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移动机器人行走机构

肖佳涛;雷泽勇;覃倩倩

【摘要】简单介绍了当今主流移动机器人行走机构的主要类型,具体分析了各类移

动机器人的工作原理及优缺点.列举了国内外实例,对各类移动机器人的适用范围进

行了具体分析.

【期刊名称】《机械工程师》

【年(卷),期】2018(000)002

【总页数】3页(P95-97)

【关键词】移动机器人;行走机构;单轮滚动机器人;多节多履带式;轮履复合

【作者】肖佳涛;雷泽勇;覃倩倩

【作者单位】南华大学机械工程学院,湖南衡阳421001;南华大学机械工程学院,湖

南衡阳421001;南华大学机械工程学院,湖南衡阳421001

【正文语种】中文

【中图分类】TP242

0引言

随着核工业的发展，核应急与巡检机器人的研究与开发愈发重要，采用机器人代替

人进入核电站开展日常监测和维护工作，具有广阔的应用前景。

移动机器人行走机构搭载并保护机器人核心控制部件和功能设备，受控于控制部件，

可以在规定工作路面上行走，是机器人的主要机械系统。移动机器人底盘需具有一

定的承载能力和规定的运动性能。

移动机器人按行走方式来分，可分为轮式、履带式、复合式。

1轮式移动机器人

轮式移动机器人的行走机构由车轮为主体。轮式的机械结构相对最为简单，驱动及

控制的设计比较方便，承载量大，移动的速度快，运动效率很高，比较灵活，自重

较轻。轮式的缺点是运动稳定性受路面的情况影响很大，对于复杂路面很难通过

[1]。

一般按车轮的数量可以将轮式移动机器人分为单轮、双轮、三轮、四轮。不同的车

轮数量，底盘的结构及移动配置有很大的不同。轮子数量较少的底盘稳定性较差，

但灵活性更强，体型会更小。

1.1单轮滚动机器人

单轮滚动机器人体积小，摩擦小，灵活性很大，但单轮要保证动态稳定，其稳定性

不易控制。一般工作于一些较为复杂、狭小的地形[2]。

实例：美国卡内基－梅隆大学研究了“陀螺稳定”式单轮机器人，如图1所示，

左侧为初代设计GyroverⅠ，右侧为改进设计GyroverⅡ。作为一个侦察机器人，

Gyrover可以利用其超薄体型通过狭窄的通道进行作业。另一个潜在的应用是作

为一个高速月球车，在气动干扰和低重力的情况下将可以高效、高速滚动[3]。

图1“陀螺稳定”式单轮机器人（Gyrover)

1.2双轮移动机器人

双轮移动机器人常分为自行车式和双轮左右对称分布式。

自行车式的移动机器人，车型窄长，是一个非线性自然不稳定的系统，在保证侧向

稳定性控制问题上的研究比较困难。自行车式机器人主要工作于狭长、平稳的路面

上，其越障能力很差[4]。

实例：日本东京工业大学M.Yamakita与Utano[5]于2006年研制了具有平衡质

量调节器的自行车式机器人，特别研究了在低速下自动控制自行车的稳定。如图2

所示，左侧为原理模型图，右侧为外形图。

双轮对称分布式机器人同样需要考虑自平衡，其优势在于体型矮小，运行比自行车

式更为灵活，适合在狭小空间工作[6]。

图2M.Yamakita与Utano自行车式机器人

图3瑞士联邦工学院双轮机器人（JOE）

实例：2002年瑞士联邦工学院FelixGrasser等[7]研究了无线控制的双轮机器人

（JOE），每个轮子分别由一个电动机驱动，能实现自平衡，在平地上自由移动，

可以爬30°斜坡。如图3所示，左侧是实物外形图，右侧为机器人状态矢量空间的

变量定义和干扰分析图。

1.3三轮及四轮移动机器人

由于三点决定一个面，三轮移动机器人的平稳性比单、双轮式的好。三轮式机器人

常采用1个中心前轮，2个对称分布的后轮，呈简单的等腰三角状，这种布局最为

稳定。而四轮式的机器人最为常见，结构设计、驱动系统和控制系统都最为容易实

现。三轮及四轮的机器人结构稳定，其承载能力较单、双轮式有了很大的提高。但

是三轮及四轮式的机器人在坑洼的路面上移动会很颠簸。三轮及四轮式的机器人适

合在负载要求大、移速要求高，但路面较平整的情况下工作，其应用范围最为广泛。

2履带式移动机器人

履带式机器人相对于普通的轮式机器人，其结构比较稳定，在不平整的路面上，仍

然能够相对稳定地前进。

履带式机器人的突出优势在于：1）有较大支撑面积，接地比压小，能够在松软甚

至泥泞的场地作业，下陷度小，越野机动性能很好；2）转向半径非常小，可原地

转向；3）履带支撑面上有履齿，有效避免打滑，附着性能好，能够提供较大的牵

引力；4）承载能力很大。

但由于履带