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麦克纳姆轮的设计

摘要:麦克纳姆轮(Mecanumwheel),瑞典麦克那姆公司发明的一种全方位移动轮式结构,由基于主体轮辋和一组均匀排布在轮毂周围的回转辊子组成,且辊子轴线与轮毂轴线呈一定角度(一般为45°),小辊子的母线是等速螺旋线或椭圆弧近似而成,当轮子绕着轮毂轴线转动时,周边各小辊子的外包络线为圆柱面,因此该轮可以连续地向前滚动。麦克纳姆轮根据夹角45°,可以分为互为镜像关系的A轮和B轮。由速度的正向分解,A轮可以分解为轴向向左和向前的力。

关键词:力的分解与合成速度的分解与合成运动控制移动机器人

0引言

在运输行业,自动导引车(AGV)由于具有自动导向、路径识别、安全避障等功能,在自动化运输、生产管理等多方面发挥了重要作用,其研究受到了广泛的关注。当前移动方式包括轮式、足式、履带、蛇形四大类方式,其中轮式移动最为广泛,而为了适应空间狭小,提高运动灵活度,全方位移动自动导引车诞生了,全向轮作为全方位移动实现的关键部件,目前已经发展了正交轮、单排轮、双排轮、Castor轮、各向异性摩擦轮、Mecanum轮等,麦克纳姆轮运动灵活,微调能力高,运行占用空间小,但是成本相对较高,结构形式相对复杂,对控制、制造、地面等的要求较高,适用于空间狭小,定位精度要求较高、工件姿态快速调整的场合,所以当前麦克纳姆轮一般应用于大型物件的精密对接装配、转运、高精尖机器设备的检修方面等领域,例如航天航空的检修、企业工厂的物流搬运等环节。本文将对麦克纳姆轮的运动进行分析。

总体设计:主要部分由轮毂和围绕轮毂的辊子组成,辊子轴线和轮毂轴线夹角成45°。在轮毂的轮缘上斜向分布着许多小轮子,即辊子,故轮子可以横向滑移。辊子是一种没有动力的小滚子,小滚子的母线很特殊,当轮子绕着固定的轮心轴转动时,各个小滚子的包络线为圆柱面,所以该轮能够连续地向前滚动。由四个这种轮加以组合,可以使机构实现全方位移动功能。

图1麦克纳姆轮内部结构

结构设计:如图为辊子与金属片,辊子与地面直接接触,金属片则在辊子与轮毂间起过渡作用。

图2辊子示意图图3金属片示意图

如图为轴承和轮毂,轴承起支撑作用,并且连接两侧的轮毂,轮毂则连接着辊子,起承载作用。

图4轴承示意图图5轮毂示意图

运动学分析

1.1麦克纳姆轮的运动速度

麦克纳姆轮旋转运动时,给辊子一个力相对于地面运动。由于辊子轴线与轮毂轴线有一定夹角,使得运动方向产生偏离。此时设定辊子上一点到轮毂中心距离为r,轮毂角速度为ω则,辊子上该点的线速度为。且分解此时辊子速度,由于辊子轴线与轮毂轴线夹角为45°,得到平行于轮毂轴线速度分量,同时垂直于轮毂轴线的速度分量,与相等。

1.2麦克纳姆轮的运动方向

以如图所示麦克纳姆轮作为标准摆放方向,麦克纳姆轮顺时针旋转时辊子相对于地面有向左后方运动的趋势,麦克纳姆轮逆时针旋转时辊子相对于地面有向右前方运动的趋势。

图6麦克纳姆轮的运动方向

(1)轮子逆时针旋转时

选取其中一个辊子做受力分析,辊子所受摩擦力方向与其运动趋势方向相反。当麦克纳姆轮逆时针时,辊子相对于地面有向右前方运动的趋势,则所受摩擦力方向为接触点左后方向。分解此时的辊子运动,则会得到向后以及向左的速度分量,所以说此时麦克纳姆轮向左前方运动。

(2)轮子顺时针旋转时

选取其中一个辊子做受力分析,辊子所受摩擦力方向与其运动趋势方向相反。当麦克纳姆轮顺时针时,辊子相对于地面有向左后方运动的趋势,则所受摩擦力方向为接触点右前方向。分解此时的辊子运动,则会得到向前以及向右的速度分量,所以说此时麦克纳姆轮向右前方运动。

1.3麦克纳姆轮受力分析

麦轮受力分析图如图:

图7麦轮受力分析图

当麦轮受电机驱动时,驱动力矩使得绕轮毂轴转动,辊子会与地面产生摩擦力,其作用力方向与抵消力矩方向一致;将地面摩擦力沿着垂直和平行于辊子轴线方向进行力分解,由于辊子是被动轮,因此会受到垂直于轮毂轴线的分力作用而被动转动,也说明分力是滚动摩擦力,对辊子的磨损较大;沿着轮毂轴线的分力也会迫使辊子运动,是主动运动(辊子被轴线两侧轮毂机械限位),所以分力是静摩擦,滚动摩擦力促使辊子转动,属于无效运动;静摩擦力促使辊子相对地面运动,带动整个麦轮沿着辊子轴线运动。

因此,电机输入轮毂的扭矩,一部分被辊子自转“浪费掉”,另一部分形成静摩擦驱动麦轮整体运动;单个麦轮实际的(受力)运动方向为辊子轴向方向,因此改变辊子轴线和轮毂轴线的夹角,就可以改变麦轮实际的(受力)运动方向。

工作原理麦轮的整体布局

2.1安装方式

(1)麦克纳姆轮安装在相互平行的轴线上。

(2)先按照以下方法区分麦克纳姆轮的安装方向。

图8A轮(右旋

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