差速驱动在哪里力不从心
在第一篇指南里我们认识了差速驱动：左右各一个动力轮，靠两侧不同的转速来转向。它简单得令人愉快，还能原地旋转，所以很多室内小机器人都用它。但它有个不动声色的弱点。这两个驱动轮通常要配一个自由转动的脚轮来维持平衡，而在较高速度下，这样一个靠脚轮平衡的机器人容易往旁边打滑、左右摇摆。想象一下让一辆送货小车用两个电动轮加一个万向脚轮在路上跑到时速 40 公里——那会显得神经质而不安全。
真正的汽车很久以前就用另一种思路解决了这个问题：把四个轮子稳稳地放在四角以保证稳定，让其中一些直接向前驱动，再靠偏转前轮来转向。这正是户外轮式移动中占主导地位的一类设计。难点在于，要让四个轮子干净利落地转向其实暗藏玄机——而它的解法是一段值得弄懂的几何。
阿克曼转向：为什么两个前轮转过的角度不一样
汽车过弯时，每个轮子都在画一个圆，而所有这些圆都共用一个圆心——也就是整辆车绕之旋转的那个点。内侧前轮处在比外侧前轮更小的圆上，所以它必须更大幅地偏向弯内。如果两个前轮转过完全相同的角度，其中一个就会和它真正该走的圆较劲，从而横向刮擦，把橡胶在路面上蹭掉。阿克曼转向正是这样一种连杆几何：它让内轮比外轮多转恰到好处的角度，从而让四个轮子都干净地滚动、不刮擦。
这套几何带来一个硬性限制：最小转弯半径。前轮只能偏转到一定程度，连杆就把它们卡住了，而这个最大转向角决定了车辆能画出的最小圆。轴距越长（前后轴之间的距离），转弯圆就越大——这正是为什么城市公交车转弯要划出一大圈，而卡丁车却能灵巧地窜来窜去。关键在于，汽车式机器人永远无法直接横向移动，也无法原地旋转。要挤进一个狭窄的空位，它只能像你侧方停车那样来回挪动。
全向驱动：让机器人朝任意方向滑行的轮子
现在把目标反过来。假设你想要的不是又快又稳的过弯，而是一个能直接横向溜走、斜着漂移、甚至边走边转的机器人——而且不必先转身朝向目的地。这种自由正是全向驱动带来的，而其中的诀窍就藏在轮子本身。
全向轮看起来像普通轮子，但它的轮缘上环绕着一圈可自由旋转的小滚子。轮子被驱动时，它照常推动机器人前进；但那些滚子让它能同时几乎无阻力地向侧面滚动。麦克纳姆轮是它的近亲，区别在于滚子是以 45 度角斜装的。把四个麦克纳姆轮装在四角，再用巧妙的组合去驱动它们，四个轮子各自的侧向力就能叠加起来，让机器人笔直向左、笔直向右、斜向移动或原地旋转——全靠为每个轮子选定转速和方向。
这种自由是有代价的。那些小滚子只压着很小的一块接触面，所以全向轮和麦克纳姆轮对颠簸和碎屑的适应都很差，会因打滑损失一些效率，在粗糙地面上也很吃力。它们在平整洁净的工厂和仓库地面上大放异彩——可一旦把它们搬到户外，立刻就力不从心。
选择驱动方式：让轮子配得上任务
没有所谓"最好"的驱动方式——只有适合某个任务的那一种。每种方式都会放弃一些能力，以便在另一些方面做到出色。看一个机器人的轮子，就能出人意料地看出它被造来做什么。
- 需要在道路或崎岖地形上长距离地兼顾速度与稳定？选阿克曼。自动驾驶汽车、配送车和农业机器人都依赖它——代价是它们无法横向停车。
- 需要在狭窄拥挤的室内空间里穿行、并精确对位？选全向。仓库拣货车和医院推车能滑进汽车式机器人根本进不去的缝隙。
- 需要简单、低成本、还能在平地上原地旋转？差速驱动依然是小型机器人和扫地机器人可靠的默认选择。
你选的驱动方式会向外波及到机器人的其余部分。它决定了底盘在不碰撞的情况下所能到达的工作空间的形状，决定了你的运动规划器是必须遵守"不能横向打滑"的规则、还是可以指挥它朝任意方向运动，也决定了机器人在被困住时能否脱身。移动方式不是最后才拧上去的小细节——它是最先要做的决定之一，因为它悄悄地界定了这台机器将来能把哪些任务做好。