轮式机器人

轮式机器人由于其简单和高效的机构，是所有移动机器人中最常见的种类。对于轮式机器人来说，平衡性往往非常容易达到。因此轮式机器人的研究往往更加注重轮子的种类，数量，排布及其所组成的机构的稳定性 (Stability)，操纵性 (Maneuverability)，和控制性 (Controllability)。

1. 轮子的设计

目前主要有四个种类的轮子，他们分别是：a) 标准轮，b) 脚轮，c) Swedish 轮，d) 球轮。这四种轮子有着不同的运动学约束，因此会影响机器人的运动学建模。

1.1 标准轮

标准轮共有两个自由度，主转轴和垂直转轴。绕着主轴旋转即向前运动，绕着垂直轴旋转则是提供转向。常见的标准轮的应用有自行车和汽车。这两者在运动学上可以共用自行车模型，即前轮为 2DOF 的转向标准轮，后轮为垂直轴锁死的固定标准轮。

1.2 脚轮

与标准轮一样，具有两个自由度。但他们的区别在于脚轮的垂直轴并不与地面直接接触。这样一个具有偏移的轴位，导致脚轮在调向的过程中会产生一个力矩，使得脚轮可以很快的转向调向后的方向。脚轮常常被用在人力推动物上，如可以滑动的椅子。

1.3 Swedish 轮

Swedish 轮是在标准轮的轮毂上又套了一层滚子。常见的 Swedish 轮有 45° Swedish 轮，又叫麦克纳姆轮，如下图 (a) 所示；还有 90° Swedish 轮，如下图 (b)。Swedish 轮共有三个自由度，分别是绕着轮子主轴转动；绕着滚子的轴心转动；和绕着轮子和地面的接触点转动。因此，Swedish 轮既可以像标准轮一样前向运动，也可以在滚子的方向上侧向移动。由 Swedish 轮可以构建全向运动的机器人。

1.4 球轮

球轮的任意一个切面都可以被当作标准轮，因此球轮是一个前方向轮。球轮是早期鼠标的重要部件之一。abb

1.5 随动轮

以上的轮子在设计机器人时即可以与驱动器连接作为主动轮使用，也可以作为为机器人提供支撑的随动轮。但各有优劣。常用的随动轮是脚轮和球轮，但脚轮在转向时会因力矩原因对机器人的运动有一定的影响；而球轮的空隙则容易因积灰而导致卡死。

2. 移动机器人的底盘布局

根据底盘上轮子的种类，数量以及分布可以归纳出如下表所示的机器人底盘分布：

3. 性能分析

3.1 稳定性

如之前所说，轮式机器人的轮子数量只要超过 3 个就可以非常容易的维持稳定。因此，这里我们重点介绍只有两个轮子的机器人，平衡车。当两轮车的质心位于轮轴线之下是，是静态稳定的；但是位于轴线之上时，则是静态不稳定的。而我们常见的平衡车就属于后者。平衡车通常采用的运动方式为动态稳定，即将平衡车抽象为一个倒立摆模型，当摆向前倾倒时，提供一个前向速度便可以使车维持稳定；后倒同理。