之前我们也介绍了两种不同设计的全向轮设计,不是需要非常复杂的结构,就是需要全部做成可动形式。但这款全向轮结构相对简单,操纵只需要调节转速,泛用性比较广,也在一些领域已经推广使用,那就是麦克纳姆轮。
麦克纳姆轮(Mecanum wheel )是由瑞典麦克纳姆公司(Mecanum AB)工程师 Erland llon发明的一种可以向任何方向移动的轮子设计,于1972年11月13日申请了美国专利。
使用麦克纳姆轮的小型机器人
麦克纳姆轮由一个中心轮和多个轮轴组成,中心轮的圆周上连接着一系列的轮轴,每个轮轴都与轮子平面成45°的旋转轴线,并且相对于通过平行于轮子旋转轴线的轮轴中心线成45°角。轮轴外层包覆一层橡胶做的外壳,用于加强对地摩擦力。通过控制中心轮的转速和方向,就可合成任意方向的合力,因而实现全方位移动。
在实际运用中,主要有两类不同结构的麦克纳姆轮,一种是两端轮轴安装在中心轮的边缘,接触点为轮轴的中心部分。这种类型轮轴与地面的角度为45°。
另一种则是轮轴中部连接在中心轮上,由轮轴的一端接触地面,而轮轴与地面的角度为60°。
要使用麦克纳姆轮实现全方向运动,至少需要安装四个,两个左旋,两个右旋,左旋轮需要和右旋轮相对安装。要达到移动的效果,控制轮子相应转动。但因为需要精确控制每个轮子的转速才能达到不同运动效果,所以每个麦克纳姆轮要单独配备相应的电机进行驱动。
使用麦克纳姆轮的运动设备可以实现如前进、斜移、原地转动多种运动方式,这种全向轮最初是为了在航母上运载货物使用的机器人设计的,因此灵活、具有较高的承重能力就是它的优点,所以多用于像是需要灵活操控的小型机器人或是大型载重工具。
不过麦克纳姆轮短板也很明显,由于车轮结构比较特别,材料要求高,加工难度大,所以生产成本比起正常车轮高出几倍。然后是由于麦克纳姆轮设计本身只有比较少的部分接触地面,因此抓地力比较弱。虽然通过往轮轴加装橡胶套可以增加抓地力,但接触面较小也决定了通过性非常低,所以使用麦克纳姆轮只能在路况非常好的地方使用,还要定期检查轮轴橡胶磨损程度,及时更换损坏部分,才能良好运行。
虽然麦克纳姆轮有着很高的灵活性,但是如果使用在普通的交通工具上,对于操纵者来说非常困难。需要手动同时控制至少四个电机,还要每一个速度都很精确,就有些强人所难了。因此主要还是将这种技术运用在由算法控制的机器人身上,或者开发控制程序辅助操纵。
不过要是有一天麦克纳姆轮能够进一步改进更加泛用的话,用在四轮交通工具上就不用那么费劲的倒车和掉头了,这样的话交通也会增加不少的效率。
延伸阅读:
全向轮系列第一期:360°全向轮技术,会是未来的风口吗?
全向轮系列第二期:这个圆滚滚的家伙,可不是来卖萌的