基于三維軟件的麥克納姆輪移動平臺懸架系統研究

盧浩文++謝佳洽++李澤寰++陳燦瓊++高澤軒++曾俊皓

摘要：在過去的幾年來，眾多載重能力強的移動平臺爭相出現，而以麥克納姆輪為代表的全向移動平臺以其優異的全向移動能力及載重能力強出名。由于麥克納姆輪自身結構不足的原因，麥克納姆的懸架系統變得尤為重要。這篇文章就從麥克納姆輪自身結構的角度入手，利用三維軟件SolidWorks進行分析，探討麥克納姆輪的懸架系統。

關鍵詞：麥克納姆輪 全向移動 SolidWorks 懸架系統

中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）11-0039-01

Abstract：In the past few years， a large number of heavy-duty mobile platforms appear， Mecanum Wheel as the representative of mobile platform is well know with its excellent omnidirectional mobility and strong load capacity. Mecanum's suspension system becomes particularly important because of the Mecanum's own structural weaknesses. This article starts from the Mecanum wheel's own structural. The 3D software SolidWorks for analysis， to explore Mecanum wheel suspension system.

Key Words：Mecanum；Omnidirectional mobility；SolidWorks； Suspension system

1 引言

以麥克納姆輪為主動輪的全向移動平臺，可在二維平面內向任意方向移動的高精度移動設備。當若干個的麥克納姆輪在一定的排列組合下，通過單獨控制每個麥克納姆的轉速、轉向，即可實現車的直行、橫移、斜行、原地旋轉、各種連續曲線的移動。運動靈活，通過位置伺服進行細微調整可實現精確定位和軌跡控制。

作為平面高精度移動設備可運用于航空航天、船舶、工程機械、倉儲物流、科研教學等等眾多領域。如KUKA公司推出的全向移動平臺omniMove、上海匯聚自動化科技有限公司的HJ575-H8d。國內部分院校及研究單位正在進行麥克納姆輪機器人及相關設備的研究。目前，較為熱門的方向為倉儲物流，如亞馬遜倉庫機器人Kiva，其特點為體積小、載重能力強。

由于麥克納姆輪的自身結構特點，為達到高精度軌跡控制和精確定位需對將麥克納姆輪與平臺車架之間的懸架系統進行研究，降低因麥克納姆輪自身結構的影響。

2 麥克納姆輪結構

麥克納姆輪由若干個輥子、輪轂、支撐芯、軸承、螺栓螺母等組成。

麥克納姆輪與普通輪本質區別在于當輪繞輪軸軸心旋轉過程中，普通輪僅有前進或后退的運動趨勢，而麥克納姆輪在二維x-y平面上擁有x和y的運動趨勢。在三維軟件SolidWorks中容易發現這一特性。輥子在兩側的輪轂夾持的情況下時，輥子可以繞輥子軸心旋轉，同時輥子可以繞輪轂軸心旋轉，麥克納姆輪結構爆炸視圖如圖1所示。由于單個麥克納姆輪的運動方向不確定性，所以在多個麥克納姆輪按照一定排列順序以及單獨控制每個麥克納姆輪的轉向、轉速即可使由麥克納姆輪組成的移動平臺達到全向移動的能力。

3 懸架系統設計

3.1 懸架系統結構分析

麥克納姆輪的輪緣是不連續的環面， 由一系列不連續的斜置被動輥子包絡形成，這若干個在被動棍子在輪轂帶動下，與地面發生依次接觸。不連續的輥子導致麥克納姆輪運動時產生垂直方向振動，這些意外的振動會減少定位精度，以及整體平穩性。為保證四輪全向移動平臺移動的四輪輸出均能得到有效利用，則需至少在一個輪上進行懸掛，保證四輪同時著地。為減緩由于麥克納姆輪自身結構產生垂直振動，最優方式為四輪均安裝獨立懸掛。

麥克納姆輪由于其輪緣是不連續環面，在運動過程中通常只有一個到兩個輥子與被動地面接觸，從圖2（b）可以發現當麥克納姆輪稍微向輪殼一側傾斜的話，麥克納姆將會受力將會集中在傾斜一側的輥子上，當懸掛方式為這種情況的話，麥克納姆輪輥子將會出現輥子磨損不一致、輪轂受力不均勻，極大減短麥克納姆輪的壽命。麥克納姆輪的輪轂一旦變形意味著麥克納姆輪報廢，這極大增加使用成本，綜上來說麥克納姆輪懸掛系統應盡可能保持麥克納姆輪垂直于地面。

懸掛的形式大致可以分為兩種：

（1）繞輪軸外一點為鉸接點進行懸掛如圖3（a）。

（2）垂直于輪軸的平面上的一點鉸接進行懸掛如圖3（b）。

3.2 懸架結構方案對比分析

由麥克納姆輪組成的全向移動平臺多用于倉庫物流、工程機 械科研教學等眾多領域。其相應的移動平臺應盡可能設計尺寸矮、載重能力強。這有利于裝載或卸載物品，同時，尺寸較小的全向移動平臺能節約倉庫的設計生產成本，同時提高了安全性。

由于麥克納姆輪不同于普通輪，其結構的獨特性，導致它只需要控制全向移動平臺上輪轂的轉速和轉向，進行復合運動即可完成全向移動，所以在這一方面，麥克納姆輪懸架系統并不需要轉向機構，只需全程關注于如何使麥克納姆輪垂直于地面的問題。這樣極大的簡化懸架系統的結構，可以減去轉向機構。同時，當全向移動平臺在橫向或斜線移動時，由于車速較為低速，出于安全以及慣性的考慮，可以忽略側傾的發生。

3.3 確定懸架結構方案

（1）四輪全向輪平臺的設計尺寸較小，在選取懸架結構形式時，應盡量選取結構較緊湊、尺寸較小的懸架結構形式。

（2）盡量保持麥克納姆輪垂直，減緩被動輥子損耗。

由此可以確定懸架結構從結構簡便性以及減緩麥克納姆輪磨損的應選用能使每個麥克納姆輪垂直于地面進行跳動的懸掛，即垂直于輪軸的平面上的一點進行鉸接進行懸掛。