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全向轮结构中,滚珠运动方向和轮毂自身运动方向成90度的夹角。而麦轮结构中,滚珠运动方向和轮毂自身运动方向是成45度夹角。两种产品的目标都是为了解决在狭小空间内,进行灵活转向移动的功能。

麦轮与全向轮的结构对比

本文不谈具体有关全向轮和麦轮进行全向驱动底盘设计的力学模型与方程解析,知乎上有很多具体模型推导,有兴趣可以自行查找。本文主要介绍全向轮与麦轮使用上的区别及适用的不同工作场景。

在使用上,全向轮跟麦轮是有一定差别的:

  1. 麦轮通常情况下都是成对进行使用;而全向轮是可以独立使用的。

  2. 麦轮通常连电机,作为驱动轮使用;而全向轮的话,即可以连接电机作为驱动轮使用,也可以作为随动轮使用,以替代万向轮,具有更好的方向与位置可控性。

  3. 麦轮安装使用中,可以平行共线成对安装,这种安装方式,跟传统轮胎的安装布局类似,视觉上比较美观,布局上也便于矩形底盘空间的高效利用。这个特点是由麦轮的自身结构设计特征形成的,麦轮轮毂上的滚珠,自带角度,同时一组配对(2个)麦轮的滚珠方向是互相镜像对称的。两组麦轮(4个)可以构建一个360度全向驱动的运动底盘。

麦克纳姆轮全向驱动底盘结构

4. 全向轮要构建360度全向轮驱动的运动底盘的话,需要借助轮子之间成角度的摆放,来形成矢量合力。平行共线接电机的安装方式,无法为全向轮的滚珠带来滚动动力。最少使用3个全向轮就可以构建一个全向驱动的运动平台。通常状况下,轮子之间以120度的夹角进行摆放安装,因此3个轮子的话,彼此之间总共形成了一个平面上的360度角。通过合成连接在3个不同全向轮上的电机的合力矢量,就可以实现底盘360度的转向与运动。

全向轮驱动底盘的结构示意

鉴于全向轮无需配对,独立即可使用的特点,也可以使用更多数量的全向轮来构建全向驱动运动平台,当然,演算的运动模型算法可能会更加复杂一些。

对于圆形、三角形或者蜂巢型等类似结构形状的底盘,全向轮的夹角型摆放能更好的利用底盘的布局空间。但是对于矩形,夹角型摆放的空间利用效率就比不上麦轮的平行共线摆放了。

5. 使用3个全向轮构建的驱动运动平台,具有一定成本优势,省了一套电机与驱动机构;同时,全向轮轮胎的易损程度也会比麦轮小一些,而且全向运动的能源损耗也会少些。

使用3全向轮设计全向运动底盘,底盘形状适合采用三角形或蜂巢六边形,矩形底盘就不是很合适,会有重心稳定性风险存在。

商用服务机器人等对成本竞争有挑战的产品还是适合使用3轮全向轮来构建室内用全向运动底盘,毕竟成本有节省。

6. 全向轮可以用作随动轮做底盘转向使用,有关全向轮与万向轮的使用区别,请参考:一文快速了解万向轮与全向轮的区别,以及如何使用选型
全向轮的随动轮应用方式

7. 麦轮和全向轮都是以点接触的方式在路面滚动的,因为都是轮毂上摆放滚珠的结构设计,其轮毂滚动的时候,着地接触点会从一个滚珠向另外一个相邻的滚珠过渡,滚珠交叉之间,存在相对于轮毂圆周的尺寸误差。在轮毂上,这些连续分布的误差点,给轮子滚动带来的问题就是:运动震动与噪音。

比较而言,麦轮的结构特征,使得这种运动震动与噪音问题更加难以克服,因此麦轮不适合用于载人的产品设计。

以上主要讲解了麦轮与全向轮在使用上的一些方式区别。在具体使用场景选择上,麦轮较多应用于低速短距离全向底盘的设计使用,例如工厂车间内短距离搬运使用的AMR。麦轮的非常易磨损的特点使其无法胜任长时间的运动。

麦克纳姆轮重载短距转运平台

全向轮的使用场景就丰富很多,尤其是其作为随动轮使用的时候,可以满足狭小空间的转向要求,方向和位置的精确控制要求等等。另外,提升结构设计并改善了运动震动与噪音的新型全向轮也越来越多的应用到载人设备当中,例如智能轮椅、医疗康复设备等。

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全向轮与机器人技术工程师
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