四轮直驱差速轮系选型指引

王琳峰

1底盘轮系概述

目前移动机器人，绝大部分都是单体移动机械设备，底盘轮系结构应用非常广泛。常用的底盘轮系有以下几种：

1.1普通轮系

普通轮系结构简单，成本低、技术成熟，能够满足大部分的生产需求。常用的有以下几种：

1）三轮底盘，单前轮兼作驱动轮和转向轮；

2）三轮底盘，后两轮作差速驱动兼转向功能；

3）四轮或六轮底盘，两轮作差速驱动和转向；

4）四轮底盘，对角两个舵轮驱动+两个万向轮（或者两个可控转向轮）；

5）四轮底盘，四个直驱轮；

1.2全方位轮系

主要有两种：全向轮和麦克纳姆轮。

2四轮直驱差速轮系

2.1四轮直驱差速轮系概述

移载式机器人的底盘轮系中，常采用差速驱动直驱轮的控制方式来实现机器人的行走和转向功能。直驱轮见右图所示：

直驱轮底盘轮系由直驱轮、旋转机构和电机组成，旋转机构与底盘架子固定，直驱轮安装在旋转机构上，通过电机的驱动，使轮子转动，实现机器人行走功能，再通过控制各个电机的速度，形成差速控制系统，完成转向功能。

2.2四轮直驱差速控制底盘常用结构布置

目前，四轮全轮驱动的方式主要有下列方案：

方案一：每个驱动电机通过减速机驱动各车轮，如下图(a)所示；

方案二：驱动电机通过一对传动齿驱动四车轮，如下图(b)所示；

方案三：左右两侧各布置一部驱动电机，一侧电机通过带传动（或链传动）相连，如下图(c)所示；

上述方案中，方案一电机动力通过减速机传递到轮子，机器人的结构简单紧凑，传动精度较高，目前应用较多。方案二利用传动齿的方式，可调节电机一定范围的布置空间。方案三采用带传动（或链传动），精度较前两种方式差一些。

2.3四轮直驱差速控制的转向分析

四轮直驱差速控制底盘系统不需要专门的转向动力，采用滑移转向的原理，通过调整两侧的速度差即可实现转向，其原理如下图所示，左侧车轮速度大小一致（ ），右侧车轮速度大小一致（ ），由于机器人车轮无法绕与车体垂直矢量旋转，故为使得机器人车身完成转向动作，机器人四车轮速度都沿与车轮端面垂直的方向产生一个速度分量（ 、 、 、 ）且 、 与 、 的方向相反，故机器人完成转向运动。

四轮滑移转向原理示意图

2.4四轮直驱差速转向轮系的特点

优点：

1）结构简单，易于布置，占用底盘空间小；

2）越障性能相对较好；

3）承载能力强；

4）平稳性好，抗倾覆能力强；

缺点：

1）由于在机器人的转向过程中，机器人车体一直处于滑移状态，故釆用此种转向方式的机器人轨迹跟踪精度不高，且工作面的状态对机器人轨迹跟踪精度的影响较大；

2）在路面不够光滑的情况，转向时常伴随较强抖动；

3）因转向时，轮子处于滑移状态，所以对轮子的摩损较大；

4）直驱轮底盘在行走时，纠偏能力较弱；

5）不能实现横移功能；

2.5直驱轮的品牌选择

目前公司的合格直驱轮品牌供应商建议如下：

优达、隆高、怡合达、东胜迪。

2.6类型的选择

直驱轮主要根据轮子与路面接触的材料分橡胶轮和聚氨酯轮。橡胶轮有更好的抓地力，更有利于越障；聚氨酯轮更耐磨，可根据实际的需求选择。

2.7确定型号

步骤一 确定单轮承重

式中T—每只轮子的承载重量，N；

M—设备总重量，N；

n—轮子数量；

—预留载荷，N；

在设备实际运行的时候，在越障或者路面不平时，经常会出现偏载的情况，或者整个设备的重心不在几何中心的时候，都存在轮子偏载的现象，选择轮子的载重大小时，应充分考虑各种偏载情况，满足最大承载重量需求。

步骤二 确定安装方式

结合实际的结构需求，选择合适的安装方式。

步骤三 确定尺寸规格

尺寸规格的选择原则：

1. 满足最大承载要求；

2. 底盘高度允许情况下，选择尽量大的轮径，有利于越障；

3. 越障工况下，同样的负载，采用越大的轮径，通过障碍的驱动力越小，可综合需求，合理选择；

4. 同样的驱动电机及减速机，轮径越大，行走速度越快，但轮子输出驱动力变小。

步骤四 确定型号

2.8驱动电机的选择探讨

根据轮子的最大负载重量、底盘的行走速度、轮子直径等，按越障能力和爬坡能力需求，可计算出驱动电机的相关参数，具体计算公式如下：

驱动电机额定转矩计算：

M₀≥K*R_Z*r/i₁/n=K*（μ_k*W*cos +W*sin ）*r/i₁/n/η

式中R_Z—爬坡总阻力，N； μ_k--滚动摩擦因子，m；

W--整车重力,N； θ--爬坡角度，°；

r--行走轮半径，m； i₁--驱动电机减速比；

n--驱动轮数量； η--传动效率；

K—安全系数，一般取值1.1-1.5

驱动电机的最大转矩计算：

坡道起步时：

M₁≥K*R_Z*r/i₁/n=K*（μ_k*W*cos +W*sin ）*r/i₁/n/η

式中R_Z—爬坡起步总阻力，N ; μ_k--滚动摩擦因子，m；

W--整车重力，N ; θ--爬坡角度，°；

r--行走轮半径，m； n—驱动轮数量；

a--坡道加速，m/s²； i₁--驱动电机减速比；

η--传动效率；

K—安全系数，一般取值1.2-1.5

越障时：

M₂≥K*W/y*r /i₁/η

式中H—越障高度，m； y—总轮子数量；

计算出两种状态所需的转矩后，取较大值，作为驱动电机的最大转矩，校核电机的性能是否满足要求。

2.9附录

附录一 参考文献

[1]王一治，常得功。Mecanum四轮全方位系统的运动性能分析及结构形式优选。机械工程学报，第45卷第5期。

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