在机器人的世界中，关键的两种能力，一种是操作能力，一种是移动能力。一个功能完善的移动机器人包括运动、传感、定位、运动规划等多方面技术，涵盖了硬件设计、轮子设计、运动学分析、传感器和感知、定位、作图以及机器人控制体系结构。目前，先进的机器人主要集中在日本和西方发达国家的机器人企业，且已处于大规模应用阶段，而我国国内的机器人还在起步阶段，在部分产品的技术性能上和基本功能上虽然和国外产品相差不大，但是可靠性方面存在较大差距。基于此，本系列文章将从上述几个方面一一详解移动机器人。

本节主要阐述运动方式概述、轮式移动机器人概述。

1 运动概述

1.1 自然界中的运动模式

移动机器人的运动机构是仿照自然界的运动途径来进行设计的，在自然界中，不同生物可以穿越各类崎岖环境并保持敏捷的运动，其常见的类型如图1[1].可见，自然界中并未出现轮式运动的生物形态，这一方面可能源于生物组织的生长局限性，但也因为轮式的运动十分受限，对生物的生存构成极大的危险，在自然法则下也不太可能出现。

图1 生物运动类型

但是，图1的最后一行的运动类型——足式行走，随着步距的减小和行走频率的加快，可以看到这其实就行一个圆或者轮，虽然自然界没有创造出完全旋转、有源动力的关节，但这已经趋近于轮式运动了。

1.2 机器人移动种类及特点

在所有运动机构中，通常分为轮式、履带式、足式、蛇形四大类，如图2所示，其中，履带式因为具有接地比压小，在松软地面的附着性能好等优点，常被应用于野外越障侦查、排雷等场合；足式机器人能够适应复杂的地形，但是结构自由度太多，机构复杂，难以控制；蛇形机器人在特殊环境中具有独特的优越性，但是承载能力和运动平稳性较差。而轮子是移动机器人最流行应用最广泛的运动机构，在平坦的地面上可以达到很高的效率。轮式机器人的研究主要倾向于牵引、稳定性、机动性及控制问题，而很少考虑平衡问题。

图2 移动机器人类别

1.3 移动能力的关键研究问题

在运动中，通常研究的有以下三个问题：

（1）稳定性——接触点的数目和几何形状、重心、静态/动态稳定性、地形的倾斜

（2）接触特征——接触点/路径的尺寸和形状、接触角度、摩擦

（3）环境类型——结构、媒介（水、空气、不同软硬程度的地面等）

2 轮式机器人的轮子运动

2.1 轮子

（1）数目

在当前的轮式运动中，有无轮、单轮、双轮、三轮、四轮、多轮等数目，其中，无轮移动机器人是轨道运行的一种，例如磁悬浮列车，采用磁力性能和轨道的导引来进行移动，比较特殊一些。而有轮的机器人数目的不同对其平衡、稳定有很大影响，例如独轮、双轮的稳定性要低于三轮、四轮、多轮；而轮子数目大于3个，则需要考虑轮子是否能够全部着地，采用悬挂结构来确保这一问题。

图3 无轮列车（磁悬浮列车）

（2）结构

轮子的结构大致有四种，分为标准轮、全向轮/麦克纳姆轮、舵轮、球形轮，如下图。

标准轮即常见的汽车、自行车等车轮，以轮轴为控制方向。

图4 标准轮子

全向轮的种类包括正交轮、单排轮、双排轮、脚轮、各向异性摩擦轮、麦克纳姆轮等，其中最常用的三类轮子为脚轮、双排轮、麦克纳姆轮。

图5 全向轮/麦克纳姆轮

脚轮与标准轮控制很像，都需要先沿着垂直轴操纵轮子，但是脚轮会绕着顶部偏心轴转向，会引起一个力加到机器人底盘上。麦克纳姆轮和双排轮另见文章《详谈麦克纳姆轮》、《详谈omni轮》。

图6 舵轮

舵轮由一个行走轮和一个转向轮组成，行走轮负责牵引，转向轮负责牵引方向，舵轮根据安装结构的不同分：卧式舵轮和立式舵轮。舵轮承载一般在500Kg以上。行走轮一般会带刹车。

图7 球形轮

（3）布局

不同轮子的数目都有特定的优点和缺点，不同的结构主要影响可控性、稳定性、机动性。其常用的布局如下图[1]所示

三、常见的几种底盘驱动布局

1. 同步驱动结构

同步驱动结构采用3个驱动轮、3个操纵轮，只使用了2个电机：操纵电机和驱动电机。图中与灰色的轮子直接接触的操纵皮带用于控制三个轮子的方向，驱动皮带用于控制轮子的转速，采用这种驱动方式，机器人可以在任意方向上移动，但是底盘方向不可控，即机器人不管左右移动还是前后移动，底盘永远都是一个方位，不受轮子影响[1]。

图9 同步驱动结构

约束型的底盘驱动方式有：差分驱动、阿克曼驱动、同步驱动。非完整约束型的底盘驱动方式有：全向驱动、腿足驱动。

2.两轮差分驱动结构

服务机器人、 500KG负载以下的AGV常用两轮差分驱动底盘结构，根据万向轮数量可以分2种： 3轮结构、 6轮结构。

其中3轮结构是包含 2个驱动轮和 1个万向轮，轮与车架只需采用刚性连接就可以，但存在原地旋转时占用空间较大的缺点。

6轮结构包含2个驱动轮在中间、 4个万向轮在车的4个拐角。 该结构必须做特殊悬架处理才可以保证2个驱动轮始终受力着地。比如采用三组平衡桥（左驱动轮+左后万向轮=1号驱动平衡桥，右驱动轮+右后万向轮=2号驱动平衡桥，左前万向轮+右前万向轮=万向轮平衡桥），如图10所示。

图10 三组平衡桥示意图

具体底盘分析详见《详谈两轮差分驱动底盘》。

3.全向驱动

（1）全向轮

参看Omni轮文章系列：《详谈Omni轮》

（2）麦克纳姆轮的全向运动

参看麦克纳姆轮文章系列：《详谈麦克纳姆轮（一）》、《详谈麦克纳姆轮（二）》、《详谈麦克纳姆轮（三）》。

4 舵轮结构

舵轮底盘可分为单舵轮和双舵轮两种，其中，单舵轮底盘在叉车上面有着非常广泛的应用。底盘由1个舵轮、 2个定向轮组成，可以适应各种地面，保证驱动舵轮一定着地。

根据车重心分布的不同，舵轮是大概会承担50%的自重，所以牵引力非常强。

双舵轮底盘由2个舵轮、 2个万向轮组成。 2个舵轮和2个万向轮分别成对角布置。这个4个轮都会受力，为了适应不同起伏路面，需要把2个轮做成上下浮动结构。一般将2个万向轮用弹簧做成上下浮动（或直接选用带弹簧浮动的脚轮）。当弹簧刚度太大时，空载时，可能让舵轮悬空或舵轮正压力太小，弹簧刚度太小时，满载横向加速时，车身倾斜的厉害。应合理选用弹簧。

参考文献

[1] 自主移动机器人导论

[2]激光导航AGV车结构设计概述[EB/OL]https://baijiahao.baidu.com/s?id=1654054245819625118&wfr=spider&for=pc