機器人移動(dòng)平臺常見(jiàn)車(chē)輪優(yōu)缺點(diǎn)對比分析

為適應不同場(chǎng)景需求，不同類(lèi)型的輪子被設計出來(lái)，機器人移動(dòng)平臺常見(jiàn)車(chē)輪7種

普通橡膠輪

普通橡膠輪看起來(lái)為普通，但實(shí)際應用廣泛，在兩輪差速驅動(dòng)機器人、car-like robot及四輪驅動(dòng)（4WD）機器人均采用該輪子。

普通橡膠輪表面花紋復雜，有效增大摩擦系數，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。但輪子運動(dòng)速度方向需沿著(zhù)輪子外圓切線(xiàn)方向，并不能橫移，因此運動(dòng)靈活性不如萬(wàn)向輪。

因此，普通橡膠輪適用于室內外的大部分地形特征，也適用于速度變化范圍大（G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(méi)有電機驅動(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(zhù)輪子外圓切線(xiàn)方向運動(dòng)，不能橫移。

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

全向輪

全向輪與麥克納姆輪是一對“同分異構體”，全向輪的輥子軸線(xiàn)與輪轂軸線(xiàn)夾角為90度，而麥輪是45度，因此麥輪存在問(wèn)題，全向輪也有，從而導致兩者的應用場(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子組成，實(shí)際運動(dòng)是由輪轂轉動(dòng)和輥子轉動(dòng)兩部分運動(dòng)合成的，具體規律可以參考《麥克納姆輪運動(dòng)特性分析》。

麥克納姆輪的外圍輥子之間存在間隙，因此麥輪運動(dòng)過(guò)程中會(huì )存在輕微的震蕩，且對運動(dòng)連續性也有影響。麥輪的負載能力也較弱，是因為整個(gè)機器人重量會(huì )“壓”在輥子軸上，輥子軸直徑很小，所以能夠承受的重量也是較小的。

麥輪的構型和工藝較其他輪子更復雜，且輥子易磨損，因此成本也更G。麥輪的運動(dòng)是依賴(lài)于輥子的運動(dòng)的，假如麥輪在室外非結構化場(chǎng)景（泥土、雜草）中運動(dòng)，輥子容易被雜物卡住而無(wú)法被動(dòng)轉動(dòng)，因此麥輪主要被應用于結構化地面，如水泥地面等。

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

萬(wàn)向輪

萬(wàn)向輪有別于全向輪，常被作為被動(dòng)輪，是隨著(zhù)機器人的運動(dòng)而被動(dòng)運動(dòng)的，主要作用是提供滾動(dòng)功能降低運動(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動(dòng)。

本文列舉了兩種：滾珠萬(wàn)向輪和被動(dòng)萬(wàn)向輪。

從圖 2.1（e）可以看出，滾珠萬(wàn)向輪的運動(dòng)依賴(lài)于嵌入在輪殼內的滾珠，滾珠是標準球體，可朝向任意方向滾動(dòng)，實(shí)現“萬(wàn)向”的效果，在TurtleBot3的前面兩個(gè)輪子就是采用的滾珠萬(wàn)向輪，這樣可以盡可能壓低機器人底盤(pán)。

生活中更常見(jiàn)的是被動(dòng)萬(wàn)向輪，如圖 2.1（f）所示，常被用于超市購物車(chē)、嬰兒車(chē)的兩個(gè)后輪。這里分析兩個(gè)細節：

在圖 2.1（f）中，滾輪的軸線(xiàn)是B，滾輪轉向時(shí)會(huì )繞著(zhù)軸線(xiàn)A轉動(dòng)，分別對應兩個(gè)自由度，軸線(xiàn)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(xiàn)之間存在一定距離。這是因為該距消除了A軸線(xiàn)死點(diǎn)的情況，可實(shí)現萬(wàn)向輪轉向時(shí)需要先完成轉向，再繼續滾動(dòng)的動(dòng)作，且對滾輪的運動(dòng)方向具有一定的導向調整作用，削弱了兩個(gè)自由度沖突程度，如果兩軸線(xiàn)相交，則A軸線(xiàn)的自由度會(huì )有存在死點(diǎn)，兩個(gè)自由度沒(méi)有主次之分，當機器人想轉向時(shí)，滾輪可能會(huì )卡在A(yíng)軸線(xiàn)死點(diǎn)上而無(wú)法轉向，影響轉向效果。

舵輪

舵輪其實(shí)是直行被動(dòng)輪的升級版，在執行被動(dòng)輪上增加了兩個(gè)電機，電機MA用于直接驅動(dòng)輪子滾動(dòng)，電機MB通過(guò)齒輪組驅動(dòng)驅動(dòng)轉向，因此舵輪是有兩個(gè)自由度，且可以主動(dòng)控制，即可直線(xiàn)運動(dòng)，又可轉向。

舵輪也常被應用于室內AGV，用于搬運倉庫貨物，通過(guò)多個(gè)舵輪組合運動(dòng)，可實(shí)現全向運動(dòng)。