巡检机器人系统设计-驱动系统

驱动设计一般来说有三种方式：

1. 侧面驱动，驱动轮在轨道左右两层平行压紧在轨道侧立面，通过夹紧的方式驱动前进。

   
   

   
   

2. 底面驱动，驱动轮在轨道底部，通过弹簧等装置将其压紧在轨道底面，驱动前进。

   
   

   
   

3. 吊装驱动，驱动轮在轨道上方，通过设备的自重力将其挂在轨道上，驱动前进。

   从疲劳度和维护角度来说，可能采用吊装驱动的方式。
   

但是，具有8m/s的速度要求，可能会需要侧面驱动方式，具体还得经过仿真试验，通过简单测算，目前驱动轮的轮径已经达到15cm，所以吊装驱动不合适。

驱动轮一般有橡胶和尼龙两种，从摩擦系数及滚动系数来说，橡胶优于尼龙，最终选择采用橡胶作为驱动轮的轮胎材质。

电机选型

在以往高精度的巡检机器人设计中，我们经常采用低压伺服电机，但是此类电机有个成本高的致命问题。

除了低压伺服电机，还有无刷直流电机、步进电机可以选择，三者什么区别？

无刷直流电机（BLDC）

• 原理：通过电子换向器替代传统电刷，定子绕组通电后产生旋转磁场，驱动永磁体转子转动。

• 结构：由永磁体转子、定子绕组和霍尔传感器组成，无需物理电刷，减少了机械磨损。

• 特点：高效率（80-90%）、低噪音、支持高转速。

低压伺服电机

• 原理：闭环控制系统，通过编码器或传感器实时反馈位置/速度/扭矩信息，结合PID算法动态调整输出。

• 结构：包含电机本体（通常为无刷电机）、编码器、控制器和驱动器，集成度高。

• 特点：高精度、快速响应、宽调速范围。

步进电机

• 原理：开环控制，通过脉冲信号按固定步距角旋转，无需反馈系统。

• 结构：定子由电磁铁绕组构成，转子为永磁体或铁芯，无电刷或换向器。

• 特点：结构简单、成本低，但扭矩随转速升高显著下降，易失步。

基于隧道巡检定位精度要求不高、产品性价比要好的总体需求，我们不采用伺服电机，采用无刷直流电机。 

从电机的使用寿命来分析： 无刷直流电机寿命最长（无机械磨损），伺服电机次之（依赖反馈系统稳定性），步进电机最短（易失步和发热）。 

最后结论：隧道巡检机器人优先选择无刷直流电机（长寿命、低维护）。

转向机构设计

我们需要考虑机器人转弯的需求，所以需要设计一个转向机构，辅助机器人完成转弯。

一般来说转向机构都是由导向轮、从动轮、转弯支架组成。

导向轮与轨道侧面贴合，在机器人转弯时可以启到导向的作用，防止从动轮脱轨。

从动轮主要起到支撑和辅助行走的作用。

转弯支架的作用就是带动导向轮和从动轮按照轨道转弯自动调节，根据机器人设定的最大转弯钣金进行转弯角度设计。