课题主要研究技术的国内外发展现状与趋势

近年来，随着移动机器人学和相关技术的发展，使得移动机器人在很多行业的应用逐渐深入和拓宽，尤其在室内服务方面比如机器人吸尘器等。移动机器人由移动机构、传感器和控制器等组成。其中移动机构是移动机器人运动的基础，根据移动特性可以分为非全方位和全方位移动机器人两种，在平面上移动的物体可以实现前后、左右和自转3 个自由度的运动，若所具有的自由度少于3个，则为非全方位移动机器人，典型产品如汽车等，可以前进、拐弯而不能横向移动；若具有完全的3个自由度，则称为全方位移动机器人，它非常适合工作在空间狭窄有限、对机器人的机动性要求高的场合中，国外很多研究机构开展了全方位移动机器人的研制工作，在车轮设计制造、机器人上轮子的配置方案、以及机器人的运动学分析等方面进行了广泛的研究，形成了许多具有不同特色的移动机器人产品。

1.Swedish 轮

Swedish 轮也称Mecanum轮，由轮辐和固定在外周的许多小滚子构成，轮子和滚子之间的夹角为r,通常夹角r为45度 , Mecanum轮这一设计方法最早为瑞典Mecanum公司提出，美国的Carnegie Mellon大学、日本的Okayama大学及Polytechnic大学等相继对这一机构进行不断的研究，部分国内单位加入了研究行列，如图所示每个轮子具有三个自由度,一个是绕轮子轴心转动,第二个是绕滚子轴心转动,第三个是绕轮子和地面的接触点转动.轮子由电机驱动,其余两个自由度自由运动.由三个或以上的是Swedish轮子可以构成全方位移动机器人. 由于滚子之间存在间隙,使得轮子在转动过程中同地面接触点的高度不断变化,导致车体振动或打滑,因而增加了运动学计算的误差.通常的改进方法是采用多个滚子以减少滚子之间的间隙。

2.连续切换轮

连续切换轮的基础为Transwheel轮,由一个轮盘和固定在轮盘外周的滚子构成.轮盘轴心同滚子轴心垂直,轮盘绕轴心由电机驱动转动,滚子依次与地面接触,并可绕自身轴心自由转动,结构如图所示，目前能全方位移动的足球机器人（比赛用）基本上都采用这种轮子。如小型组机器人足球。

为减少Transwheel轮转动过程中的振动，韩国人提出了另一种连续切换轮（Alternatewheel）如图所示连续切换轮的轮辐上有两种滚子，分为内圈和外圈，可以绕与轮盘轴垂直的轴心转动，具有公共的切面方向，这样既保证了在轮盘滚动时同地面的接触点高度不变，避免机器人振动，也保证了在任意位置都可以实现沿与轮盘轴平行方向的自由滚动。但其结构复杂、装配难度大是显而易见的 。

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3.正交轮

正交轮是由两个形状相同的球形轮子(削去球冠的球)架,固定在一个共同的壳体上构成, 如图所示,每个球形轮子架有2 个自由度:绕轮子架的电机驱动转动,和绕轮子轴心的自由转动,两个轮子架的转动轴方向相同,由一个电机驱动,两个轮子的轴线方向相互垂直,因而称为正交轮. 由正交轮的工作原理可见：在运动过程中两个轮子是交替接触地面的，只有很短的时间是两个轮子同时接触地面，在轮子的交替运动过程中每个轮子所承受的压力变化很大，影响其同地面接触的摩擦力，这对驱动电机来说是一个干扰，从而影响轮子的转动速度和机器人整体的运动精度,中国科学院沈阳自动化研究所所研制的全方位移动机器人采用了这种结构。

4.偏心方向轮

其基本结构为万向轮,由于通常具有两个电机驱动,也称为驱动万向轮,轮子的结构见图每个轮子具有2 个自由度,分别为绕轮子轴心转动和绕轮子支架轴心转动,两个转动轴正交,都由电机驱动，中科院北京自动化研究所的全方位移动平台便采用此种结构。哈工大研究了类似结构的二自由度四轮转向移动机器人平台，上海大学研究了更复杂的能翻转的类似驱动方式的越障组合轮移动平台。

偏心方向轮缺点：

上述几种机构的共性是结构复杂、驱动复杂，电机成本高，利用轮子驱动的合力移动，电机无用功输出较多，可靠性差，在不平坦的场合使用时，自控能力差，目前都处于摸索阶段，没有实质性使用（足球比赛机器人除外）。

4.球轮 （Ballwheel）

球轮由一个滚动球体、一组支撑滚子和一组驱动滚子组成、其中支撑滚子固定在车底盘上，驱动滚子固定在一个可以绕球体中心转动的支架上，如图��所示。每个球轮上的驱动滚子由一个电机驱动，使球轮绕驱动滚子所构成平面的法线转动，同时可以绕垂直的轴线自由转动，轮子的驱动力是滚子和轮子的摩擦力，使得轮子的驱动力和速度受到限制，这也是球轮的缺点，同时轮子在地面滚动过程中吸附的一些灰尘，会在轮子和滚子的接触点积累，影响二者之间的摩擦力，使轮子打滑，我们在使用滚动鼠标时都会有同样的感受，因而对球轮的改进方法是有效增加滚子和球体之间的摩擦驱动力，国内对球轮的研究比较活跃，设计了多种形态的球形轮机器人，如北京航空航天大学、北京邮电大学、哈尔滨工业大学、西安电子科技大学、中国人民解放军国防科学技术大学、上海交通大学等单位各式球论机构进行了一下相关的研究，尽管球形机器人在内部结构上千差万别，但大多数都采用重力矩进行驱动，但球形机器人在发展过程中，不可避免地遇到下列一些问题：1球形机器人与地面发生近似的点接触，所以它的稳定型较差，运动中一旦受外界干扰（爬坡、越障等），很难恢复原来的运动轨迹；2典型的机器人传感器和执行部件安装在球形机器人上比较困难；3球形机器人的控制涉及一个非完整系统的概念，非完整系统在减少机械结构复杂性的同时对系统的分析和控制带来了很大的难度，在运动控制上不能应用有效的线性理论对该类机器人进行控制。

高性能、低成本的机器人行走机构

传统的轮式机器人普遍采用左右轮驱动加上万向轮辅助支撑的二自由度移动方式，它在向左或右运动时需有一个转弯的过程（目前的轮式机器人一次转弯相当于它平均行走0.785（π/4）个轮间距），耗时又耗能，且最困难的是难以在转弯后与原方向保持垂直。

假设机器人遇到一垛斜向设置的墙（或障碍物），传统的二自由度移动机构所走的总长度为（L1/S *π/2 * D）+L1+L2 (其中S表示行走机构的步进距离或坐标单位长度，D表示轮间距，L1/S 表示有多少个切换方向，π/2 * D表示每次切换方向要转两次所走过的距离)，在这个过程中L1/S*2次的转弯其实都是做的无用功，再假设S＝2cm，D＝30cm, L1=30cm L2=40cm ,则机器人在这个过程中所走的总距离为786.5cm，假设机器人的移动速度为25cm/s,启动到（制动）停止有0.4s（秒）的延时（抵消惯性），每次转过90度所化的时间为3s（转弯速度不能太快，否则惯性对转过的角度有较大的影响），则机器人在这个过程中所用的总时间为110s，实际的有效行程仅为50cm，有效时间为2.4s。

对于理想的全方位移动机构就少了其中的转弯过程，即走过的总距离为70cm，所用的时间为20s。

再比如如果遇到一段80cm宽的楼梯或台阶，传统机构所走的距离是(40*3.14*30/2)+40*(2+2+2)=2124cm,假设传感器的反应时间为0.1s,则所用的总时间为301.6s，实际的有效行程仅为80cm，有效时间为3.2s。

对于理想的全方位移动机构则具有遛边（沿边行走）功能，即走过的总距离为80cm，所用的时间为23.2s。

对于理想的全方位移动机构就少了其中的转弯过程，即走过的总距离为70cm，所用的时间为20s。

再比如如果遇到一段80cm宽的楼梯或台阶，传统机构所走的距离是(40*3.14*30/2)+40*(2+2+2)=2124cm,假设传感器的反应时间为0.1s,则所用的总时间为301.6s，实际的有效行程仅为80cm，有效时间为3.2s。

对于理想的全方位移动机构则具有遛边（沿边行走）功能，即走过的总距离为80cm，所用的时间为23.2s。

我们的设计如下图:当行走机构不动时，所有轮子由于惯性作用停留在一个平面上(多边形的一条边与地面接触)，也就是它的最低位置，当一组轮子开始转动时，整个小车被渐渐抬离地面，另一组轮子也跟着被抬离地面，当转动的轮子转过其最高位置后，靠整个小车的重力惯性又回到它的最低位置(多边形的另一条边)，如此方式，两个电动机交差运行（加上正转反转），物体可随时向前后左右作直线运动。加上纠偏机构（一个或两个套装在行走轮子的轮轴上的单独驱动（差动）的比行走轮略小的非圆形或圆形偏心轮，行走机构的轮子转动时，纠偏轮不转；行走结构不动时，纠偏轮可（正向或反向）转动纠偏），其完全可以在前后、左右、转向三个动作上任意转换，这个转换是不需要多余时间和动作进行切换

过障碍

但这套机构有个缺点，即若采用多边形轮子，轮子有长径和短径，长径和短径之间的差距越大，机器人跨越障碍的能力越大，但相应的步距也越大，在一些步距精度要求高的场合，这套机构似乎就不合适了。

为了解决这个问题，本课题将对原机构进行改进：在每组轮子（行走轮）的轮轴上再增加（空套）一组非圆形轮，其长径略大于多边形轮子的短径，我们将它称为辅助行走轮，它有独立的驱动机构。当行走轮转动时，辅助行走轮不转，行走机构大步距移动；当机器人需要小步距调整时，行走轮不转，辅助行走轮转动，将行走机构略微抬升移动。辅助行走轮类似于纠偏轮，与纠偏轮的区别在于纠偏轮是空套在行走轮轮轴上的单侧轮（也可以是各自独立的双侧轮），而辅助行走轮则是对称分布在行走轮轮轴上的同轴双侧轮；纠偏轮是可以只存在在前后轮或左右轮中的一组上（也可以两组上都有），而辅助行走轮则是在前后驱动轮轮轴和左右驱动轮轮轴上都有。

但这套机构有个缺点，即若采用多边形轮子，轮子有长径和短径，长径和短径之间的差距越大，机器人跨越障碍的能力越大，但相应的步距也越大，在一些步距精度要求高的场合，这套机构似乎就不合适了。

为了解决这个问题，本课题将对原机构进行改进：在每组轮子（行走轮）的轮轴上再增加（空套）一组非圆形轮，其长径略大于多边形轮子的短径，我们将它称为辅助行走轮，它有独立的驱动机构。当行走轮转动时，辅助行走轮不转，行走机构大步距移动；当机器人需要小步距调整时，行走轮不转，辅助行走轮转动，将行走机构略微抬升移动。辅助行走轮类似于纠偏轮，与纠偏轮的区别在于纠偏轮是空套在行走轮轮轴上的单侧轮（也可以是各自独立的双侧轮），而辅助行走轮则是对称分布在行走轮轮轴上的同轴双侧轮；纠偏轮是可以只存在在前后轮或左右轮中的一组上（也可以两组上都有），而辅助行走轮则是在前后驱动轮轮轴和左右驱动轮轮轴上都有。

技术难点

行走机构中机械加工的精密程度、机构重心的位置、轮子摩擦力的大小、轮子的形状、轮子的材质、轮轴的设计、纠偏轮、辅助行走轮长径的研究、电机的选择、驱动机构的选择、减速机构的设置对整个行走机构的行走效果起到非常关键的作用，因此机械部件的精加工、组件的装配调整、重心的调整、行走轮、辅助行走轮和纠偏轮的形状、大小、宽度的研究、轮子布置方案的研究是重点和难点，需反复进行测试。

机器人主体与行走机构分离

机器人主体由四个万向轮或万向滚珠支撑，行走机构不与机器人主体直接接触（软接触），驱动部件仅仅推着机器人主体朝任意方向移动，这样就有效地解决了机器人的防颠问题。该分离设置的移动机构还可针对其它的传统的三自由度移动的行走机构设置，可以解决行走机构移动时的抖动和机构本身承载能力差的缺陷。

万向轮或万向滚珠在本机构中可能会存在移动不灵活或换向不平稳的问题，机器人主体进一步的改进可采用非驱动型连续切换轮代替万向轮，以达到行走和换向均能灵活驱动的目的。

机器人主体由四个万向轮或万向滚珠支撑，行走机构不与机器人主体直接接触（软接触），驱动部件仅仅推着机器人主体朝任意方向移动，这样就有效地解决了机器人的防颠问题。该分离设置的移动机构还可针对其它的传统的三自由度移动的行走机构设置，可以解决行走机构移动时的抖动和机构本身承载能力差的缺陷。

万向轮或万向滚珠在本机构中可能会存在移动不灵活或换向不平稳的问题，机器人主体进一步的改进可采用非驱动型连续切换轮代替万向轮，以达到行走和换向均能灵活驱动的目的。

创新点

1、由于上述行走机构的设计和改进，我们可以用普通直流电动机替换昂贵的步进电机，通过大致控制输出到电机功率模块的脉冲宽度，可使轮子每次均转过多边形的一条边，这样就避免了采用成本高、驱动复杂、负载能力低的步进电机，若采用普通直流电机加减速装置加编码盘检测的方案替代成本与步进电机相比差不多，而每台全方位移动机器人需用这样的步进电机至少3套，这样算下来，仅机器人的行走机构，我们的直接成本就比传统机构的节省人民币3000元，我们设计的东西无疑优势巨大。

2 、这种新型行走机构能以步进方式移动且结构简单、便于控制、效率高、成本低、换向无等待、易走直线等因素完全称得上整个机器人领域中具有重要意义的突破、它的关键在于突破了老祖宗告诉我们的轮子是圆的的观念，以非圆形轮子作为行走的轮子、同时又解决了防颠的问题。

3、通过偏心轮或多边形轮子的应用，可以避免直接用直流电机驱动圆形轮子时难以克服的惯性、需要制动（加反向电压刹车）和控制复杂等问题，机器人不用转弯也无时间停顿即可直接向前或向后或向左或向右移动，极大地缩短了机器人的行走时间，提高了行走效率与可靠性（与其它全方位移动平台相比，更强调了它的方向性：由于在单一方向上移动平台是一元驱动，因此在它需要走直线时，比传统的机器人走得更直），还便于控制。同时由于不用转弯，机器人可设计成任意形状，比如可以设计成方形，不像其它轮式机器人一般设计成圆形。

缺点

1.本机构的缺点是基本在比较平坦的场合（比如室内）使用，但这已经能满足服务机器人的基本使用环境了；非圆形的轮子对地面的冲击较大，改进的措施是轮子角部的倒圆角或采用偏心圆轮或椭圆形轮。

2.本机构移动过程中的电机的输出功率变化较大。

作者：张周新，计算机专业，业余研究清洁机器人二十余年，拥有机器人相关发明专利二十余项，涉及机器人移动机构、障碍检测、定位纠偏方案及功能性部件等；还编制成功任意复杂情况下“遍历”路经规划程序，能提供清洁机器人完整的系统解决方案（家用/商用；地面/墙面/玻璃）。

来源：机器人2025

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