移动机器人的常见车轮与构型是什么？

移动机器人的机械构型相对简单，主要由机架和移动机构组成。移动机构包括轮系或履带，按照设定速度运动，使整个机器人动起来。移动机器人的关键部分是移动机构和机架。常见的车轮类型有直行轮、麦克纳姆轮、全向轮、球轮、万向轮和舵轮。直行轮只能直行，不能转向或横移。麦克纳姆轮由轮毂和外围辊子组成，可实现全向移动，但负载能力较弱。全向轮与麦克纳姆轮类似，但应用场景略有不同。球轮可实现万向运动，但承载能力有限。万向轮可实现转向和滚动，材料多样。舵轮具有两个自由度，可实现全向运动。移动机器人的常见构型包括双轮差速式、阿克曼式、四轮驱动、双履带式、麦克纳姆轮全向、全向轮全向和四轮驱动四轮转向。这些构型在稳定性、承载性、机动性等方面各有特点，适用于不同场景。选择移动机器人构型时，需综合考虑稳定性、承载性、机动性、操纵性、越障性、通过性和耐久性等多个维度，以满足特定场景的需求。移动机器人的常见车轮与构型移动机器人的机械构型主要由机架和移动机构组成，关键部分是移动机构和机架。常见的车轮类型有直行轮、麦克纳姆轮、全向轮、球轮、万向轮和舵轮，各有特点和适用场景。移动机器人的常见构型包括双轮差速式、阿克曼式、四轮驱动、双履带式、麦克纳姆轮全向、全向轮全向和四轮驱动四轮转向，具有不同的性能特点。选择构型时，需综合考虑多个维度，以满足特定场景需求。

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。

图(a)(b)直行轮、(c)麦克纳姆轮、(d)全向轮

图(e)球轮、(f)万向轮(被动)、(g)舵轮

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。

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