轮式引导机器人的轮子设计方案：四种轮子类型

迄今为止，轮子一般是移动机器人学和人造车辆中Z流行的运动机构。它可达 到很高的效率，如图2.3所示，而且用比较简单的机械就可实现它的制作。 另外，在轮式机器人设计中，平衡通常不是一个研究问题。因为在所有时间里， 轮式机器人一般都被设计成所有轮子均与地接触。因而，3个轮子就足以保证稳定 平衡。虽然我们将在下面看到，两轮机器人也可以稳定。如果使用的轮子多于3个， 当机器人碰到崎岖不平的地形时，就需要一个悬挂系统以容许所有轮子都保持与地 接 触 。

轮式机器人研究不是忧虑平衡，而是倾向于把重点放在牵引、稳定性、机动性及 控制问题：为覆盖所有期望的地形，机器人的轮子能否提供足够的牵引力和稳定性? 机器人的轮子结构能对机器人的速度进行充分控制吗?

当我们考虑移动机器人运动的可能技术时，可能的轮子结构有 很大的空间。因为有很多数目不同的轮子类型，各有其特定的优点和缺点，故我们从 详细讨论轮子开始，然后来检验为移动机器人传送特定运动形式的完整的轮子构造。

有四种主要的轮子类型，如图2.25所示。在运动学方面，它们差别很大。因此 轮子类型的选择对移动机器人的整个运动学有很大的影响。标准轮和小脚轮有一个 旋转主轴，因而是高度有向的。在不同的方向运动，需要先沿着垂直轴操纵轮子。 这两种轮的主要差别在于标准轮可以完成操纵而无副作用，因为旋转中心经过接触 片着地；而小脚轮绕偏心轴旋转，在操纵期间会引起一个力，加到机器人的底盘。

瑞典轮和球形轮二者的设计比传统的标准轮受方向性的约束少一些。瑞典轮的 功能与标准轮一样，但它在另一方向产生低的阻力，它有时垂直于常规方向，如瑞典 90°轮；有时在中间角度，如瑞典45°轮。装在轮子周围的辊子是无源的，轮的主轴用 作W一主动地产生动力的连接。这个设计的主要优点在于：虽然仅沿主轴给轮子旋转提供动力(通过轮轴),轮子以很小的摩擦，可以沿许多可能的轨迹按运动学原理移 动，而不仅仅是向前或者向后。

球形轮是一种真正的全向轮，经常被设计成可以沿任何方向主动地受动力而旋 转。实现这种球形构造的一种机构模仿了计算机鼠标，备有主动提供动力的辊子，这 些辊子安置在球的D部表面，并给予旋转的力。

无论用什么轮，在为所有地形环境设计的机器人和具有3个以上轮子的机器人 中，正常情况下需要一个悬挂系统以保持轮子与地面的接触。 一种Z简单的悬挂方 法是轮子本身设计成柔性的。例如，在某些使用小脚轮的四轮室内机器人情况下，制 造厂家已经把软橡胶的可变形轮胎用在轮上，制作一个主悬挂体。当然，这种有限的 解决方案不能与应用中错综复杂的悬挂系统相比拟。在应用中，对明显的非平坦地 形，机器人需要更动态的悬挂系统。