外文翻译--转向历史 中文版

第六章 转向历史 版权所有 2003 年的麦格劳 - 希尔公司，公司点击这里使用条款。 罗马人 广泛使用二轮马车 ， 一 拉动右边缰绳，马就拉着车向右拐 ，反之亦然。 车 上的两个轮子 装在同一轴上，但在必要的地方每个车轮可转动的速度取决于车是直行还是拐弯 。 车越来越大，最终有四个轮子，两个 在 前 面 和 两个在后面。很明显（虽然目前还不清楚这是不是罗马人提出的），这个尝试是拐弯引起的问题，一个或一 组车轮会打滑。 解 决这个问题最简单的方法是在车轮前组上 轴 的中间设计成旋转的 （图 6-1）。 一个 舌头连接到轴和前面的车辆，在 连接到一个马。 马 拉着前面车轮转，后轮跟着转 。这个方法 很 有效 ，的确，仍然是四轮马车 。 图 6-1 枢轴安装前车轮 在 19 世纪初，随着蒸汽机的出现（以及后来的电动机，燃气发动机和柴油发动机） 该方法 开始出问题 。车辆 很难 在速度更快的情况下控制 在 每秒几米。 在车辆的前下方 车轴和舌头 占用了大量的空间来回摆动 。尝试解决这个问题的方法是使该轴足够长，使 前转弯时车轮没有打 到车的两侧，但 前轮 比较长的车辆不是 很方便 。 第一个有效的修复 是在两个前轮上安装机制，允许每个车轮旋转到接近其自己的中心。这节省空间， 更容易控制 并且 工作 得很好 。在 1816 年，乔治 Lankensperger 发现转弯时用车轮安装使用，将使这种变化一致。 他与鲁道夫阿克曼 合作 ，他的名字是现在这种 几何形状转向 类型 的代名词 。虽然阿克曼转向 在几乎每个人控制的车辆设计道路上使用，它其实是 不适合 由电脑控制的高机动性车辆，但感觉对了的人，可以 以更快的速度 运作非常良好 。它 原来 还有许多其他的方法，用于一些直观的或者 一些非常复杂的 车削 。 转向基础知识 当车辆 前轮或在轨道上的所有点以同样的速度同向 旋转 时 ， 仅当它们都是相同的直径。车削需要在这个系统中的一些变化。一个 twowheeled 自行车（图 6-2） 显示了 执行这一转变 最直观的机制 。转动前轮到一个新的地方 ， 它在这一方向 转 。后轮 也是如此 。 然后 前轮和自行车，再直走。 密切观察三轮车的两个后轮演示转弯时 ，可以发现另一个重要的事实：在内侧 车轮拐角处的转速比外侧车轮速度 慢，因为内侧轮 在相同时间内 是绕来绕去的一个小圆圈。这一重要细节，如图 6-3 所示，发生在所有的轮 式和履带式车辆。如果车辆的车轮是内联的，必须有某种方式，让轮子 指向不同的方向。如果 在两侧的车轮，它们必须能够以不同的速度旋转。这 与地面接触的传动部分的任何偏差都会 发生 滑动或滑行。 图 6-2 自行车转向 图 6-3 三轮车转向 在一个方向上 直线行驶 至少需要一个单一的方向执行机构。发条玩具是一种超简单的 驱动系统。直线行驶在两个方向上都至少需要一个双向执行器或两个单方向的驱动器。其中的一个单方向执行器可以 驱动无论是转向机构还是第二驱动电机。增加一个简单的单方向的 电机玩具，它可以去 任何新的方向。这表明， 在任何方向上移动 至少 需 要 的致动器数目为 2，并且两个可以是单方向的电机。 在实践中，这原来是相当 受限制的，至少部分是因为它 只有两个单方向的驱动器 很难在原地转 ， 但主要是因为没有足够的驱动器和转向 。让我们来探讨一下 常用的 轮式和 履带式机器人 的多 种转向 。 最简单 静态稳定的车辆有两种 ，一种是 三个轮子或两个曲目 ，另一种是 最简单的动力系统来驱动 ， 避免 使用只有两个 单方向 的电动机 。 事实证明，只有 这 两种方法来引导这些非常简单的车辆： 1。两个单方向的电机 组合驱动器 /转向轮或组合驱动 /转向轨道与其他一些被动轮或轨道 2。两个单方向的电机，每行驶轨道或轮（第三车轮上的轮动布局是一个被动的旋转脚轮） 最简单的 第一个 版本是一个单轮 转向几何 驱动 /转向模块安装在带有两个固定轮子的机器人 上。常见三轮车使用这个布局， 这样 在自动化仓库使用的车辆 做一些自动 引 导 （ AGV 的）。流动性是有限的 ， 因为只有一个车轮提供动力，同时拖动两个被动轮。这种布局可以很好地用于 AGV 的应用 ， 因为仓库的地面平整和整洁， 这种类型的车辆 用于 走道 设计 。在 AGV 驱动 /转向模块通常具有双向转向电机， 把驱动轮 过去 180 ，所以 单一方向转向电机是可能的。 AGVS 最复杂的类型 四个驱动 /转向模块 有很多版本。这些车辆 可以 在任何方向 用有效任何普通转向引导 不旋转（俗称“测航 ” ） ， 叫做 伪阿克曼转向，任何一点 转一下 或旋转到位， 都没有打滑， 是轮模块的 AGV 可独立，并 在几种不同的尺寸范围从大约 30 厘米高 到 近一 米高。 图 6-4 打开约一轨道 第二个 马达单方向转向布局已 在研究机器人和玩具 中 成功 尝试， 但它并没有提供足够的环境， 在 良性 中 选择车辆 走动。它可以用在履带式车辆，但没能够驱动轨道向后，机器人不能在原地转 ，必须转一 个轨道 。图 6-4 显示了在 这个限制 中可接受的一些应用，以及单方向的简单 电子马达驱动器可以弥补流动性的丧失。该这两个驱动 /转向系统的最大优点是极致简约， 但 不可以 掉以轻心。 下一步向上 下一个最有效的转向方法是使 一个双向 的制动器 具有双向性。 地毯战士 的 机器人 在每个轮上使用两个双向马达 。这个转向几何（图 6-5a， 6-5b）被称为差动转向系统。不同的相对速度在两个轮子之间接通机器人。在一些超简单的机器人，像地毯战士，第三轮甚至不旋转， 当机器人在转弯时 它只是被动地卷在一个固定的轴和垫木 上 。几乎所有 的现代双履带式车辆使用这个方法来引导，而旧履带式车辆会制动 轨道 的一侧 ， 使 车辆 在轨道上减缓 。 图 6-5a 中差分操舵 图 6-5b 在轮式车辆的章节中讨论，这也是一些四轮装载机 转向 ，如知名的方法山猫。 一个马达驱动 车辆 两个轮子 的一侧， 其他驱动两个轮子的另一边。 这种转向的方法是有效和强大 的，它是用 在一个大比例的四、六、 八轮式机器人， 和 几乎所有的现代履带式车辆 。该指导方法产生了大量的车轮或履带打滑 。这就是名为“滑移”的由来。 该轮或履带打滑的事实意味着该系统是穿脱轮胎或履带垫 的浪费 ，这使 滑动转向 的设计低效率 。配售车轮并拢或使轨道更短 为前 /后稳定的成本 来 减少这 种打滑。六轮滑移转向车辆可以将车轮的中心组略低于前、 后集，在增加摆 动的成本 减少打滑 。几个全地形车制造商已经 在六轮式车辆上产生 轻微的偏移，这一概念 也 可以应用于室内 硬质表面的机器人 。八轮式机器人可以从降低 中心两套轮子，减少颤动中获益 。 单轮驱动 /转向模块前面讨论过， 图 6-6 三轮车在一般情 况下 可以 应用到许多布局的 一个有效的机制。 一个缺点是 通过转向机构 一些固有的复杂 驱动轮。 这通常是通过 驱动电机 与变速箱里面的 轮 来完成的。采用这种布局，电源 驱动电机 在驱动轮只有一对相关 电线从任何传感器信号线 引出 。这些电线必须经过转向机构， 比传递动力机械通过接头 更 容易 。 在某些电机 inwheel 布局， 特别是讨论了同步驱动下，转向机构在任一方向必须能够转动驱动轮 。这需要转向的电机滑环关节。滑环，也称为旋转接头，在两个标准制造尺寸 或自定义布局。 图 6-6 驱动 /转向模块三轮车上 图 6-7 同步驱动器 一种解决机械供电问题的 类型， 在一个驱动轮 /引导模块做了几个巨大 复杂的 成功 机器人 研究 ， 通常称为 syncrodrive。一个 同步驱动 （图 6-7）通常使用三个 或四个轮子。所有的驱动和转向步调一致，同步进行。这充分允许完整的转向（头在任何方向不动时需要前进）。可以在草图中看出，驱动马达在车轮的正上方。车轴 穿过中心转向轴，通过一个直角变速箱联接到轮。 如果 因为它能够产生小的旋转误差 而依靠航位推算 ，这种布局可能是最好的使用 。虽然占主导地位 ，但航位推算误差通常是由事物的环境 产生，该 系统理论上具有最小的内部误差。四轮布局 不 适合 崎岖 的地形，除非至 少有一个轮模块是由垂直兼容， 但将产生如图 6-8 所示的复杂机制。 图 6-8 驱动 /转向模块垂直合规 全地形周期（ ATC），当他们的法律 通过运行功率差分对的两个后轮，并且 在一对前轮标准三轮车 上操纵 布局。 ATC 中明确指出的大弱点 是 在一个急转弯时 以对角下降到前轮一侧的倾向 ，用人力驱动流动性相当好，但 不是天生如此 的 。 四 个 是 系统 的稳定性问题 的答案。四个轮子使他们更稳定，许多都是四轮产生的驱动 ，在无法转的地方大大 增强其流动性 。当然设计是 由人来控制，谁 可以预见障碍 并找出如何操纵它们。如果 在它们的大小范围 移动系统 是必 要的 ，他们可能是个好的开始。它们大批量生产， 价格低廉，并且它们是一成熟的产品。四 可 由多家公司制造并且可在许多大小范围 内提供许多不同的移动 能力。 随着轮的数量上升，转向方法也有 很多。大多数是基于前面提到的类型变化 ，但一个是完全不同的。在图 4-30（第四章），车辆分为 2 个部分通过一垂直轴接头相连接。这种布局常见于大型工业前端装载机， 即使它不能在原地转但可提供很好的转向。布局上也迫使部分在 相当不寻常的形状 上 允许转弯 。 在工业的版本上 动力是由单一马达和差速器传递至车轮，如果每车轮有自己的电机 ， 流动性将增加 。 第七章 步行 机器人 版权 2003 由美国麦格劳 -希尔公司，公司按此使用条款。 这里没有多细胞动物，使用任何形式的 推进滚动机构。每一个单一的陆地动物的用途 是接肢或扭动 。 行走必须是最好的方式 来 移动，对吗？为什么没有更多的步行机器人？原来一个步行机器人远比做一个轮子或履带式之一更加困难。连最基本的助行器 都 需要更多的驱动器，更多的自由度，以及更多的运动部件。 稳定是行走机器人的主要问题，因为他们往往 是高大头重脚轻。某些类型的腿的几何形状和行走步态 从摔倒 步态 的预防 到 停止。它们是静态稳定的。其 几何形状被称为 “ 动态稳定“ 。 如 果他们 在一 错点停止 ，他们就跌倒了 。 人是动态稳定 的 。 自然界中动态稳定步行的一个例子事实上是任何两条腿的动物。 当他们要停止行走 ,他们的脚必须在正确的地方，防止翻倒。 两足恐龙，人类，鸟 是用 两条腿行走， 但任何起到 红色 /绿色光 或冻结标签的孩子已经想停止中等步幅没有跌 这是相当困难的 。 对于 这个原因，两足步行机器人，无论是拟人化的（ 像 人 一样 ） 或似 鸟（膝盖弯曲或其他方式）， 都比较复杂，需要传感器才 可以检测机器人 是否 翻 倒 ，然后计算 脚放 在哪里 去阻止它。 某些超过两条腿的动物在特定的步态类型 中 也是动态稳定。马是一个很好的例子。当 他们静静地站 着时是它们 唯一一次 的 静态稳定。他们使用的运动步态 是 动态稳定 的 。当他们想停止，他们必须计划把脚放哪里来防止摔倒。当一匹马的 脚 要抬离地面，马 要 重新定位 用 三蹄 来 保持稳定 ， 这是一个很大的努力，甚至 它 已是静止的。另一方面， 猫 可以 行走 ，使他们能够 在任何时候停止不翻倒。他们 这样 做 不需要提前终止计划。这就是所谓的静态稳定独立腿走路。大象 在 过 河 流或困难的地形 时 使用这种技术。他们三条腿 站着 而第四腿移动，直到找到合适的地方放下。 这些例子表明，四条腿的步行者可以有动态或静态稳定或两者都是的几何形状。动物有高度发达的传 感器，一个高度进化的大脑，和高功率密度的肌肉， 使这种运动 受到 控制 。实际行走的机器人，因 为传感器的局限性，处理器和快速反应功能强大的驱动器，通常最终会静态地稳定的两到八条腿。 动态稳定步行移动机器人的设计，需要一个广泛的比较复杂的传感器，平衡的知识，高级数学，快速作用的执行机构，运动学，动力学。 这是超越一切这本书的范围 。本章的其余部分将重点放在第二 大类，静态稳定的步行者。 腿的致动器 首先，让我们来看看腿的几何形状和驱动方法。有 移动机器人 腿 的 三大技术。 线性致动器（液压，气动，或电动） 直接驱动旋转 电缆驱动 液压系统 是不包括在这本书中，但可以有效地使用两种方法，气动和电动做直线运动。几乎任何想象的大小气动缸已被用于多足步行机器人研究项目。他们具有更高的功率密度 ，非电动直线执行器气动，但问题是压缩空气罐占用了大量。 线性驱动器具有的优点是它们可以直接使用腿本身。体内的致动器被安装在机器人的底盘或另一个驱动器，和延伸段末端 可以 有一英尺连接到它。 这个概念用于机器人的直角坐标和圆柱坐标行者使用。这些布局都没有覆盖在这本书中，但读者呼吁调查他们 ，因为他们可以简化 机器人控制程序的开发。 直接驱动旋转执行器通 常需 要进行定制设计，得到的扭矩输出足够高， 旋转 步行者的关节。他们有低功率密度，通常使步行者的关节看起来不 大。它们很容易精确控制，并促进了模块化，由于致动器 的设计可以在概念上和物理上作为完整的关节。这不是线性致动或电缆真实驱动关节。 电缆驱动的接头具有的优点在于，致动器位于机器人的主体。这使得肢体轻和小。在应用中，腿是很长的或薄的，这是至关重要的。他们 在某种程度上 是容易实现，适当的张力取得 良好的效果可能会非常棘手。电缆管理是一项艰巨的任务，并可能消耗几个小时的调试时间。 腿的几何形状 步行机器人用腿一至四个 自由度（ DOF）。这么多的品种布局只有基本设计是讨论的。希望设计人员将使用这些作为一个起点，设计最适合的几何形状和致动方法的应用程序。 最简单的腿在臀部单关节具有允许摆动和向下（图 7-1）。这腿是用于框架步行者和通过线性或旋转致动器很容易地致动。由于关节已经在身体附近，使用电缆驱动器是不必要的。请注意， 所有下图所示的腿有球形脚 。这是必要的，因为脚的方向不被控制和不管它是什么方向 ， 球给出了相同的接触面。第二方法是挂载与无源球窝关节的腿端部的以克服增加的方向控制脚。 下面的 4 位数字显示两自由度的腿与不同驱动方式 。这些数字显示不同属性的驱动方法。图 7-2 显示了线性制动器使腿在一维更广泛，是三个中最强的。如图 7-3 所示，保持第二脚段垂直的机制，因为它易被升高和降低。致动器可以被替换为一