機器人中的全向輪是什麼

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全向輪，顧名思義，就是可以在任意方向運動，任意角度，任意方向。

因而，相對於傳統差分驅動方式，全向輪可以在平移的同時完成旋轉，而不需要首先旋轉，然後進行平移。

那麼，全向輪是如何實現的呢？

全向輪的獨特之處在於其特殊的輪胎。全向輪並不僅僅是一個輪轂，而是由很多輪胎的組合體。其主體為一個大型中心輪，在中心輪周邊為中心軸方向垂直於中心輪的小型輪子。

大型中心輪與普通輪子一樣，可以繞其中心軸旋轉，而其周邊小型滾輪則可以使得全向輪沿平行於中心軸方向旋轉。

下圖是一些常見的全向輪。其輪胎直徑和寬度同樣根據機器人的要求速度、重量選擇。

需要特別注意的是全向輪的材料，尤其是其周邊小型滾子的材料。其材料的選擇需要使得輪子與地面之間具有足夠大的摩擦力。

完整約束與不完整約束機器人

總體來說，移動機器人可以分為兩類：完整約束機器人和不完整約束機器人

非完整約束機器人指的是不能在任意時刻沿任意方向運動的機器人，如汽車。因而，非完整約束機器人在某一方向運動之前需要完成一系列的動作。舉例來說，假設我們希望汽車能夠側向移動一段距離（側方停車），那麼我們需要完成一系列動作才可以。為了使汽車轉向，我們需要在旋轉方向盤(前輪)的同時使汽車前進才可以完成。這類機器人我們稱其具有1.5個自由度，也就是其可以在任意方向運動，但是在橫向運動需要一系列複雜操作，而不能立刻完成。

而完整約束機器人則可以在任意時刻沿著任意方向運動，而不需要任何複雜的操作。這類機器人具有兩個完整的自由度。

輪子個數選擇

大部分的全向輪機器人包含一個三角形底盤以及三個輪胎。但是，通常來說，使用四個輪胎比使用三個輪胎具有更好的效果。之所以三個輪胎的全向輪機器人比較普遍，大部分是因為價格原因。

但是，採用四輪驅動一個固有的問題是四個輪胎可能不能保證在一個平面內，而三個輪胎則完全可以保證在同一平面內。假設四輪驅動的機器人運行於平坦的地面，那麼很有可能在某一時刻，其中一個輪胎與地面並不接觸。但，針對這個問題有許多簡單易行的方法，如搖臂結構架或者彈簧減震機構。或者使得底盤具有一定的柔性，都可以解決上述問題。

個人認為，初期價格和系統複雜度稍微增加外，四輪驅動的機器人相對於三輪驅動的機器人具有更大的優勢。

首先，採用四輪驅動機器人效率更高。在三輪結構中，由於不存在任何一種情況，所有輪胎運行方向均與運動方向一致，系統效率不可能達到100%。而在四輪驅動結構中，相對的兩個輪胎可以100%效率運行，同時另外兩個輪胎保持，因而，此時理論效率可以達到100%。其餘任何一個角度運行，四輪結構相對三輪結構效率均會更高。

從上圖可以看出，在四輪結構中，兩個相對的輪胎主動在出力，而另外兩個輪胎並不出力。因而，相對於三輪結構，四輪結構效率更高，運行速度更快。

另外一個方面，相對於三輪結構，四輪結構計算更加容易。四輪結構中，相鄰兩個輪胎夾角為90°，而在三輪結構中則為120°。四輪結構中，有兩個輪胎相對，因而在計算中，成對出現夾角為180°的一對輪胎僅需要計算一個，因而，總共只需對兩個輪胎進行計算。而在三輪結構中，則需要獨立計算三個。

全向輪機器人的控制：

為了使得全向輪機器人沿任意角度移動，每一個輪胎必須按照給定的方向和大小進行旋轉。由於機器人可以沿任意方向移動，因而，在計算時需要進行三角函數計算。

由於三角函數的計算在計算機中需要大量計算量，因而往往在控制器中存儲一個三角函數表，然後通過查表實現三角函數計算。

位置控制：由於全向輪機器人運動基於輪胎的滑動，因而使用編碼器確定機器人位置基本是不可能的。因而，此時往往通過機器人的其他感測器如IMU，陀螺儀，視覺等等確定機器人位置，然後進行機器人位置的控制。

角度控制：機器人運行的角度由機器人各個輪胎轉速的比例確定。

電機轉速：電機轉速越高，機器人運行越快。

機器人旋轉速度：機器人的旋轉速度由各個全向輪轉速之差確定。

最大電機轉速：在控制過程中，需要保證給定電機轉速不超過電機額定轉速。

因而，全向輪機器人設計過程中，往往採用如下過程進行計算。

1. 使用三角函數表計算給定角度需要的各個輪胎轉速比例；

2.在1中計算得到的轉速基礎上減去或者加上一定的轉速，使得機器人按照一定的速度旋轉。

3.保證每個電機轉速均不超過其額定轉速。假設每個電機最大轉速為100,但是四個輪胎計算轉速分別為50,-50,110,-100.那麼需要按照一定的比例將其縮小至最大轉速為100.

全向輪機器人的缺點：

首先由於全向輪機器人運行過程中可以任意方向移動，因而，其效率較低。另外，由於其工作在滑動摩擦狀態下，因而其摩擦損耗也比較大。另外，由於滑動摩擦的存在，採用編碼器不能準確判斷機器人所處位置。