AGV系列之常见驱动车轮的有哪些

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AGV属于轮式移动机器人，按照移动特性又可将移动机器人分为两种：非全方位移动机器人和全方位移动机器人。物体在平面上的移动可产生前后，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；若具有完全的3个自由度，则称为全方位移动机器人。

AGV的结构主要有三轮结构、四轮结构、全方位移动结构。三轮结构主要包括后轮驱动，前轮转向，前轮转向前轮驱动及两轮差速驱动能实现AGV的二自由度运动；四轮结构主要是分别四轮驱动及转向；全方位移动机构主要包括麦克纳姆轮及舵轮形式。

AGV常用的车轮功能主要有以下几种：

• 驱动轮：车轮安装一个牵引电机，只驱动车轮前进或后退，但可以使驱动轮成组使用，组成双轮差速驱动系统。
• 转向轮：安装一个转向电机，只可以使轮子绕其中心作旋转运动，并无前进动力，不能驱动车体前进。
• 万向轮：又称活动脚轮，可进行万向旋转，一般固定车体底盘下，起辅助支撑作用。
• 定向轮：即固定轮，只有一个自由度，安装车体下用于导引车体运动，保证车体行进过程中的稳定性。

目前使用较为广泛的车轮包括球轮、正交轮、偏心轮、Mutual YoYo轮、Mecanum轮、轮毂电机和舵轮，它们的结构决定了它们的运动方式和使用场合。

（1）球轮

球轮包括球体、滚子和支撑滚子，驱动滚子固定在支架上，支架可转动，如此一来电机驱动轮架上的滚子带动球体来实现运动。如下图1所示。

图1 球轮

（2）正交轮

正交轮是由两个形状相同的球形轮子各切去一部球冠的球组成，通过球心的支撑轴垂直于被切去球冠，支撑轴固定在一个框架上。如下图2所示。

图2 正交轮

（3）偏心轮

偏心轮，顾名思义，就是指这个轮的中心不在旋转点上，一般指代的就是圆形轮，当圆形没有绕着自己的中心旋转时，就成了偏心轮。偏心轮，轴孔偏向一边的轮子，装在轴上旋转时，轮的外缘推动另一机件，产生往复运动。偏心轮也是凸轮的一种。

偏心万向轮在轮盘上采用不连续滚子的切换运动方式，安装有该轮子的移动机构在换向和运动的过程中和地面的接触点都不改变，在运动过程中机构的震动的概率减少为零，同时减少打滑现象发生。如下图3所示。

图3 偏心轮小车

（4）Mutual YoYo轮

Mutual YoYo (即MY轮) 由两个切去球冠和中间部分的球体组成，这两部分球共同由1 个共同的旋转主轴，它们与各自的被动旋转主轴成45°交叉分布。这种轮的结构可分为接触区和非接触区两个部分，运用球体的运动原理，通过两局部球体的接触区与非接触区的相互补充实现万向轮的功能，从而实现与地面的连续接触，保证轮在驱动万向转动的连续性，通过优化接触区的距离和MY轮的转速来减少运动误差。如下图4所示。

图4 Mutual YoYo轮

（5） Mecanum 轮

Mecanum轮主要是由轮架和滚子构成，滚子与车轮周线方向相切，麦克纳姆轮是在传统车轮基础上，沿其轮缘与轴线成α角方向上安装若干个可以自由旋转的小辊子，车轮带动各个小辊子侧向运动。通过多个麦克纳姆轮的速度组合产生AGV速度矢量，实现AGV在运动平面内的任意方向移动。根据小辊子与轮的轴线的夹角主要有两种：直角和45度，如下图5为90度α角麦克纳姆轮和45度α角麦克纳姆轮。靠每个车轮不同旋向的不同组合来使车体实现不同的运动方式。

麦克纳姆轮（Mecanum wheel）：与活动脚轮类似，是一种全方位轮。由主轮和辅助滚轮组成，辅助滚轮斜插入主轮轮面内，能绕着中心稳定转动，即可实现前进和横移运动。如图 所示为麦克纳姆轮。

图5 90度α角麦克纳姆轮和45度α角麦克纳姆轮

（6） 轮毂电机

轮毂电机轮采用内装电机技术，把动力装置整合进轮毂中，而轮毂电机直接与车轮连接可以很大程度上简化机械结构，直接将电能转化为AGV需要的机械能，减小机械传动损耗，使得AGV具有更长的里程，进一步提高了AGV的效率，因此效率更高。如下图6所示。

图6 轮毂电机

（7）舵轮

该种车轮可以实现平面内三个自由度的运动，车轮内含有两个电机，一个为牵引电机，用于驱动车轮前进或后退；另一个为转向电机，用于驱动车轮绕纵轴作旋转运动，实现车体转向。

舵轮型AGV的轮型结构主要采用的为卧式和立式舵轮。如下图7为卧式舵轮和立式舵轮所示，两者在结构上都是配有大功率行进移动的舵轮及上方配有啮齿盘，在控制方式上都是采用大功率舵机驱动舵轮的方向与行进速度并采用小功率的转向电机进行舵轮的角度控制，且舵机的供电方式有两种：直流供电和交流供电。交流供电较之于直流供电的干扰更多，控制更复杂，卧式舵轮相对于立式舵轮的体积可以更小，价格上更高。

图7 卧式舵轮和立式舵轮

注：

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作 者 简 介

王刚

剑指工控运动控制专家

主要从事系统集成，运动控制设备应用二次开发。目前主要从事并联六自由度平台、振动台、道路模拟试验设备、疲劳或加载试验设备等应用开发。