以 以更快的速度 運作非常良好 。它 原來 還有許多其他的方法，用于一些直觀的或者 一些非常復雜的 車削 。 轉向基礎知識 當車輛 前輪或在軌道上的所有點以同樣的速度同向 旋轉 時 ， 僅當它們都是相同的直徑。車削需要在這個系統(tǒng)中的一些變化。一個 twowheeled 自行車（圖 6-2） 顯示了 執(zhí)行這一轉變 最直觀的機制 。轉動前輪到一個新的地方 ， 它在這一方向 轉 。后輪 也是如此 。 然后 前輪和自行車，再直走。 密切觀察三輪車的兩個后輪演示轉彎時 ，可以發(fā)現(xiàn)另一個重要的事實：在內側 車輪拐角處的轉速比外側車輪速度 慢，因為內側輪 在相同時間內 是繞來繞去的一個小圓圈。這一重要細節(jié)，如圖 6-3 所示，發(fā)生在所有的輪 式和履帶式車輛。如果車輛的車輪是內聯(lián)的，必須有某種方式，讓輪子 指向不同的方向。如果 在兩側的車輪，它們必須能夠以不同的速度旋轉。這 與地面接觸的傳動部分的任何偏差都會 發(fā)生 滑動或滑行。 圖 6-2 自行車轉向 圖 6-3 三輪車轉向 在一個方向上 直線行駛 至少需要一個單一的方向執(zhí)行機構。發(fā)條玩具是一種超簡單的 驅動系統(tǒng)。直線行駛在兩個方向上都至少需要一個雙向執(zhí)行器或兩個單方向的驅動器。其中的一個單方向執(zhí)行器可以 驅動無論是轉向機構還是第二驅動電機。增加一個簡單的單方向的 電機玩具，它可以去 任何新的方向。這表明， 在任何方向上移動 至少 需 要 的致動器數(shù)目為 2，并且兩個可以是單方向的電機。 在實踐中，這原來是相當 受限制的，至少部分是因為它 只有兩個單方向的驅動器 很難在原地轉 ， 但主要是因為沒有足夠的驅動器和轉向 。讓我們來探討一下 常用的 輪式和 履帶式機器人 的多 種轉向 。 最簡單 靜態(tài)穩(wěn)定的車輛有兩種 ，一種是 三個輪子或兩個曲目 ，另一種是 最簡單的動力系統(tǒng)來驅動 ， 避免 使用只有兩個 單方向 的電動機 。 事實證明，只有 這 兩種方法來引導這些非常簡單的車輛： 1。兩個單方向的電機 組合驅動器 /轉向輪或組合驅動 /轉向軌道與其他一些被動輪或軌道 2。兩個單方向的電機，每行駛軌道或輪（第三車輪上的輪動布局是一個被動的旋轉腳輪） 最簡單的 第一個 版本是一個單輪 轉向幾何 驅動 /轉向模塊安裝在帶有兩個固定輪子的機器人 上。常見三輪車使用這個布局， 這樣 在自動化倉庫使用的車輛 做一些自動 引 導 （ AGV 的）。流動性是有限的 ， 因為只有一個車輪提供動力，同時拖動兩個被動輪。這種布局可以很好地用于 AGV 的應用 ， 因為倉庫的地面平整和整潔， 這種類型的車輛 用于 走道 設計 。在 AGV 驅動 /轉向模塊通常具有雙向轉向電機， 把驅動輪 過去 180 ，所以 單一方向轉向電機是可能的。 AGVS 最復雜的類型 四個驅動 /轉向模塊 有很多版本。這些車輛 可以 在任何方向 用有效任何普通轉向引導 不旋轉（俗稱“測航 ” ） ， 叫做 偽阿克曼轉向，任何一點 轉一下 或旋轉到位， 都沒有打滑， 是輪模塊的 AGV 可獨立，并 在幾種不同的尺寸范圍從大約 30 厘米高 到 近一 米高。 圖 6-4 打開約一軌道 第二個 馬達單方向轉向布局已 在研究機器人和玩具 中 成功 嘗試， 但它并沒有提供足夠的環(huán)境， 在 良性 中 選擇車輛 走動。它可以用在履帶式車輛，但沒能夠驅動軌道向后，機器人不能在原地轉 ，必須轉一 個軌道 。圖 6-4 顯示了在 這個限制 中可接受的一些應用，以及單方向的簡單 電子馬達驅動器可以彌補流動性的喪失。該這兩個驅動 /轉向系統(tǒng)的最大優(yōu)點是極致簡約， 但 不可以 掉以輕心。 下一步向上 下一個最有效的轉向方法是使 一個雙向 的制動器 具有雙向性。 地毯戰(zhàn)士 的 機器人 在每個輪上使用兩個雙向馬達 。這個轉向幾何（圖 6-5a， 6-5b）被稱為差動轉向系統(tǒng)。不同的相對速度在兩個輪子之間接通機器人。在一些超簡單的機器人，像地毯戰(zhàn)士，第三輪甚至不旋轉， 當機器人在轉彎時 它只是被動地卷在一個固定的軸和墊木 上 。幾乎所有 的現(xiàn)代雙履帶式車輛使用這個方法來引導，而舊履帶式車輛會制動 軌道 的一側 ， 使 車輛 在軌道上減緩 。 圖 6-5a 中差分操舵 圖 6-5b 在輪式車輛的章節(jié)中討論，這也是一些四輪裝載機 轉向 ，如知名的方法山貓。 一個馬達驅動 車輛 兩個輪子 的一側， 其他驅動兩個輪子的另一邊。 這種轉向的方法是有效和強大 的，它是用 在一個大比例的四、六、 八輪式機器人， 和 幾乎所有的現(xiàn)代履帶式車輛 。該指導方法產(chǎn)生了大量的車輪或履帶打滑 。這就是名為“滑移”的由來。 該輪或履帶打滑的事實意味著該系統(tǒng)是穿脫輪胎或履帶墊 的浪費 ，這使 滑動轉向 的設計低效率 。配售車輪并攏或使軌道更短 為前 /后穩(wěn)定的成本 來 減少這 種打滑。六輪滑移轉向車輛可以將車輪的中心組略低于前、 后集，在增加擺 動的成本 減少打滑 。幾個全地形車制造商已經(jīng) 在六輪式車輛上產(chǎn)生 輕微的偏移，這一概念 也 可以應用于室內 硬質表面的機器人 。八輪式機器人可以從降低 中心兩套輪子，減少顫動中獲益 。 單輪驅動 /轉向模塊前面討論過， 圖 6-6 三輪車在一般情 況下 可以 應用到許多布局的 一個有效的機制。 一個缺點是 通過轉向機構 一些固有的復雜 驅動輪。 這通常是通過 驅動電機 與變速箱里面的 輪 來完成的。采用這種布局，電源 驅動電機 在驅動輪只有一對相關 電線從任何傳感器信號線 引出 。這些電線必須經(jīng)過轉向機構， 比傳遞動力機械通過接頭 更 容易 。 在某些電機 inwheel 布局， 特別是討論了同步驅動下，轉向機構在任一方向必須能夠轉動驅動輪 。這需要轉向的電機滑環(huán)關節(jié)?；h(huán)，也稱為旋轉接頭，在兩個標準制造尺寸 或自定義布局。 圖 6-6 驅動 /轉向模塊三輪車上 圖 6-7 同步驅動器 一種解決機械供電問題的 類型， 在一個驅動輪 /引導模塊做了幾個巨大 復雜的 成功 機器人 研究 ， 通常稱為 syncrodrive。一個 同步驅動 （圖 6-7）通常使用三個 或四個輪子。所有的驅動和轉向步調一致，同步進行。這充分允許完整的轉向（頭在任何方向不動時需要前進）?？梢栽诓輬D中看出，驅動馬達在車輪的正上方。車軸 穿過中心轉向軸，通過一個直角變速箱聯(lián)接到輪。 如果 因為它能夠產(chǎn)生小的旋轉誤差 而依靠航位推算 ，這種布局可能是最好的使用 。雖然占主導地位 ，但航位推算誤差通常是由事物的環(huán)境 產(chǎn)生，該 系統(tǒng)理論上具有最小的內部誤差。四輪布局 不 適合 崎嶇 的地形，除非至 少有一個輪模塊是由垂直兼容， 但將產(chǎn)生如圖 6-8 所示的復雜機制。 圖 6-8 驅動 /轉向模塊垂直合規(guī) 全地形周期（ ATC），當他們的法律 通過運行功率差分對的兩個后輪，并且 在一對前輪標準三輪車 上操縱 布局。 ATC 中明確指出的大弱點 是 在一個急轉彎時 以對角下降到前輪一側的傾向 ，用人力驅動流動性相當好，但 不是天生如此 的 。 四 個 是 系統(tǒng) 的穩(wěn)定性問題 的答案。四個輪子使他們更穩(wěn)定，許多都是四輪產(chǎn)生的驅動 ，在無法轉的地方大大 增強其流動性 。當然設計是 由人來控制，誰 可以預見障礙 并找出如何操縱它們。如果 在它們的大小范圍 移動系統(tǒng) 是必 要的 ，他們可能是個好的開始。它們大批量生產(chǎn)， 價格低廉，并且它們是一成熟的產(chǎn)品。四 可 由多家公司制造并且可在許多大小范圍 內提供許多不同的移動 能力。 隨著輪的數(shù)量上升，轉向方法也有 很多。大多數(shù)是基于前面提到的類型變化 ，但一個是完全不同的。在圖 4-30（第四章），車輛分為 2 個部分通過一垂直軸接頭相連接。這種布局常見于大型工業(yè)前端裝載機， 即使它不能在原地轉但可提供很好的轉向。布局上也迫使部分在 相當不尋常的形狀 上 允許轉彎 。 在工業(yè)的版本上 動力是由單一馬達和差速器傳遞至車輪，如果每車輪有自己的電機 ， 流動性將增加 。 第七章 步行 機器人 版權 2003 由美國麥格勞 -希爾公司，公司按此使用條款。 這里沒有多細胞動物，使用任何形式的 推進滾動機構。每一個單一的陸地動物的用途 是接肢或扭動 。 行走必須是最好的方式 來 移動，對嗎？為什么沒有更多的步行機器人？原來一個步行機器人遠比做一個輪子或履帶式之一更加困難。連最基本的助行器 都 需要更多的驅動器，更多的自由度，以及更多的運動部件。 穩(wěn)定是行走機器人的主要問題，因為他們往往 是高大頭重腳輕。某些類型的腿的幾何形狀和行走步態(tài) 從摔倒 步態(tài) 的預防 到 停止。它們是靜態(tài)穩(wěn)定的。其 幾何形狀被稱為 “ 動態(tài)穩(wěn)定“ 。 如 果他們 在一 錯點停止 ，他們就跌倒了 。 人是動態(tài)穩(wěn)定 的 。 自然界中動態(tài)穩(wěn)定步行的一個例子事實上是任何兩條腿的動物。 當他們要停止行走 ,他們的腳必須在正確的地方，防止翻倒。 兩足恐龍，人類，鳥 是用 兩條腿行走， 但任何起到 紅色 /綠色光 或凍結標簽的孩子已經(jīng)想停止中等步幅沒有跌 這是相當困難的 。 對于 這個原因，兩足步行機器人，無論是擬人化的（ 像 人 一樣 ） 或似 鳥（膝蓋彎曲或其他方式）， 都比較復雜，需要傳感器才 可以檢測機器人 是否 翻 倒 ，然后計算 腳放 在哪里 去阻止它。 某些超過兩條腿的動物在特定的步態(tài)類型 中 也是動態(tài)穩(wěn)定。馬是一個很好的例子。當 他們靜靜地站 著時是它們 唯一一次 的 靜態(tài)穩(wěn)定。他們使用的運動步態(tài) 是 動態(tài)穩(wěn)定 的 。當他們想停止，他們必須計劃把腳放哪里來防止摔倒。當一匹馬的 腳 要抬離地面，馬 要 重新定位 用 三蹄 來 保持穩(wěn)定 ， 這是一個很大的努力，甚至 它 已是靜止的。另一方面， 貓 可以 行走 ，使他們能夠 在任何時候停止不翻倒。他們 這樣 做 不需要提前終止計劃。這就是所謂的靜態(tài)穩(wěn)定獨立腿走路。大象 在 過 河 流或困難的地形 時 使用這種技術。他們三條腿 站著 而第四腿移動，直到找到合適的地方放下。 這些例子表明，四條腿的步行者可以有動態(tài)或靜態(tài)穩(wěn)定或兩者都是的幾何形狀。動物有高度發(fā)達的傳 感器，一個高度進化的大腦，和高功率密度的肌肉， 使這種運動 受到 控制 。實際行走的機器人，因 為傳感器的局限性，處理器和快速反應功能強大的驅動器，通常最終會靜態(tài)地穩(wěn)定的兩到八條腿。 動態(tài)穩(wěn)定步行移動機器人的設計，需要一個廣泛的比較復雜的傳感器，平衡的知識，高級數(shù)學，快速作用的執(zhí)行機構，運動學，動力學。 這是超越一切這本書的范圍 。本章的其余部分將重點放在第二 大類，靜態(tài)穩(wěn)定的步行者。 腿的致動器 首先，讓我們來看看腿的幾何形狀和驅動方法。有 移動機器人 腿 的 三大技術。 線性致動器（液壓，氣動，或電動） 直接驅動旋轉 電纜驅動 液壓系統(tǒng) 是不包括在這本書中，但可以有效地使用兩種方法，氣動和電動做直線運動。幾乎任何想象的大小氣動缸已被用于多足步行機器人研究項目。他們具有更高的功率密度 ，非電動直線執(zhí)行器氣動，但問題是壓縮空氣罐占用了大量。 線性驅動器具有的優(yōu)點是它們可以直接使用腿本身。體內的致動器被安裝在機器人的底盤或另一個驅動器，和延伸段末端 可以 有一英尺連接到它。 這個概念用于機器人的直角坐標和圓柱坐標行者使用。這些布局都沒有覆蓋在這本書中，但讀者呼吁調查他們 ，因為他們可以簡化 機器人控制程序的開發(fā)。 直接驅動旋轉執(zhí)行器通 常需 要進行定制設計，得到的扭矩輸出足夠高， 旋轉 步行者的關節(jié)。他們有低功率密度，通常使步行者的關節(jié)看起來不 大。它們很容易精確控制，并促進了模塊化，由于致動器 的設計可以在概念上和物理上作為完整的關節(jié)。這不是線性致動或電纜真實驅動關節(jié)。 電纜驅動的接頭具有的優(yōu)點在于，致動器位于機器人的主體。這使得肢體輕和小。在應用中，腿是很長的或薄的，這是至關重要的。他們 在某種程度上 是容易實現(xiàn)，適當?shù)膹埩θ〉?良好的效果可能會非常棘手。電纜管理是一項艱巨的任務，并可能消耗幾個小時的調試時間。 腿的幾何形狀 步行機器人用腿一至四個 自由度（ DOF）。這么多的品種布局只有基本設計是討論的。希望設計人員將使用這些作為一個起點，設計最適合的幾何形狀和致動方法的應用程序。 最簡單的腿在臀部單關節(jié)具有允許擺動和向下（圖 7-1）。這腿是用于框架步行者和通過線性或旋轉致動器很容易地致動。由于關節(jié)已經(jīng)在身體附近，使用電纜驅動器是不必要的。請注意， 所有下圖所示的腿有球形腳 。這是必要的，因為腳的方向不被控制和不管它是什么方向 ， 球給出了相同的接觸面。第二方法是掛載與無源球窩關節(jié)的腿端部的以克服增加的方向控制腳。 下面的 4 位數(shù)字顯示兩自由度的腿與不同驅動方式 。這些數(shù)字顯示不同屬性的驅動方法。圖 7-2 顯示了線性制動器使腿在一維更廣泛，是三個中最強的。如圖 7-3 所示，保持第二腳段垂直的機制，因為它易被升高和降低。致動器可以被替換為一