轮式底盘：用更简单的接触换取高效率移动

原理组成

最常见的是差速底盘：左右驱动轮转速差控制前进和转弯。轮半径为 \(r\)、轮距为 \(L\)，左右角速度为 \(\omega_R,\omega_L\) 时，理想平面运动为：

它结构简单、可原地转向，侧向不能直接移动，转弯时轮胎会有一定滑移。阿克曼转向让内外轮沿近似同心圆滚动，适合较高速度和室外平台，转弯半径与转向机构占空间。全向轮或麦克纳姆轮通过斜置滚子合成侧向力，可在狭小空间平移，滚子振动、负载、能效、地面缝隙和里程计精度较弱。

轮毂电机把电机与减速器集成在轮边，布置紧凑、驱动独立，簧下质量和散热要处理；中央电机通过差速器、链或带驱动多轮，电机利用率高，传动与机械布置更复杂。脚轮提供被动支撑，换向时有摆振和偏置力矩。制动可由电机再生、短路制动、机械抱闸或独立行车制动共同承担。

悬挂让轮子适应不平地并维持接地。刚性底盘在三轮支撑时天然确定，四轮刚性结构遇到不平地可能有一轮卸载；摇臂、摆臂、弹簧阻尼与均衡机构可以分配载荷。轮胎或包胶轮本身也提供柔顺，材料硬度、接地面积、滚阻和磨损相关。驱动力上限同样受摩擦限制，坡道还要克服重力分量与滚动阻力。

滚动阻力可近似写成 \(F_{rr}=C_{rr}mg\)，系数随轮胎材料、直径、载荷、地面和速度变化。软轮在接缝上更安静、抓地更好，周期形变带来更大能耗和发热；硬轮效率高，对地面缺陷和振动更敏感。悬挂弹簧决定静态下沉与载荷分配，阻尼决定越过门槛后振动多久。阻尼太小会反复弹跳，太大又让车轮来不及跟随连续起伏。对带机械臂的平台，悬挂柔性还会形成末端低频摆动，需要结构、控制和操作速度共同管理。

轮式机器人常用轮编码器做里程计。理想积分在打滑、轮径误差、轮压缩和不平地上会漂移；IMU、激光或视觉用于校正。轮径随磨损或负载发生毫米级变化，也会逐渐造成比例误差。底盘结构应让传感器、负载和机械臂的质心落在稳定范围内，急停时的惯性可能使高重心平台倾覆。

参数与取舍

底盘参数包括负载、最高/持续速度、加速度、制动距离、坡度、越障高度、沟宽、最小转弯半径、定位重复性、地面类型、噪声、续航和防护。电机选型要把轮端牵引力 \(F=\tau_w/r\) 与坡道、加速度和滚阻对应，再用速度检查电机转速和反电势。较大轮径越障好、同样牵引力需要更大轮矩；较小轮紧凑、滚动阻力和障碍敏感。

例如总质量 200 kg 的平台要在 10% 坡道上以 \(0.5\ \mathrm{m/s^2}\) 加速，忽略小项时仅坡度与加速就需要约 \(200\times9.81\times0.10+200\times0.5\approx296\ \mathrm{N}\) 牵引力；再加入滚阻、风阻和余量。若两只主动轮、轮半径 0.15 m，每轮输出力矩初估约 22 N·m 以上。随后必须检查轮地摩擦上限、减速器峰值、持续爬坡温升和母线电流。

底盘承载机械臂时要计算动态稳定域。手臂伸出会移动整体质心，搬起重物或急停会产生倾覆力矩。加宽轮距、降低重心和限制手臂动作可以提高稳定，门宽和转弯空间受影响。软件速度限制应由当前载荷、手臂姿态、坡度与制动能力动态决定。

典型失效包括轮胎磨损打滑、轮毂轴承进水、脚轮摆振、编码器联轴器松动、链条伸长、悬挂卡滞导致单轮失载、抱闸拖滞和电机回生过压。测试应覆盖不同地面、接缝、斜坡、门槛、湿滑、负载偏置、急停和传感器失效。

测试场地要可重复描述坡度、摩擦、门槛和通道尺寸。空载、额定载荷和偏载分别测直线速度、转向、制动距离、定位重复性、轮胎温度和能耗；机械臂处在最不利姿态时复测急停与倾覆裕度。通过固定路线多次运行比较轮编码里程与外部真值，可辨识轮径、轮距和打滑模型。耐久后重新测制动、噪声、轴承游隙和悬挂高度，确认磨损没有把安全边界吃掉。

制动距离应从最高允许速度、控制检测时间、制动力建立时间和地面摩擦共同评估。低摩擦地面上简单加大电机反向力矩只会锁轮并增加滑移，机械制动和运动规划需要限制轮地力。坡道掉电还要验证抱闸在最高载荷与最差姿态下能保持，并检查释放后是否出现不可控后溜。

倾覆可以用质心投影和力矩建立初步边界。平地静止时质心投影应落在轮地支撑多边形内；加速或急停时，惯性力作用在质心高度形成倾覆力矩，使等效投影向边缘移动。越过门槛时支撑多边形还会暂时缩小。选择轮距和轴距时，应把最高载荷、机械臂最远伸出、允许减速度和坡度同时代入，再为轮胎变形与载荷估计误差留余量。接近边界时可限制上装动作和底盘加速度，机械止挡或可展开支腿用于需要高操作力的任务。

工程例子

医院物流机器人重视安静、窄通道和可清洁，常用差速驱动配被动脚轮，速度有限，外壳覆盖夹点；仓储重载 AMR 可用四轮独立驱动转向，提高牵引和冗余，成本与控制复杂度更高；移动机械臂在操作时可放下支撑脚或主动限制手臂工作空间，避免轮式底盘柔性和制动间隙降低操作精度。

底盘测试还应区分驱动能力、定位能力和安全停车。牵引试验测不同地面的滑移率与轮端力，坡道试验连续运行到热稳态，门槛试验记录车轮卸载、底盘触底和上装冲击；定位试验在双向路径、不同载荷与轮胎磨损阶段重复；停车试验测从传感器触发到完全静止的距离分布，并覆盖单路驱动故障、制动器降级和母线低压。耐久后拆检轮胎、轴承、紧固件和悬挂衬套，再用同一路线回归能耗与里程计参数，才能确认性能没有随磨损悄悄越过边界。

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