带您一起了解阿克曼移动机器人的前世今生

一、阿克曼结构前世今生

阿克曼动力学：

阿克曼结构起源于汽车应用，是实现汽车转向的一种方式。汽车转弯时，内轮胎和外轮胎的转弯角度不同，内轮胎的转弯半径小于外轮胎的转弯半径。

这种转换最初是由德国马车工程师 Georg Lankensperger 于 1817 年转换的。他的代理人 Rudolph Ackerman 于 1818 年在英国申请了专利，所以从现在开始，这种转向原理被称为阿克曼转向结构。

但几十年前，Erasmus Darwin 就提出了这个想法。这个 Erasmus Darwin 是著名进化论的奠基人 Charles Darwin 的亲爷爷，是英国历史上的传奇人物，融合了科学家、诗人、发明家、植物学家、生理学家等。

在剑桥和爱丁堡学习多年后，25 岁 Darwin 开始往伯明翰北一点的 Lichfield 行医。精湛的医疗技能使他出名（甚至英国国王乔治三世也想把他当作宫廷医生，但他直接拒绝了）。诗人、发明家和各种家庭的多重身份使他成为伯明翰的启蒙运动“满月会”（The Lunar Society of Birmingham）核心人物，里面还有一位朋友叫 James Watt，就是改进了蒸汽机的瓦特。

当然，我们这一代名医 Darwin 先生正在用马车在救死扶伤的路上行驶，类似于下图：

马车转向示意图

一年一万多公里的行程让他很快找到了马车的转向问题：

(1) 前胎在路上遇到石头或其他障碍物时，很容易被抬起：因为要在中间转动一个轴，前胎不能太大。

(2) 由于两个前胎平行，四个轮子在转弯时很容易在同一平面上产生三角形：在这种情况下，汽车会被“卡”得稳稳的。

于是我们的发明家 Darwin 先生开始想办法改造他的马车。后来，车辆实验认证工程师开始默默地进行道路实验。直到 1766 年，在他写给一位朋友的信中，才提到他已经改造了两辆马车，并进行了 1 万公里的道路实验。

后来，1767 年，瓦特和达尔文相遇如故。这两台蒸汽机的粉丝们交换了他们对蒸汽机的看法（当时蒸汽机还没有用于工程领域）。瓦特的想法为了在工业生产中使用蒸汽机，达尔文希望用它来代替马作为汽车的动力源（有一个原始车辆设计理念）。

达尔文最初在给瓦特的信中介绍了他的蒸汽车的设计理念。下图达尔文想解释他当时的底盘设计，但从这张图中，我们可以看到连杆转向机构的原始原型：

连杆转向机构原始手稿

当瓦特收到这个信号时，可以在信封上看到，瓦特将这个结构确认为矩形结构。

最后，我们可以看到梯形四连杆机构是达尔文 1768 年与另一位朋友的信：

梯形四连杆机构手稿

在这种结构中，与现代汽车的转向机构基本没有什么不同。虽然理论上已经实现了轮转向，但在接下来的一百年里，四轮马车仍然采用轴转向的方式。最大的问题是，以当时的工业水平，实现轮转向的加工太难了，优势不明显。真正让阿克曼发扬光大还是汽车的诞生。

我们看 Benz 原型车：一辆简单的三轮车，我们可以大胆猜测，当时在使用三轮车之前，很难解决四轮车前胎转换的问题。

Benz 早期三轮原型车

从第二辆车开始，Benz 再也没有选择过三轮方式，可能是解决了上述问题，从此汽车行业一飞冲天。

Benz 早期四轮原型车

二、阿克曼结构在移动机器人中的应用

在移动机器人的早期阶段更多是用两轮差动结构，从 1956 年到 2013 年为止，国内外大多数机器人行业的应用研究，大部分还是用的 1956 年的轮式差动结构。但也同时遇到了 250 年前 Darwin 遇到的类似问题：通过性差，无法进行大负荷户外运行，在实际使用中严重受限，而且后期维护频率高。因此，两轮差动结构在移动机器人的应用中无法大规模量化，只能应用于室内物流和工作场景，不能应用于室内外通用场景。

两轮差速早期原型车（斯坦福研究院，时间：1966—1972）

2013 年四位移动机器人的狂热爱好者相互交流了他们对移动机器人的看法后成立了 YUHESEN 科技（那个时候移动机器人还没有大规模应用），他们在思考如何能使智能移动机器人全面用于多场景工业生产，李雷达则想到使用阿克曼结构首先将移动机器人应用规模化达到全场景使用的技术方案（有一个原始阿克曼机器人的概念设计）。于是四位狂热爱好者就开始想办法对两轮差动方式机器人进行了改造，之后，又开始默默地进行道路试验起来。直到 2016 年，进行了三年为期 10,000 公里的道路试验。随即掀开了阿克曼结构移动机器人应用的大幕，伴随后续京东、阿里、美团、菜鸟等行业订单采购阿克曼移动机器人应用技术的推广，现在阿克曼技术已经全面量化。行业数据显示作为移动机器人底盘 top 1 企业的 YUHESEN 基本上在以每年 350%–400% 的应用增长。行业内其他跟随企业的成长也在 100% 以上。

三、阿克曼移动机器人优势

轮式阿克曼转向机器人底盘应用于铺装道路场景中 600kg 内大负载配送、园区保安、智慧清洁、智能出行等场景机器人应用。结构为通过后轮差速桥进行驱动，通过前轮控制方向实现前进、后退、半径转向功能。具有大负载背负、控制精度高等优势，是物流、安防、清扫与老人出行辅助机器人应用的标准配置机器人底盘。