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假如机器人的四个轮子速度相同,则机器人肯定是做直线运动;那假如四个轮子的速度不同,则会产生什么效果?这可参考之前的文章《两轮差速驱动机器人》的第二个问答。 如图 1.3所示,只要四个主动轮的转速不同,则会产生转向运动,一旦产生转向运动,意味着存在旋转中心(图中ICR),四个轮子与地面接触点(图中点A)的相对运动速度方向则如图 1.3所示,合速度方向与线段A-ICR相互垂直,而轮胎只能沿着纵向分速度方向转动,做速度分解可知,还存在沿轮子轴向(电机轴向)的横向分速度,由于四个轮胎的横向分速度大小不同,因此机器人会产生旋转分运动,而纵向分速度产生纵向分运动,合成运动则表现为机器人绕ICR做圆周运动。 进一步分析可知,横向分速度是由轮胎与地面的滑动摩擦力产生的,纵向分速度是由轮胎与地面的滚动摩擦力产生的,所以转向运动是靠滑动摩擦产生的。此外,还可知电机输出转矩驱动轮子转动,因此滚动摩擦是由电机主动产生的,而滑动摩擦是由于四个轮子速度不一致而被动产生的。 从力和力矩的角度理解:由于四个电机输出力矩不同,导致四个轮胎与地面接触点的作用力不同,尽管电机产生作用与轮胎的力的方向均沿着纵向方向,但大小不同,由于四个力的大小不同,也就意味着机器人不能平稳直线运动,肯定会产生车身的偏转,但由于轮胎只能滚动,所以转向运动就只能靠滑动了
图 1.3 SSMR的速度分解.ICR(Instantaneous Center of Rotation)表示旋转中心.点A表示轮胎与地面的理想接触点. 通过对问题1的分析,我们知道四轮驱动机器人(SSMR)是靠滑动转向的,相比于滚动摩擦,滑动摩擦对轮胎的损耗J大,尤其是在水泥等硬质路面,如图 1.4所示,四轮驱动机器人在水泥路面留下的轮胎磨痕。所以四轮驱动机器人常被用于野外环境,因为泥土地面比较松软,滑动转向时对轮胎的磨损减小,且四个轮胎d立驱动,“抓地力”强,可“轻松”越过一般障碍。 基于上述分析,四轮驱动机器人(SSMR)做直线或圆周运动是由四个轮子的转速共同决定的,因此需要联合控制四个电机转动。
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