假如機器人的四個輪子速度相同,則機器人肯定是做直線運動;那假如四個輪子的速度不同,則會產生什么效果?這可參考之前的文章《兩輪差速驅動機器人》的第二個問答。 如圖 1.3所示,只要四個主動輪的轉速不同,則會產生轉向運動,一旦產生轉向運動,意味著存在旋轉中心(圖中ICR),四個輪子與地面接觸點(圖中點A)的相對運動速度方向則如圖 1.3所示,合速度方向與線段A-ICR相互垂直,而輪胎只能沿著縱向分速度方向轉動,做速度分解可知,還存在沿輪子軸向(電機軸向)的橫向分速度,由于四個輪胎的橫向分速度大小不同,因此機器人會產生旋轉分運動,而縱向分速度產生縱向分運動,合成運動則表現為機器人繞ICR做圓周運動。 進一步分析可知,橫向分速度是由輪胎與地面的滑動摩擦力產生的,縱向分速度是由輪胎與地面的滾動摩擦力產生的,所以轉向運動是靠滑動摩擦產生的。此外,還可知電機輸出轉矩驅動輪子轉動,因此滾動摩擦是由電機主動產生的,而滑動摩擦是由于四個輪子速度不一致而被動產生的。 從力和力矩的角度理解:由于四個電機輸出力矩不同,導致四個輪胎與地面接觸點的作用力不同,盡管電機產生作用與輪胎的力的方向均沿著縱向方向,但大小不同,由于四個力的大小不同,也就意味著機器人不能平穩直線運動,肯定會產生車身的偏轉,但由于輪胎只能滾動,所以轉向運動就只能靠滑動了
圖 1.3 SSMR的速度分解.ICR(Instantaneous Center of Rotation)表示旋轉中心.點A表示輪胎與地面的理想接觸點. 通過對問題1的分析,我們知道四輪驅動機器人(SSMR)是靠滑動轉向的,相比于滾動摩擦,滑動摩擦對輪胎的損耗極大,尤其是在水泥等硬質路面,如圖 1.4所示,四輪驅動機器人在水泥路面留下的輪胎磨痕。所以四輪驅動機器人常被用于野外環境,因為泥土地面比較松軟,滑動轉向時對輪胎的磨損減小,且四個輪胎獨立驅動,“抓地力”強,可“輕松”越過一般障礙。 基于上述分析,四輪驅動機器人(SSMR)做直線或圓周運動是由四個輪子的轉速共同決定的,因此需要聯合控制四個電機轉動。
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