機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)常見車輪優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析

為適應(yīng)不同場(chǎng)景需求，不同類型的輪子被設(shè)計(jì)出來，機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)常見車輪7種

普通橡膠輪

普通橡膠輪看起來最為普通，但實(shí)際應(yīng)用廣泛，在兩輪差速驅(qū)動(dòng)機(jī)器人、car-like robot及四輪驅(qū)動(dòng)（4WD）機(jī)器人均采用該輪子。

普通橡膠輪表面花紋復(fù)雜，有效增大摩擦系數(shù)，有較好抓地力，且材質(zhì)具有一定彈性，具備一定抗震功能，輪胎直徑范圍較大，越障性能較好。但輪子運(yùn)動(dòng)速度方向需沿著輪子外圓切線方向，并不能橫移，因此運(yùn)動(dòng)靈活性不如萬向輪。

因此，普通橡膠輪適用于室內(nèi)外的大部分地形特征，也適用于速度變化范圍大（高速到低速）的場(chǎng)景。

直行被動(dòng)輪

直行被動(dòng)輪本質(zhì)上與普通橡膠輪是相近的，普通橡膠輪的輪軸會(huì)與電機(jī)軸相連接，成為主動(dòng)輪，而圖 2.1（b）中的直行被動(dòng)輪的輪軸是與輪架連接，沒有電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此是被動(dòng)輪。

直行被動(dòng)輪與普通橡膠輪都是只能沿著輪子外圓切線方向運(yùn)動(dòng)，不能橫移。

直行被動(dòng)輪在實(shí)際應(yīng)用中的半徑一般較小，常被應(yīng)用于室內(nèi)場(chǎng)景，例如我們的超市購(gòu)物車、嬰兒車的兩個(gè)后輪。

全向輪

全向輪與麥克納姆輪是一對(duì)“同分異構(gòu)體”，全向輪的輥?zhàn)虞S線與輪轂軸線夾角為90度，而麥輪是45度，因此麥輪存在問題，全向輪也有，從而導(dǎo)致兩者的應(yīng)用場(chǎng)景也是比較接近的，故不在此贅述，具體可參考《全向輪運(yùn)動(dòng)特性分析》。

麥克納姆輪

麥克納姆輪外形炫酷，是由輪轂和外圍系列輥?zhàn)咏M成，實(shí)際運(yùn)動(dòng)是由輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)和輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)兩部分運(yùn)動(dòng)合成的，具體規(guī)律可以參考《麥克納姆輪運(yùn)動(dòng)特性分析》。

麥克納姆輪的外圍輥?zhàn)又�間存在間隙，因此麥輪運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)存在輕微的震蕩，且對(duì)運(yùn)動(dòng)連續(xù)性也有影響。麥輪的負(fù)載能力也較弱，是因?yàn)檎麄�(gè)機(jī)器人重量會(huì)“壓”在輥?zhàn)虞S上，輥?zhàn)虞S直徑很小，所以能夠承受的重量也是較小的。

麥輪的構(gòu)型和工藝較其他輪子更復(fù)雜，且輥?zhàn)右啄�損，因此成本也更高。麥輪的運(yùn)動(dòng)是依賴于輥?zhàn)拥倪\(yùn)動(dòng)的，假如麥輪在室外非結(jié)構(gòu)化場(chǎng)景（泥土、雜草）中運(yùn)動(dòng)，輥?zhàn)尤菀妆浑s物卡住而無法被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，因此麥輪主要被應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化地面，如水泥地面等。

將多個(gè)麥輪按照一定規(guī)律排列組合，并按照一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)，就可以達(dá)到全向移動(dòng)的效果，適用于室內(nèi)狹窄場(chǎng)景。

萬向輪

萬向輪有別于全向輪，常被作為被動(dòng)輪，是隨著機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)而被動(dòng)運(yùn)動(dòng)的，主要作用是提供滾動(dòng)功能降低運(yùn)動(dòng)摩擦，以及提供支撐，主要優(yōu)點(diǎn)是能夠朝向任意方向運(yùn)動(dòng)。

本文列舉了兩種：滾珠萬向輪和被動(dòng)萬向輪。

從圖 2.1（e）可以看出，滾珠萬向輪的運(yùn)動(dòng)依賴于嵌入在輪殼內(nèi)的滾珠，滾珠是標(biāo)準(zhǔn)球體，可朝向任意方向滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)“萬向”的效果，在TurtleBot3的前面兩個(gè)輪子就是采用的滾珠萬向輪，這樣可以盡可能壓低機(jī)器人底盤。

生活中更常見的是被動(dòng)萬向輪，如圖 2.1（f）所示，常被用于超市購(gòu)物車、嬰兒車的兩個(gè)后輪。這里分析兩個(gè)細(xì)節(jié)：

在圖 2.1（f）中，滾輪的軸線是B，滾輪轉(zhuǎn)向時(shí)會(huì)繞著軸線A轉(zhuǎn)動(dòng)，分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)自由度，軸線A和B之間是空間相互垂直的關(guān)系，但不會(huì)存在交點(diǎn)，即兩條軸線之間存在一定距離。這是因?yàn)樵摼嘞�除了A軸線死點(diǎn)的情況，可實(shí)現(xiàn)萬向輪轉(zhuǎn)向時(shí)需要先完成轉(zhuǎn)向，再繼續(xù)滾動(dòng)的動(dòng)作，且對(duì)滾輪的運(yùn)動(dòng)方向具有一定的導(dǎo)向調(diào)整作用，削弱了兩個(gè)自由度沖突程度，如果兩軸線相交，則A軸線的自由度會(huì)有存在死點(diǎn)，兩個(gè)自由度沒有主次之分，當(dāng)機(jī)器人想轉(zhuǎn)向時(shí)，滾輪可能會(huì)卡在A軸線死點(diǎn)上而無法轉(zhuǎn)向，影響轉(zhuǎn)向效果。

舵輪

舵輪其實(shí)是直行被動(dòng)輪的升級(jí)版，在執(zhí)行被動(dòng)輪上增加了兩個(gè)電機(jī)，電機(jī)MA用于直接驅(qū)動(dòng)輪子滾動(dòng)，電機(jī)MB通過齒輪組驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向，因此舵輪是有兩個(gè)自由度，且可以主動(dòng)控制，即可直線運(yùn)動(dòng)，又可轉(zhuǎn)向。

舵輪也常被應(yīng)用于室內(nèi)AGV，用于搬運(yùn)倉(cāng)庫貨物，通過多個(gè)舵輪組合運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)全向運(yùn)動(dòng)。