行业科普 | 移动机器人的常见车轮与构型

一、移动机器人的常见车轮

移动机器人的机械构型相对较为简单，就是一个机架上安装移动机构（轮系或履带），移动机构按照设定速度运动，整个机器人就动起来了。可以看出，移动机器人关键的两个部分就是：移动机构和机架。

为适应不同场景需求，不同类型的轮子被设计出来（如上图所示），共罗列了7种轮子，这里依次介绍：

1. 直行轮

直行轮只能沿着轮子外圆切线方向直行运动，不具有转向功能，也不能横移。直行轮既可作为主动轮使用，也可作为被动轮使用。 作为主动轮时，直行轮的轮轴与减速器输出轴相连接；作为被动轮时，直行轮的轮轴是与轮架连接，没有电机驱动。

近年来，轮毂电机在移动机器人上获得了较为广泛的应用。轮毂电机是一种机电一体部件，它将驱动电机、传动装置、制动装置、检测装置都整合到直行轮轮毂内，使车轮的机械部分得以极大简化，有利于移动机器人实现简单化和轻量化。

2. 麦克纳姆轮

麦克纳姆轮外形炫酷，是由轮毂和外围系列辊子组成，实际运动是由轮毂转动和辊子转动两部分运动合成的。

麦克纳姆轮的外围辊子之间存在间隙，因此麦轮运动过程中会存在轻微的震荡，且对运动连续性也有影响。麦轮的负载能力也较弱，是因为整个机器人重量会“压”在辊子轴上，而辊子轴直径很小，所以能够承受的重量也是较小的。

麦轮的构型和工艺较其他轮子更复杂，且辊子易磨损，因此成本也更高。麦轮的运动是依赖于辊子的运动的，假如麦轮在室外非结构化场景（泥土、杂草）中运动，辊子容易被杂物卡住而无法被动转动，因此麦轮主要被应用于结构化地面，如水泥地面等。

将多个麦轮按照一定规律排列组合，并按照一定规律运动，就可以达到全向移动的效果，适用于室内狭窄场景。

3. 全向轮

全向轮与麦克纳姆轮是一对“同分异构体”，全向轮的辊子轴线与轮毂轴线夹角为90度，而麦轮是45度，因此麦轮存在的问题，全向轮也有，从而导致两者的应用场景也是比较接近的。

4. 球轮

球轮的运动依赖于嵌入在轮壳内的滚球，滚球是标准球体，可朝向任意方向滚动，实现“万向”的效果。TurtleBot3机器人的前面两个轮子就是采用了球轮。采用球轮可以尽可能压低机器人底盘，但缺点是球轮接地面积小，易导致滚球磨损，所以承载能力有限。

5. 万向轮

万向轮生活中比较常见，常被用于超市购物车、婴儿车的两个后轮。万向轮的两条轴线之间存在一定距离，可实现万向轮转向时需要先完成转向，再继续滚动的动作，且对滚轮的运动方向具有一定的导向调整作用，削弱了两个自由度的冲突程度。制造万向轮的材料有多种，最普遍的材料是：尼龙，聚氨酯，橡胶，铸铁等材料。

6. 舵轮

舵轮有两个自由度，且可以主动控制，既可直线运动，又可转向。 舵轮也常被应用于室内机器人，通过多个舵轮组合运动，可实现全向运动。

二、移动机器人的常见构型

将不同种类和不同数量的车轮（或履带）进行排列组合，就形成了各种构型的移动机器人。下图共列出了7种常见的移动机器人类型：

图 （a）双轮差速式机器人、（b）阿克曼式机器人、（c）四轮驱动机器人、（d）双履带式机器人

图 （e）麦克纳姆轮全向机器人、（f）全向轮全向机器人、（g）四轮驱动四轮转向机器人

1. 双轮差速式机器人

双轮差速式机器人的两个动力轮设置在底盘左右两侧，两轮速度可独立控制，通过给定不同速度实现底盘的直线和转向控制。为保持平衡，底盘一般会配有一到两个辅助支撑的万向轮，从而形成三轮或四轮的轮系结构。

2. 阿克曼式机器人

阿克曼式机器人为四轮式，它的原理与汽车相似，由两后轮作为驱动轮提供动力，由两前轮作为转向轮控制方向，且两前轮的转角通过阿克曼转向机构关联。由于采用了与汽车相似的构造，阿克曼式机器人操纵性与汽车类似。

3. 四轮驱动机器人

四轮驱动机器人的四个直行轮大小相同、独立驱动且前后、左右对称布置，依靠左右侧直行轮的速度差实现转向。在转弯过程中，四轮驱动机器人是靠滑动摩擦实现的，因此会对直行轮及地面造成一定的磨损。因为存在严重的滑移情况，所以四轮驱动机器人难以精确控制。

4. 双履带式机器人

双履带式机器人底盘左右两侧各配置一套履带移动机构。每套履带移动机构由轮系、悬挂系统和履带组成。轮系包含若干驱动轮、支重轮、导向轮、托带轮；悬挂系统一般采用克里斯蒂悬挂，以保障越障性能良好；履带一般由强度高、重量轻、模量高、无收缩的复合材料制成。双履带式机器人的越障性能优良，在室外复杂环境中有较多应用。

这四类机器人属于非全向移动机器人，意味着在平面上运动仅有2个自由度，其运动模型的相似度也较高。

5. 全向移动机器人

这类机器人相对比较特殊，车轮采用了麦克纳姆轮或全向轮，按照一定的规律控制车轮转动，则可以实现前、后、左、右四个方向的全向移动，比起非全向移动机器人，其灵活性更好，能够在狭窄的区域运动。但由于受到麦克纳姆轮或全向轮的限制，该类机器人的承载能力不大。另外，全向移动机器人的各个车轮产生的力会相互抵消一部分，因此同样转矩产生的净推力效率较低，综合效率不如差速式机器人。

6. 四轮驱动四轮转向机器人

四轮驱动四轮转向机器人（4WD-4WS）相当于有8个电机在控制其运动，可轻松实现机器人的全向运动，具有机构简单、行动灵活、效率高等特点，在室外非结构化场景下具有较强的自适应能力。然而，随着电机数量的增加，对控制的精确性、同步性提出了更高的要求，在一定程度上加大了控制难度。

除了以上常见构型外，还有许多非常见构型，例如：两前轮采用全向轮，两后轮采用直行轮的构型。

移动机器人的不同构型，会带来性能上的差异，而性能上的差异又决定了其适用的场景。为了满足某一特定场景的现实需求，在移动机器人构型的优选上，需要从它的稳定性、承载性、机动性、操纵性、越障性、通过性、耐久性等多个维度加以综合考虑。