一种改进的Mecanum轮辊子形状设计方法

朱浩，黄翔，李泷杲

(南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京210016)

    针对基于Mecanum轮的全向移动平台，提出了一种改进全向轮辊子形状的设计方法。给出了全向轮参数化设计模型，采用ADAMS软件对全向轮的运动过程进行仿真，从仿真结果可以看出,改进的全向轮在工作过程中上下振动幅度减小，使全向移动平台运行情况得到改善。工程应用证明了该设计方法的有效性。

    全向移动平台在工作中应保持较高的平稳性。为了满足让移动平台实现平稳地全向运动这一设计要求，Mecanum轮的设计过程显得尤为关键，其中辊子的设计过程是十分重要的环节。Mecanum轮在平面上运动时，轮子与地面的接触面即为辊子的包络面，为了保证平台运动的连贯性，避免运动中的振动，在设计时要保证任意时刻4个轮子与地面平滑接触，同时也要保证辊子外廓线尽量和车轮的理论圆周重合［1］。

1Mecanum轮辊子结构与运动原理

    麦克纳姆轮（Mecanum Wheel）早在1973年由瑞典工程师Bengt Ilon发明，其结构如图1所示。Mecanum轮的轮子边缘与通常的轮子不同，轮体圆周均匀分布着许多小滚轮，即辊子［2］。图1中每一个辊子都可以绕着自身轴线b单独自由旋转，通常辊子轴线b与车轮轴线a成45°夹角，所有辊子的轮廓线在沿车轮轴线方向的投影形成一个圆［3］。

    全向移动平台由4个单独与电机连接的Mecanum轮支撑，每个Mecanum轮都是主动轮，依靠伺服电机和减速器驱动，当轮子受力开始旋转时，与地面接触的辊子由于与轮轴方向存在夹角的关系，可以将力分解到沿轮子的轴向和轮子的径向两个方向［4］。因为单个车轮运动独立，所以通过4个轮子之间转速和转向的组合搭配，可以实现搭载平台向任意方向的移动［5］。

2Mecanum轮改进设计方法

    虽然目前对于全向轮辊子的设计有一定的理论体系，但是在计算辊子最小半径和外廓线的时候一般采用正弦函数近似求解的方法［6］。此方法在全向轮半径较小时对辊子各参数几乎没有影响，但是在移动平台需要有大尺寸的全向轮时，该近似算法得出的辊子参数会有较大偏差，对工程精度以及平台运动造成影响。

    为改进全向轮辊子外形参数存在的设计问题，这里采用画法几何和空间投影相结合的方法。沿全向轮的轴线方向,将所有小辊子投影在与全向轮轴线垂直的平面内,利用投影平面的小辊子参数变量,结合画法几何函数关系式,递推回三维空间,得出小辊子各参数关系式。通过对参数进行验证以保证辊子间不发生干涉,最终得到辊子各参数。此方法相比较于以往的推导公式更准确高效。

图2为简化的轮子沿轴线方向投影示意图，其.......

作者简介：〖HTSS〗朱浩（1988—），男，江苏扬州人，南京航空航天大学硕士研究生，主要研究方向为数字化设计与制造。
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