麥克納姆輪與平整輪自動切換裝置

◆北京市第八十中學(xué) 劉錦

我在一次參觀機(jī)器人技術(shù)展覽時，觀察到一些機(jī)器人的移動裝置采用的是麥克納姆輪。在特定的工作環(huán)境中，麥克納姆輪的設(shè)計為機(jī)器人原地轉(zhuǎn)向和平移提供了便利。

但是，我也發(fā)現(xiàn)了兩個問題：麥克納姆輪必須在較平整的地面工作；在進(jìn)行長距離的直線移動時，其不如傳統(tǒng)的平整輪方便。能否設(shè)計一種切換裝置，讓胎面在麥克納姆輪與平整輪之間自由切換呢？

我輸入“麥克納姆輪”“麥克納姆輪切換裝置”“可變大小輪轂”“輪胎切換裝置”等關(guān)鍵詞在網(wǎng)上搜索，查詢到“一種麥克納姆輪全向移動機(jī)器人”“麥克納姆輪車以及運行方法”“麥克納姆輪、具有減震裝置的麥克納姆輪、底盤和幫扶機(jī)器人”等發(fā)明專利，這說明我國已有較多對麥克納姆輪的應(yīng)用，但目前尚未發(fā)現(xiàn)能讓麥克納姆輪與平整輪實現(xiàn)自由切換的裝置。

瀏覽網(wǎng)頁時，我看到了一種可通過旋轉(zhuǎn)開合實現(xiàn)桌面大小變化的圓桌。這種設(shè)計給了我很大啟發(fā)，我想通過旋轉(zhuǎn)開合裝置將可伸縮的輪轂與麥克納姆輪組合，實現(xiàn)麥克納姆輪與平整輪之間的自由切換。

一、設(shè)計思路

我的設(shè)計主要集中在麥克納姆輪排列、可變大小輪轂、連桿機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動電路、控制模塊等。裝置中的麥克納姆輪、主輪、特殊結(jié)構(gòu)輪轂連桿等零件經(jīng)3D打印制成。主控模塊采用Arduino進(jìn)行編程實現(xiàn)。

圖1 麥克納姆輪與傳統(tǒng)輪工況切換原理圖

二、模塊設(shè)計

（一）麥克納姆主輪設(shè)計

在主輪上排列12個麥克納姆小輪，與主輪成45°夾角。

圖2 麥克納姆主輪設(shè)計圖

（二）傳統(tǒng)平整輪轂

傳統(tǒng)平整輪轂由4個扇形環(huán)組成，收縮時構(gòu)成圓環(huán)，輪轂高度低于麥克納姆輪。張開時，兩側(cè)輪轂交錯90°伸出，高于麥克納姆輪，進(jìn)入傳統(tǒng)平整輪的工作狀態(tài)。

圖3 傳統(tǒng)平整輪轂效果圖

（三）連桿結(jié)構(gòu)

分布在中間圓形輪轂上的4根連桿與傳統(tǒng)平整輪轂相連，通過電機(jī)控制中間圓形輪轂的轉(zhuǎn)動，即可控制傳統(tǒng)平整輪轂進(jìn)行伸縮。

圖4 連桿結(jié)構(gòu)示意圖

（四）電路電氣連接設(shè)計

安裝一個4路電滑環(huán)來解決舵機(jī)（3根控制線）的電氣連接問題，實現(xiàn)無限旋轉(zhuǎn)運動，還能增加使用壽命，同時兼顧平順性的要求。

三、制作過程

（一）工具與材料

使用的工具：斜口剪線鉗、剝線鉗、銼刀、電鉆、300 W電烙鐵、萬用表、十字螺絲刀、電腦等。

使用的材料：樹脂材料制作的結(jié)構(gòu)件若干，10 mm長M3自攻螺絲若干，各種型號線材若干，各種型號熱縮管若干，25減速電機(jī)一個，Arduino UNO主控及擴(kuò)展板各一塊，旋鈕電位器一個，撥動開關(guān)1個，7.4 V鋰電池一個，8.4 V充電器一個，4路電滑環(huán)一個，MG996R舵機(jī)一個及配套舵盤一個。

（二）制作過程

組裝時完全依照電腦軟件截圖分步完成。注意不能打亂順序，否則會出現(xiàn)器材無法被固定等情況。

圖5 實物圖

四、實驗測試

（一）目的

測試連桿控制下，外圈輪轂的最大伸縮量。

（二）過程

通過控制開關(guān)實現(xiàn)對外圈輪轂伸縮的控制。用卡尺測量伸縮行程、最大及最小外圈直徑，并記錄實驗數(shù)據(jù)。

（三）實驗記錄

外圈輪轂伸縮量實驗數(shù)據(jù)

（四）實驗結(jié)論

通過內(nèi)置的連桿結(jié)構(gòu)，配合舵機(jī)的精準(zhǔn)程序控制，可實現(xiàn)最大175°的轉(zhuǎn)動角度和最小精度為2°的旋轉(zhuǎn)角度控制。通過連桿結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)最大20 mm的直線伸縮行程，完全滿足我的設(shè)計要求。

同時，配上我制作的分體外圈輪轂設(shè)計，就可實現(xiàn)外圈形狀從近似175 mm至標(biāo)準(zhǔn)195 mm正圓的變化。

圖6 最小外圈輪轂造型實現(xiàn)麥克納姆輪運動形態(tài)

圖7 最大外圈輪轂造型配合對側(cè)互補(bǔ)外圈輪轂實現(xiàn)平整輪設(shè)計

五、總結(jié)反思

整套裝置實現(xiàn)了麥克納姆輪與平整輪的自由切換，充分發(fā)揮了不同輪胎的優(yōu)勢，使其能適應(yīng)更多工作環(huán)境。在就地旋轉(zhuǎn)和全向移動等情況下，可采用麥克納姆輪模式。在需長距離轉(zhuǎn)場的情況下，可采用平整輪模式，減少對麥克納姆小輪的磨損，增強(qiáng)運動過程的平穩(wěn)性。

本發(fā)明作品側(cè)重結(jié)構(gòu)原型的實現(xiàn)，在載荷能力和電機(jī)驅(qū)動方面適合輕型負(fù)荷。本原型設(shè)計作品采用的電機(jī)是實驗室級別的電機(jī)，結(jié)構(gòu)材質(zhì)采用3D打印的樹脂材質(zhì)，在承重能力方面有待改進(jìn)。以后可使用大扭矩的電機(jī)，采用鋼質(zhì)材料結(jié)構(gòu)，增加定位自鎖裝置，以便提升系統(tǒng)的載荷能力。

在工業(yè)場景的實際應(yīng)用中，可選用大扭矩、帶自鎖裝置的電機(jī)以及柔性材料來滿足日益苛刻的環(huán)境要求。此項發(fā)明成果還可以應(yīng)用在分揀轉(zhuǎn)運等行業(yè)中。

在發(fā)明該作品的過程中，北京市第八十中學(xué)何斌老師和校外的徐波老師給予了我較大的幫助和支持，在此表達(dá)感謝，同時感謝北京市第八十中學(xué)為我提供了較好的科研平臺。

（指導(dǎo)老師：何斌 徐波）

專家點評

劉錦同學(xué)的麥克納姆輪與平整輪自動切換裝置，是一項典型的發(fā)明項目。這個作品的完成，其一，體現(xiàn)了發(fā)明人具有批判性思維，善于發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，并具有依據(jù)原有事物的不足提出如何解決問題的創(chuàng)新意識。其二，體現(xiàn)了發(fā)明人具有較強(qiáng)的創(chuàng)新設(shè)計能力。劉錦同學(xué)通過麥克納姆主輪設(shè)計、傳統(tǒng)平整輪轂的應(yīng)用、連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計、輪轂支架設(shè)計、作品結(jié)構(gòu)設(shè)計等，為項目的實施奠定了方向與基礎(chǔ)。其三，體現(xiàn)了發(fā)明人具有一定的科研潛質(zhì)。作品制作過程中的工具與材料、制作與組裝等都準(zhǔn)確到位，特別是他還就作品的性能進(jìn)行了實驗測試，并得出較完整的結(jié)論，展現(xiàn)了一個很明晰的科創(chuàng)探索過程。

這個項目的成功帶給我們這樣的啟示：新時代高中階段的科技創(chuàng)新，就是要使同學(xué)們的創(chuàng)新追求、責(zé)任擔(dān)當(dāng)、批判性思維、跨學(xué)科知識與相關(guān)新技術(shù)的綜合應(yīng)用、較復(fù)雜問題的解決能力得到整體提升，初步養(yǎng)成創(chuàng)新品格。