移动机器人技术漫谈(三):悬架系统

       悬架(或称悬挂)是移动机器人本体的重要组成之一,主要由弹性元件、减振器、导向装置、缓冲块等部件构成,它把车身与车轮弹性地连接起来,起到缓和、衰减路面传递至车身的冲击载荷以及其引起的振动的作用,为移动机器人平顺地行驶提供保证。

       根据导向机构的不同,悬架可以分为独立悬架和非独立悬架。非独立的悬架的左、右车轮连接在同一根传动轴上,传动轴再通过悬架与车身连接,左、右车轮的运动是相互耦合的。独立悬架结构的左、右车轮通过各自的悬架与车身直接连接,左、右车轮的运动是相互独立的。

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(a)非独立悬架                                               (b)独立悬架

图1  移动机器人悬架的种类

轮式移动机器人的悬架

       非独立悬架的常见型式包括:钢板弹簧式、螺旋弹簧式、横向推力式、扭转梁式等。非独立悬架的特点是:构造简易、低成本、抗压强度高、维护保养非常容易,但平顺性及可靠性都较弱。

       独立悬架的常见型式包括:麦弗逊式、支柱式、双叉臂式、多连杆式等。与非独立悬架相比,独立悬架具有很多优点,主要包括:

  •  增加附着力:左、右车轮各自独立运动互不影响,车身的倾斜和振动问题大大减少,且在起伏的路面能获得良好的地面附着力;

  •  改善平顺性:弹性元件只承受垂直力,所有可以用刚度小的弹簧,使车身振动频率降低,行驶的平顺性能得到较好的改善;

  •  提高稳定性:由于采用断开式车轴,整车的质心高度下降,行驶稳定性能得到改善。

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图2  轮式移动机器人常见悬架类型

履带式移动机器人的悬架

       履带式移动机器人底盘的左、右两侧对称配置一套履带行走系统,每套履带移动机构由轮系、悬架系统和履带组成。其中,悬架系统是机器人车体与负重轮之间的一切传力连接装置的总称,是履带行走系统的重要组成部分。

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图3  履带式底盘的结构组成

       履带式移动机器人的悬架系统主要分为三类:克里斯蒂悬架系统、平衡式悬架系统、扭杆式悬架系统。

       克里斯蒂悬架是一种具有支点、摆臂、弹簧结构的悬架。当负重轮被障碍物推起时,安装它的摆臂被向上推,绕着与车身相连的支点旋转,从而使弹簧压缩吸振。克里斯蒂悬架具有很好的柔软性和可靠性,缺点是弹簧占用车体空间较多。

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图2  克里斯蒂悬架及其原理

       平衡式悬架以多组轮子和一个共用的支撑架以及弹性部件为特点,根据不同的设计,有使用双轮组(谢尔曼式),三轮组(瓦伦丁式),四轮组(维克斯式,玛蒂尔达式)等。

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图3  平衡式悬架

       扭杆式悬架是以扭杆为弹性元件的悬架装置,主要由扭杆弹簧、减振器及平衡肘等组成。扭杆式悬架利用扭杆的扭转变形缓冲地面起伏带来的振动和冲击,其的特点是结构简单、占用空间小、行程大、可靠性好。

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图4  扭杆式悬架

       以上介绍的各种悬架,由于型式上的差异,结构特点和许多基本特性都存在较大的区别,需要根据移动机器人实际运行工况合理选用。目前,针对悬架的研究其主要对象是汽车,因此,汽车悬架的相关理论对移动机器人悬架研宄具有重要的借鉴作用。

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