麦克纳姆轮主要由轮毂、辊子和连接部件构成:
1、轮毂
是麦克纳姆轮的中心支撑,多为圆筒状,用高强度合金钢或铝合金等材料制成,以保证强度并控制重量。其有特定连接结构,如凹槽、孔位,用于连接辊子,内部还有加强筋等增强整体强度和刚性,为轮子提供稳定支撑。
2、辊子
数量与分布:在轮毂外周均匀分布,数量通常在4-16个,依轮子尺寸、应用场景和承载能力而定。
角度设置:辊子轴线与轮毂轴线呈45度夹角,这是实现移动的关键,能使轮子转动时产生的摩擦力分解为纵向和横向分力,实现多种复杂运动。
外形与材质:多为圆柱形,材质有橡胶、聚氨酯等,这些材料耐磨性和弹性好,能在不同地面产生稳定摩擦力。
3、连接部件
辊子与轮毂连接:可通过轴销连接,或采用轴承连接以减少摩擦,提高运动效率和寿命,但轴承成本高且需定期维护。
轮毂与外部驱动连接:可直接连接电机轴,或通过传动带、链条、齿轮等传动装置连接,后者可调整传动比以满足速度和扭矩要求。
麦克纳姆轮的选型要点
麦克纳姆轮的选型要点介绍如下:
麦克纳姆轮的全向移动能力使其应用广泛,但正确选型与使用才能保障设备良好运行。
一、选型要点
(一)负载考量
明确设备负载重量,麦克纳姆轮生产厂家,依此结合麦克纳姆轮尺寸、材质、结构确定单个轮子承载量,且留安全余量,麦克纳姆轮加工厂家,如 800 千克负载选四个轮子时,单个额定承载约 250 千克。同时关注负载分布,不均负载可能致部分轮子受压过大,偏移设备要平衡负载或选高承载轮子装重侧。
(二)运动性能需求
对移动速度有要求时,选高速稳定且未超高转速限制的轮子,高质量高精度者高速震动噪音小。对加速度和减速度有要求的设备,如物流机器人,需选动态性能好的轮子,以保障响应指令与运行稳定。
(三)工作环境适配
地面状况影响选型,平滑地面多数轮子可用,粗糙、有坡或有障地面需适应性强的,如稍不平地面选大轮径、硬耐磨辊子的轮子。工作环境温湿度也关键,特殊温湿度环境需耐高温耐潮湿轮子或加防护,防材料变软、生锈、老化。
(四)尺寸与安装空间匹配
大直径轮子利于跨越障碍、提高速度,宽轮子增强承载与稳定性,但受设备空间限制。选合适尺寸同时确保安装尺寸、方式与设备契合,轮子间距布局合理保障全向移动。
1、基本原理基于力的分解与合成
麦克纳姆轮的轮缘分布着许多小辊子,这些辊子的轴线与轮毂轴线呈一定角度(通常是 45°)。当轮子转动时,辊子与地面接触并产生摩擦力。
根据力的分解原理,这个摩擦力可以分解为纵向(沿轮子的滚动方向)和横向(垂直于轮子的滚动方向)两个分力。由于辊子的特殊角度,纵向和横向分力大小相等。
2、实现多方向移动的方式
前进和后退:当四个麦克纳姆轮同向同速旋转时,每个轮子的纵向分力叠加,横向分力相互抵消,设备就像使用普通轮子一样向前或向后直线移动。例如,北京麦克纳姆轮,在机器人向前移动时,所有轮子的小辊子产生的摩擦力的纵向分力推动机器人向前运动。
左右平移:要实现左右平移,使对角线上的两个轮子同向同速旋转,另外一对对角线上的轮子反向同速旋转。例如,让左前和右后轮子正转,左后和右前轮子反转。此时,左侧两个轮子产生向右的横向分力,右侧两个轮子产生向左的横向分力,纵向分力相互抵消,设备就可以向左或向右平移。
斜向移动:通过调整各个轮子的转速和方向,可以使设备向任意斜向移动。例如,若想让设备向右前方斜向移动,使右前和左后轮子的转速大于左前和右后轮子的转速,且右前和左后轮子正转,左前和右后轮子也正转,这样就能合成向右前方的合力,实现斜向运动。
原地旋转:使相邻的两个轮子同向同速旋转,另外相邻的两个轮子反向同速旋转。例如,让左前和左后轮子正转,右前和右后轮子反转。此时,左右两侧的横向分力和纵向分力分别形成扭矩,使设备在原地旋转。
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