機器人移動平臺常見車輪優缺點對比分析

為適應不同場景需求，不同類型的輪子被設計出來，機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，但實際應用廣泛，在兩輪差速驅動機器人、car-like robot及四輪驅動（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。但輪子運動速度方向需沿著輪子外圓切線方向，并不能橫移，因此運動靈活性不如萬向輪。

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（高速到低速）的場景。

直行被動輪

直行被動輪本質上與普通橡膠輪是相近的，普通橡膠輪的輪軸會與電機軸相連接，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，沒有電機驅動，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動，不能橫移。

直行被動輪在實際應用中的半徑一般較小，常被應用于室內場景，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“同分異構體”，全向輪的輥子軸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，從而導致兩者的應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子組成，實際運動是由輪轂轉動和輥子轉動兩部分運動合成的，具體規律可以參考《麥克納姆輪運動特性分析》。

麥克納姆輪的外圍輥子之間存在間隙，因此麥輪運動過程中會存在輕微的震蕩，且對運動連續性也有影響。麥輪的負載能力也較弱，是因為整個機器人重量會“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，因此成本也更高。麥輪的運動是依賴于輥子的運動的，假如麥輪在室外非結構化場景（泥土、雜草）中運動，輥子容易被雜物卡住而無法被動轉動，因此麥輪主要被應用于結構化地面，如水泥地面等。

將多個麥輪按照一定規律排列組合，并按照一定規律運動，就可以達到全向移動的效果，適用于室內狹窄場景。

萬向輪

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

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，滾珠萬向輪的運動依賴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，實現“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。這里分析兩個細節：

在圖 2.1（f）中，滾輪的軸線是B，滾輪轉向時會繞著軸線A轉動，分別對應兩個自由度，軸線A和B之間是空間相互垂直的關系，但不會存在交點，即兩條軸線之間存在一定距離。這是因為該距消除了A軸線死點的情況，可實現萬向輪轉向時需要先完成轉向，再繼續滾動的動作，且對滾輪的運動方向具有一定的導向調整作用，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，兩個自由度沒有主次之分，當機器人想轉向時，滾輪可能會卡在A軸線死點上而無法轉向，影響轉向效果。

舵輪

舵輪其實是直行被動輪的升級版，在執行被動輪上增加了兩個電機，電機MA用于直接驅動輪子滾動，電機MB通過齒輪組驅動驅動轉向，因此舵輪是有兩個自由度，且可以主動控制，即可直線運動，又可轉向。

舵輪也常被應用于室內AGV，用于搬運倉庫貨物，通過多個舵輪組合運動，可實現全向運動。