机器人移动平台常见车轮优缺点对比分析

为适应不同场景需求，不同类型的轮子被设计出来，机器人移动平台常见车轮7种

普通橡胶轮

普通橡胶轮看起来最为普通，但实际应用广泛，在两轮差速驱动机器人、car-like robot及四轮驱动（4WD）机器人均采用该轮子。

普通橡胶轮表面花纹复杂，有效增大摩擦系数，有较好抓地力，且材质具有一定弹性，具备一定抗震功能，轮胎直径范围较大，越障性能较好。但轮子运动速度方向需沿着轮子外圆切线方向，并不能横移，因此运动灵活性不如万向轮。

因此，普通橡胶轮适用于室内外的大部分地形特征，也适用于速度变化范围大（高速到低速）的场景。

直行被动轮

直行被动轮本质上与普通橡胶轮是相近的，普通橡胶轮的轮轴会与电机轴相连接，成为主动轮，而图 2.1（b）中的直行被动轮的轮轴是与轮架连接，没有电机驱动，因此是被动轮。

直行被动轮与普通橡胶轮都是只能沿着轮子外圆切线方向运动，不能横移。

直行被动轮在实际应用中的半径一般较小，常被应用于室内场景，例如我们的超市购物车、婴儿车的两个后轮。

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，故不在此赘述，具体可参考《全向轮运动特性分析》。

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，具体规律可以参考《麦克纳姆轮运动特性分析》。

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，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。

万向轮

万向轮有别于全向轮，常被作为被动轮，是随着机器人的运动而被动运动的，主要作用是提供滚动功能降低运动摩擦，以及提供支撑，主要优点是能够朝向任意方向运动。

本文列举了两种：滚珠万向轮和被动万向轮。

从图 2.1（e）可以看出，滚珠万向轮的运动依赖于嵌入在轮壳内的滚珠，滚珠是标准球体，可朝向任意方向滚动，实现“万向”的效果，在TurtleBot3的前面两个轮子就是采用的滚珠万向轮，这样可以尽可能压低机器人底盘。

生活中更常见的是被动万向轮，如图 2.1（f）所示，常被用于超市购物车、婴儿车的两个后轮。这里分析两个细节：

在图 2.1（f）中，滚轮的轴线是B，滚轮转向时会绕着轴线A转动，分别对应两个自由度，轴线A和B之间是空间相互垂直的关系，但不会存在交点，即两条轴线之间存在一定距离。这是因为该距消除了A轴线死点的情况，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，削弱了两个自由度冲突程度，如果两轴线相交，则A轴线的自由度会有存在死点，两个自由度没有主次之分，当机器人想转向时，滚轮可能会卡在A轴线死点上而无法转向，影响转向效果。

舵轮

舵轮其实是直行被动轮的升级版，在执行被动轮上增加了两个电机，电机MA用于直接驱动轮子滚动，电机MB通过齿轮组驱动驱动转向，因此舵轮是有两个自由度，且可以主动控制，即可直线运动，又可转向。

舵轮也常被应用于室内AGV，用于搬运仓库货物，通过多个舵轮组合运动，可实现全向运动。