機(jī)器人移動平臺常見車輪優(yōu)缺點(diǎn)對比分析

為適應(yīng)不同場景需求，不同類型的輪子被設(shè)計出來，機(jī)器人移動平臺常見車輪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)動機(jī)器人、car-like robot及四輪驅(qū)動（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）的場景。

直行被動輪

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

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

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

全向輪

全向輪與麥克納姆輪是一對“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)動是由輪轂轉(zhuǎn)動和輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動兩部分運(yùn)動合成的，具體規(guī)律可以參考《麥克納姆輪運(yùn)動特性分析》。

麥克納姆輪的外圍輥?zhàn)又�間存在間隙，因此麥輪運(yùn)動過程中會存在輕微的震蕩，且對運(yùn)動連續(xù)性也有影響。麥輪的負(fù)載能力也較弱，是因?yàn)檎麄�機(jī)器人重量會“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)動是依賴于輥?zhàn)拥倪\(yùn)動的，假如麥輪在室外非結(jié)構(gòu)化場景（泥土、雜草）中運(yùn)動，輥?zhàn)尤菀妆浑s物卡住而無法被動轉(zhuǎn)動，因此麥輪主要被應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化地面，如水泥地面等。

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

萬向輪

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

本文列舉了兩種：滾珠萬向輪和被動萬向輪。

從圖 2.1（e）可以看出，滾珠萬向輪的運(yùn)動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，實(shí)現(xiàn)“萬向”的效果，在TurtleBot3的前面兩個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萬向輪，如圖 2.1（f）所示，常被用于超市購物車、嬰兒車的兩個后輪。這里分析兩個細(xì)節(jié)：

在圖 2.1（f）中，滾輪的軸線是B，滾輪轉(zhuǎn)向時會繞著軸線A轉(zhuǎn)動，分別對應(yīng)兩個自由度，軸線A和B之間是空間相互垂直的關(guān)系，但不會存在交點(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)向時需要先完成轉(zhuǎn)向，再繼續(xù)滾動的動作，且對滾輪的運(yùn)動方向具有一定的導(dǎo)向調(diào)整作用，削弱了兩個自由度沖突程度，如果兩軸線相交，則A軸線的自由度會有存在死點(diǎn)，兩個自由度沒有主次之分，當(dāng)機(jī)器人想轉(zhuǎn)向時，滾輪可能會卡在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)是直行被動輪的升級版，在執(zhí)行被動輪上增加了兩個電機(jī)，電機(jī)MA用于直接驅(qū)動輪子滾動，電機(jī)MB通過齒輪組驅(qū)動驅(qū)動轉(zhuǎn)向，因此舵輪是有兩個自由度，且可以主動控制，即可直線運(yùn)動，又可轉(zhuǎn)向。

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