一文搞懂移动机器人底盘结构模型

目录

一、移动机器人底盘是什么？

1.1 底盘的基本作用

1.2 为什么要先了解底盘模型？

二、常见移动机器人底盘模型类型总览

2.1 常见底盘模型分类表

2.2 按运动能力分类

（1）普通非全向底盘模型

（2）全向移动底盘模型

（3）复杂地形底盘模型

三、差速类底盘模型

3.1 两轮差速底盘模型

（1）轮子作用

（2）运动特点

（3）优点

（4）缺点

3.2 四轮差速底盘模型

（1）轮子作用

（2）运动特点

（3）优点

（4）缺点

3.3 履带式底盘模型

（1）轮子和履带作用

（2）运动特点

（3）优点

（4）缺点

四、汽车式与全向类底盘模型

4.1 阿克曼底盘模型

（1）轮子作用

（2）运动特点

（3）优点

（4）缺点

4.2 麦克纳姆轮底盘模型

（1）轮子作用

（2）运动特点

（3）优点

（4）缺点

（5）特别注意

4.3 全向轮底盘模型

（1）三全向轮底盘

（1）轮子作用

（2）运动特点

（3）优点

（4）缺点

（2）四全向轮底盘

（1）轮子作用

（2）运动特点

（3）优点

（4）缺点

五、舵轮与重载 AGV 底盘模型

5.1 什么是舵轮？

5.2 单舵轮底盘模型

（1）轮子作用

（2）运动特点

（3）优点

（4）缺点

5.3 双舵轮底盘模型

（1）轮子作用

（2）运动特点

（3）优点

（4）缺点

5.4 四舵轮底盘模型

（1）轮子作用

（2）运动特点

（3）优点

（4）缺点

六、不同场景应该怎么选底盘？

6.1 入门学习和低成本机器人

6.2 室内 AGV 和巡检机器人

6.3 户外无人车

6.4 复杂地形机器人

6.5 重载 AGV

七、轮子作用总结表

一、移动机器人底盘是什么？

1.1 底盘的基本作用

移动机器人底盘可以理解为机器人的“腿”和“运动执行机构”。上位机、导航算法或者遥控器给出运动指令后，最终都需要通过底盘完成实际运动。

底盘主要负责：

（1）承载机器人本体、电池、传感器和负载；
（2）完成前进、后退、转向、旋转、横移等运动；
（3）接收控制器速度指令并驱动电机；
（4）反馈编码器、里程计、电机状态和故障信息；
（5）决定机器人的机动性、通过性、稳定性和控制难度。

简单来说：

机器人能不能跑得稳、转得准、过得去，很大程度取决于底盘结构。

1.2 为什么要先了解底盘模型？

不同底盘模型决定了机器人完全不同的运动能力。

1. 两轮差速底盘结构简单，可以原地旋转，但不能横向移动；
2. 阿克曼底盘高速稳定，但转弯半径较大；
3. 麦克纳姆轮底盘可以横移，但对地面平整度要求高；
4. 履带底盘通过性强，但能耗和磨损较大；
5. 四舵轮底盘机动性极强，但成本和控制难度最高。

所以，底盘选型不能只看“高级不高级”，而要看应用场景。

二、常见移动机器人底盘模型类型总览

2.1 常见底盘模型分类表

2.2 按运动能力分类

（1）普通非全向底盘模型

包括：

1. 两轮差速；
2. 四轮差速；
3. 履带式；
4. 阿克曼式。

这类底盘通常不能直接横向移动，运动方向受到车轮滚动方向约束。

优点是：

1. 结构简单；
2. 控制成熟；
3. 工程可靠性高；
4. 成本相对可控。

缺点是：

灵活性不如全向底盘。

（2）全向移动底盘模型

包括：

1. 麦克纳姆轮；
2. 三全向轮；
3. 四全向轮；
4. 四舵轮。

这类底盘可以实现平面内任意方向运动，例如横移、斜移和原地旋转。

优点是：

机动性强；
适合狭小空间；
适合精准对接。

缺点是：

结构复杂；
控制复杂；
成本较高；
对地面条件要求更高。

（3）复杂地形底盘模型

包括：

1. 履带底盘；
2. 六轮底盘；
3. 摇臂底盘；
4. 越野四驱底盘。

这类底盘更关注通过性，而不是运动灵活性。

三、差速类底盘模型

3.1 两轮差速底盘模型

两轮差速底盘是最常见的移动机器人底盘之一，通常由左右两个主动轮和一个或两个万向轮组成。

（1）轮子作用

1. 左右两个主动轮分别由两个电机独立驱动，负责提供机器人的前进、后退和转向动力；
2. 万向轮本身不提供驱动力，主要起支撑和平衡作用。

万向轮可以绕竖直方向自由旋转，因此能够根据机器人运动方向自动调整姿态。机器人在前进、后退、转弯或原地旋转时，万向轮会被动跟随底盘运动，从而减少额外运动约束，使底盘运动更加平稳。

万向轮虽然可以水平 360° 转向，但它不是主动驱动轮，也不是麦克纳姆轮或全向轮。它不能主动产生横向运动，只是作为辅助支撑轮跟随主动轮运动。两轮差速底盘真正的运动控制仍然由左右两个主动轮的速度差决定。

（2）运动特点

• 当左右轮速度相同，机器人直行；
• 当左右轮速度不同，机器人转弯；
• 当左右轮反向等速转动，机器人原地旋转。

（3）优点

1. 结构简单；
2. 成本低；
3. 控制容易；
4. 可以原地旋转；
5. 适合室内低速机器人；
6. 资料丰富，适合入门学习。

（4）缺点

1. 不能横向移动；
2. 高速稳定性一般；
3. 万向轮容易产生抖动；
4. 轮子打滑会影响里程计精度。

3.2 四轮差速底盘模型

四轮差速结构是以电机左右差动为转向动力源，动力从电机输出之后，经过减速机最后分别输送至左右侧前后轴最终到达车轮。

四轮差速底盘可以看作两轮差速底盘的增强版，通常由左右两侧各两个主动轮组成。四个轮子一般都是固定方向安装的驱动轮，也可以称为定向驱动轮。它们既负责支撑车体重量，也负责提供前进、后退和转向动力。

与两轮差速底盘不同，四轮差速底盘通常不再依赖万向轮支撑，而是通过四个主动轮共同支撑整个车体。因此，它的承载能力和通过性通常比两轮差速底盘更强。

四轮差速底盘的转向方式仍然依赖左右两侧轮子的速度差。当左侧两个轮子和右侧两个轮子的速度不同时，机器人会产生转向；当左右两侧轮子速度大小相等、方向相反时，机器人可以原地旋转。

需要注意的是，四轮差速底盘的轮子通常不能像万向轮一样自由改变方向。由于四个轮子都是固定方向安装的，机器人转弯时，轮胎与地面之间会产生一定滑移。尤其是在原地旋转时，轮胎会发生明显摩擦，因此对电机功率、轮胎材料和地面摩擦条件要求更高。

简单来说：

四个主动轮既负责“撑”，也负责“走”，转向靠左右两侧速度差完成。

（1）轮子作用

1. 左前轮、左后轮：提供左侧驱动力，同时支撑车体左侧重量；
2. 右前轮、右后轮：提供右侧驱动力，同时支撑车体右侧重量；
3. 四个轮子一般都是定向轮，不能主动改变朝向；
4. 转向不是靠轮子打方向，而是靠左右两侧速度差。

（2）运动特点

• 左右两侧速度相同，机器人直行；
• 左右两侧速度不同，机器人转弯；
• 左右两侧速度反向，机器人原地旋转；
• 不能像麦克纳姆轮一样直接横向移动。

（3）优点

1. 承载能力强；
2. 通过性比两轮差速更好；
3. 结构相对简单；
4. 可以原地旋转；
5. 适合室内外低速移动平台。

（4）缺点

1. 转弯时轮胎滑移明显；
2. 原地旋转时轮胎磨损较大；
3. 电机负载比两轮差速更高；
4. 里程计误差通常比两轮差速更明显。

3.3 履带式底盘模型

履带式底盘本质上也属于左右差速控制结构。它不是通过普通车轮直接接触地面，而是通过左右两条履带与地面大面积接触。左右履带分别由驱动轮带动，通过左右履带速度差实现转向。

履带底盘中常见的轮系包括驱动轮、导向轮、支重轮和托带轮。驱动轮负责带动履带运动，导向轮负责引导履带运动方向，支重轮负责承受车体重量并把重量传递到履带上，托带轮负责支撑上方履带，防止履带松弛下垂。

与普通轮式底盘相比，履带底盘的接地面积更大，单位面积压力更小，因此在泥地、沙地、碎石、草地和坡道等复杂地形中具有更好的通过性。

需要注意的是，履带底盘虽然可以原地旋转，但它的转向同样依赖地面滑移。原地旋转时，履带与地面之间会产生较大摩擦，因此能耗较高，磨损也比较明显。

简单来说：

驱动轮负责带动履带，履带负责接触地面和产生牵引力，支重轮负责承重。

（1）轮子和履带作用

1. 驱动轮：提供动力，带动履带运动；
2. 导向轮：引导履带运行方向，保持履带轨迹稳定；
3. 支重轮：支撑车体重量，并把重量传递到履带；
4. 托带轮：支撑上方履带，防止履带下垂；
5. 履带：与地面大面积接触，提供牵引力和通过性。

（2）运动特点

• 左右履带同速，机器人直行；
• 左右履带不同速，机器人转弯；
• 左右履带反向运动，机器人原地旋转；
• 不能主动横向移动。

（3）优点

1. 接地面积大；
2. 通过性强；
3. 越障能力好；
4. 不容易陷车；
5. 适合复杂地形。

（4）缺点

1. 能耗较高；
2. 机械磨损大；
3. 运动噪声较大；
4. 转弯滑移明显；
5. 里程计误差较大。

四、汽车式与全向类底盘模型

4.1 阿克曼底盘模型

阿克曼底盘是一种类似汽车的底盘结构，通常由前轮负责转向，后轮负责驱动。当然，根据具体设计，也可以是前轮驱动、后轮驱动或者四轮驱动。

在典型阿克曼底盘中，前轮是转向轮，主要负责改变车辆行驶方向；后轮是驱动轮，主要负责提供前进和后退动力。前后轮共同承担车体重量，但它们的功能分工比较明确。

与差速底盘不同，阿克曼底盘不是通过左右轮速度差来转向，而是通过改变前轮转角来改变车辆运动方向。车辆转弯时，内侧前轮和外侧前轮的转角并不完全相同，这样可以让四个轮子尽量绕同一个瞬时转弯中心运动，减少轮胎侧滑和磨损。

需要注意的是，阿克曼底盘不能像差速底盘一样原地旋转，也不能像麦克纳姆轮一样横向移动。它必须依靠前进或后退速度配合前轮转角，才能完成转向。

简单来说：

转向轮负责“指方向”，驱动轮负责“往前走”，整车像汽车一样转弯。

（1）轮子作用

1. 前轮：通常作为转向轮，负责改变车辆行驶方向；
2. 后轮：通常作为驱动轮，负责提供主要牵引力；
3. 四轮：共同支撑车体重量；
4. 内外侧前轮：转弯时角度不同，以满足阿克曼转向关系。

（2）运动特点

1. 适合前进、后退和大半径转弯；
2. 高速稳定性好；
3. 不能原地旋转；
4. 不能主动横向移动；
5. 存在最小转弯半径。

（3）优点

1. 高速行驶稳定；
2. 轮胎磨损相对较小；
3. 适合户外道路环境；
4. 运动方式接近真实车辆；
5. 适合无人车和园区物流车。

（4）缺点

1. 转弯半径较大；
2. 狭窄空间机动性较差；
3. 不能原地掉头；
4. 路径规划需要考虑转向半径约束。

4.2 麦克纳姆轮底盘模型

麦克纳姆轮底盘通常由四个麦克纳姆轮组成，每个麦克纳姆轮都由一个主轮和若干斜向安装的小滚子组成。四个麦克纳姆轮一般都由电机独立驱动，因此它们既是驱动轮，也是支撑轮。

麦克纳姆轮最特殊的地方在于轮子外圈的小滚子。普通轮子只能沿自身滚动方向产生运动，而麦克纳姆轮由于滚子呈一定角度安装，可以把轮子的驱动力分解成前后方向和左右方向的分量。四个轮子按照特定方向组合后，机器人就可以实现前进、后退、横移、斜移和原地旋转。

需要注意的是，麦克纳姆轮中的小滚子是被动滚子，不是主动驱动轮。真正提供动力的是每个麦克纳姆轮对应的电机。滚子的作用是改变接触力方向，使底盘具备全向移动能力。

简单来说：

电机驱动主轮，斜向滚子改变受力方向，四个轮子配合实现全向移动。

（1）轮子作用

1. 左前麦克纳姆轮：提供驱动力和支撑力，参与前进、横移和旋转；
2. 右前麦克纳姆轮：提供驱动力和支撑力，参与前进、横移和旋转；
3. 左后麦克纳姆轮：提供驱动力和支撑力，参与前进、横移和旋转；
4. 右后麦克纳姆轮：提供驱动力和支撑力，参与前进、横移和旋转；
5. 斜向小滚子：被动滚动，改变接触力方向，减少侧向阻力。

（2）运动特点

1. 四轮同向转动，可以前进或后退；
2. 左右轮组合不同，可以实现横向移动；
3. 前后左右轮速度不同，可以实现原地旋转；
4. 四个轮子速度合理组合，可以实现斜向移动和边走边转。

（3）优点

1. 可以横向移动；
2. 可以原地旋转；
3. 运动灵活性强；
4. 适合狭小空间；
5. 适合仓储 AGV 和机器人比赛。

（4）缺点

1. 对地面平整度要求较高；
2. 滚子容易磨损；
3. 负载能力不如普通橡胶轮和舵轮；
4. 高速运动稳定性一般；
5. 轮子安装方向错误会导致运动异常。

（5）特别注意

1. 麦克纳姆轮不是万向轮。
2. 万向轮是被动支撑轮，不能主动产生驱动力；
3. 麦克纳姆轮是主动驱动轮，可以通过电机控制产生全向运动。

4.3 全向轮底盘模型

全向轮和麦克纳姆轮类似，也可以实现平面全向移动，但两者的轮子结构不同。

全向轮通常由主轮和若干小滚子组成，小滚子可以降低侧向摩擦。

（1）三全向轮底盘

三全向轮底盘通常由三个全向轮组成，三个轮子一般按照 120° 均匀分布在底盘周围。每个全向轮都由电机独立驱动，因此三个全向轮既是主动驱动轮，也是支撑轮。

全向轮的结构一般由主轮和一圈小滚子组成。主轮负责提供主动驱动力，小滚子负责在侧向被动滚动，从而减少轮子侧向运动时的阻力。由于三个轮子安装方向不同，所以它们的驱动力可以组合成任意方向的平面运动。

需要注意的是，全向轮虽然可以帮助机器人实现全向移动，但它和万向轮不是同一个概念。

1. 万向轮通常只是被动支撑
2. 全向轮和麦克纳姆轮通常是主动驱动轮，可以由电机直接控制

简单来说：

三个主动全向轮分别提供不同方向的驱动力，三个力合成后实现任意方向移动。

（1）轮子作用

1. 三个全向轮：分别提供三个不同方向的主动驱动力；
2. 小滚子：被动滚动，降低侧向摩擦；
3. 三个轮子共同支撑车体重量；
4. 三个轮子的速度组合决定机器人整体运动方向。

（2）运动特点

1. 可以前进后退；
2. 可以左右横移；
3. 可以斜向移动；
4. 可以原地旋转；
5. 可以实现平面全向运动。

（3）优点

1. 轮子数量少；
2. 结构比较紧凑；
3. 可以实现全向移动；
4. 适合小型机器人和比赛机器人。

（4）缺点

1. 承载能力有限；
2. 稳定性不如四轮结构；
3. 对重心位置较敏感；
4. 速度控制和坐标变换比差速底盘复杂

（2）四全向轮底盘

四全向轮底盘通常由四个全向轮组成，每个轮子都由电机独立驱动。与三全向轮相比，四全向轮底盘的支撑点更多，因此稳定性和承载能力通常更好。

四全向轮中的每个轮子同样由主轮和被动小滚子组成。主轮负责主动驱动，小滚子负责减小侧向阻力。四个轮子按照一定角度安装后，可以通过不同的轮速组合实现前进、后退、横移、斜移和旋转。

需要注意的是，四全向轮底盘虽然可以实现全向运动，但它对轮子安装角度、底盘几何尺寸和电机速度同步要求比较高。如果轮子安装角度不准，或者四个电机响应不一致，机器人可能出现跑偏、抖动或者横移不直的问题。

简单来说：

四个主动全向轮共同支撑和驱动，小滚子负责减少侧向约束。

（1）轮子作用

1. 四个全向轮：负责驱动机器人完成平面运动；
2. 小滚子：被动滚动，释放侧向运动约束；
3. 四个轮子共同支撑车体；
4. 四轮速度组合决定机器人平移和旋转状态。

（2）运动特点

1. 可以前进后退；
2. 可以左右横移；
3. 可以斜向移动；
4. 可以原地旋转；
5. 可以进行复合运动。

（3）优点

1. 全向运动能力强；
2. 稳定性比三全向轮更好；
3. 适合室内移动平台；
4. 适合需要精准对接的场景。

（4）缺点

1. 控制复杂度高于差速底盘；
2. 对轮子安装精度要求较高；
3. 对地面条件和轮子磨损比较敏感；
4. 长时间运行后需要标定修正。

五、舵轮与重载 AGV 底盘模型

5.1 什么是舵轮？

舵轮是一种集成了驱动和转向功能的轮组。

1. 普通轮子只负责滚动
2. 而舵轮既可以控制轮子转速，也可以控制轮子的朝向

所以舵轮通常包含：

1. 驱动电机；
2. 转向电机；
3. 减速机构；
4. 编码器；
5. 舵角控制机构；
6. 承载结构。

5.2 单舵轮底盘模型

单舵轮底盘通常由一个主动舵轮和若干支撑轮组成。舵轮是一种集成了驱动和转向功能的轮组，它既可以控制轮子的转速，也可以控制轮子的朝向。

在单舵轮底盘中，舵轮负责提供主要驱动力和转向能力，支撑轮或者万向轮负责承受车体重量、保持底盘平衡。支撑轮通常不提供主动驱动力，只是被动跟随底盘运动。

单舵轮底盘的运动方向主要由舵轮角度决定。当舵轮朝向改变后，机器人就会沿着新的方向运动。由于只有一个主动舵轮，因此它的结构相对简单，成本也比双舵轮和四舵轮更低。

需要注意的是，单舵轮底盘虽然比普通差速底盘多了一个主动转向机构，但它并不等于全向底盘。它的横移能力和原地旋转能力通常比较有限，具体能力取决于支撑轮布局和控制方式。

简单来说：

舵轮负责“驱动 + 转向”，支撑轮负责“承重 + 跟随”。

（1）轮子作用

1. 主动舵轮：同时负责驱动和转向；
2. 支撑轮：支撑车体重量，保持底盘稳定；
3. 万向支撑轮：被动跟随底盘运动，减少运动阻碍；
4. 整个底盘运动方向主要由舵轮角度决定。

（2）运动特点

1. 适合前进、后退和转弯；
2. 可以实现较小半径转向；
3. 通常不适合复杂全向运动；
4. 原地旋转能力有限。

（3）优点

1. 结构相对简单；
2. 成本低于多舵轮底盘；
3. 适合轻载 AGV；
4. 控制难度适中。

（4）缺点

1. 承载能力有限；
2. 运动灵活性一般；
3. 对支撑轮布局有要求；
4. 不适合高精度全向移动场景。

5.3 双舵轮底盘模型

双舵轮底盘通常由两个主动舵轮和若干支撑轮组成。两个舵轮都可以独立控制转向角和驱动速度，因此相比单舵轮底盘，它的运动能力更强。

在双舵轮底盘中，两个舵轮共同提供驱动力和转向能力。支撑轮主要负责承受车体重量，保持整车稳定。根据两个舵轮的安装位置不同，双舵轮底盘可以设计成前后双舵轮、左右双舵轮或者对角双舵轮等形式。

1. 当两个舵轮角度保持一致时，底盘可以沿某一方向直线运动；
2. 当两个舵轮角度和速度按照一定关系配合时，底盘可以实现转弯甚至原地旋转。
3. 相比单舵轮底盘，双舵轮在路径跟踪、掉头和狭窄空间运动方面更加灵活。

需要注意的是，双舵轮底盘需要同时协调两个舵轮的角度和速度。如果两个舵轮角度不同步，或者轮速匹配不合理，底盘可能会出现轮胎拖拽、抖动、偏航或者控制不稳定。

简单来说：

两个舵轮共同负责“驱动 + 转向”，支撑轮负责“承重 + 保持稳定”。

（1）轮子作用

1. 两个主动舵轮：分别负责驱动和转向；
2. 支撑轮：分担车体重量，保持底盘平衡；
3. 舵角编码器：反馈舵轮实际角度；
4. 驱动编码器：反馈轮子实际转速。

（2）运动特点

1. 可以直行；
2. 可以转弯；
3. 可以实现较小转弯半径；
4. 在合理控制下可以实现较灵活的掉头；
5. 部分结构可以实现近似全向运动。

（3）优点

1. 运动能力强于单舵轮；
2. 适合中载 AGV；
3. 路径跟踪效果较好；
4. 转弯灵活性较强。

（4）缺点

1. 结构和控制复杂度更高；
2. 成本高于单舵轮；
3. 需要处理两个舵轮同步问题；
4. 标定和调试难度更大。

5.4 四舵轮底盘模型

四舵轮底盘通常由四个主动舵轮组成，每个舵轮都具备独立驱动和独立转向能力。也就是说，四个轮子既是驱动轮，又是转向轮，同时还承担车体支撑作用。

四舵轮底盘是机动性非常强的一类移动机器人底盘。通过控制四个舵轮的角度和速度，机器人可以实现前进、后退、横移、斜移、原地旋转、蟹行以及绕任意瞬时中心旋转。

与麦克纳姆轮不同，四舵轮底盘通常使用普通橡胶轮或聚氨酯轮，轮子本身不依赖斜向滚子产生横向分力，而是通过主动改变轮子朝向来实现不同方向运动。因此，它在承载能力、轮胎寿命和运动稳定性方面通常优于麦克纳姆轮，但结构和控制难度也明显更高。

需要注意的是，四舵轮底盘的核心难点不是“让轮子转起来”，而是让四个轮子的舵角和速度严格协调。否则四个轮子会互相“打架”，出现拖拽、磨胎、抖动甚至电机过载。

简单来说：

四个舵轮每个都能“自己转向 + 自己驱动”，所以灵活性最强，但控制也最复杂。

（1）轮子作用

1. 左前舵轮：负责左前侧支撑、驱动和转向；
2. 右前舵轮：负责右前侧支撑、驱动和转向；
3. 左后舵轮：负责左后侧支撑、驱动和转向；
4. 右后舵轮：负责右后侧支撑、驱动和转向；
5. 四个舵轮共同决定底盘的平移方向、旋转中心和运动姿态。

（2）运动特点

1. 可以前进后退；
2. 可以左右横移；
3. 可以斜向移动；
4. 可以原地旋转；
5. 可以蟹行运动；
6. 可以绕任意点旋转。

（3）优点

1. 机动性极强；
2. 承载能力强；
3. 适合狭小空间；
4. 适合重载 AGV；
5. 轮胎磨损通常小于滑移转向底盘；
6. 运动方式灵活多样。

（4）缺点

1. 成本高；
2. 结构复杂；
3. 控制算法复杂；
4. 舵角标定要求高；
5. 通信同步要求高；
6. 维护难度大。

六、不同场景应该怎么选底盘？

6.1 入门学习和低成本机器人

推荐：

两轮差速底盘。

原因：

结构简单；
成本低；
资料多；
控制容易；
适合 ROS 入门。

6.2 室内 AGV 和巡检机器人

推荐：

两轮差速；
四轮差速；
麦克纳姆轮。

如果只需要前进和转弯，选择差速底盘；
如果需要横移和精准对接，选择麦克纳姆轮底盘。

6.3 户外无人车

推荐：

阿克曼底盘；
四轮差速底盘；
六轮底盘。

如果需要高速稳定，优先选择阿克曼；
如果需要低速通过性，可以选择四轮差速或六轮底盘。

6.4 复杂地形机器人

推荐：

履带底盘；
六轮摇臂底盘。

适合泥地、坡道、碎石、草地等场景。

6.5 重载 AGV

推荐：

双舵轮底盘；
四舵轮底盘。

如果追求成本和稳定性，可以选择双舵轮；
如果追求最高机动性和狭小空间移动能力，选择四舵轮。

七、轮子作用总结表