麥克納姆輪與平整輪自動切換裝置

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

但是，我也發現了兩個問題：麥克納姆輪必須在較平整的地面工作；在進行長距離的直線移動時，其不如傳統的平整輪方便。能否設計一種切換裝置，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”等關鍵詞在網上搜索，查詢到“一種麥克納姆輪全向移動機器人”“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、底盤和幫扶機器人”等發明專利，這說明我國已有較多對麥克納姆輪的應用，但目前尚未發現能讓麥克納姆輪與平整輪實現自由切換的裝置。

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

一、設計思路

我的設計主要集中在麥克納姆輪排列、可變大小輪轂、連桿機械結構、驅動電路、控制模塊等。裝置中的麥克納姆輪、主輪、特殊結構輪轂連桿等零件經3D打印制成。主控模塊采用Arduino進行編程實現。

二、模塊設計

（一）麥克納姆主輪設計

在主輪上排列12個麥克納姆小輪，與主輪成45°夾角。

（二）傳統平整輪轂

傳統平整輪轂由4個扇形環組成，收縮時構成圓環，輪轂高度低于麥克納姆輪。張開時，兩側輪轂交錯90°伸出，高于麥克納姆輪，進入傳統平整輪的工作狀態。

（三）連桿結構

分布在中間圓形輪轂上的4根連桿與傳統平整輪轂相連，通過電機控制中間圓形輪轂的轉動，即可控制傳統平整輪轂進行伸縮。

（四）電路電氣連接設計

安裝一個4路電滑環來解決舵機（3根控制線）的電氣連接問題，實現無限旋轉運動，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：樹脂材料制作的結構件若干，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減速電機一個，Arduino UNO主控及擴展板各一塊，旋鈕電位器一個，撥動開關1個，7.4 V鋰電池一個，8.4 V充電器一個，4路電滑環一個，MG996R舵機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，否則會出現器材無法被固定等情況。

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

通過控制開關實現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，并記錄實驗數據。

（三）實驗記錄

（四）實驗結論

通過內置的連桿結構，配合舵機的精準程序控制，可實現最大175°的轉動角度和最小精度為2°的旋轉角度控制。通過連桿結構可以實現最大20 mm的直線伸縮行程，完全滿足我的設計要求。

同時，配上我制作的分體外圈輪轂設計，就可實現外圈形狀從近似175 mm至標準195 mm正圓的變化。

五、總結反思

整套裝置實現了麥克納姆輪與平整輪的自由切換，充分發揮了不同輪胎的優勢，使其能適應更多工作環境。在就地旋轉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，增強運動過程的平穩性。

本發明作品側重結構原型的實現，在載荷能力和電機驅動方面適合輕型負荷。本原型設計作品采用的電機是實驗室級別的電機，結構材質采用3D打印的樹脂材質，在承重能力方面有待改進。以后可使用大扭矩的電機，采用鋼質材料結構，增加定位自鎖裝置，以便提升系統的載荷能力。

在工業場景的實際應用中，可選用大扭矩、帶自鎖裝置的電機以及柔性材料來滿足日益苛刻的環境要求。此項發明成果還可以應用在分揀轉運等行業中。

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

專家點評

劉錦同學的麥克納姆輪與平整輪自動切換裝置，是一項典型的發明項目。這個作品的完成，其一，體現了發明人具有批判性思維，善于發現問題、分析問題，并具有依據原有事物的不足提出如何解決問題的創新意識。其二，體現了發明人具有較強的創新設計能力。劉錦同學通過麥克納姆主輪設計、傳統平整輪轂的應用、連桿結構設計、輪轂支架設計、作品結構設計等，為項目的實施奠定了方向與基礎。其三，體現了發明人具有一定的科研潛質。作品制作過程中的工具與材料、制作與組裝等都準確到位，特別是他還就作品的性能進行了實驗測試，并得出較完整的結論，展現了一個很明晰的科創探索過程。

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新，就是要使同學們的創新追求、責任擔當、批判性思維、跨學科知識與相關新技術的綜合應用、較復雜問題的解決能力得到整體提升，初步養成創新品格。