麦克纳姆轮与平整轮自动切换装置

◆北京市第八十中学 刘锦

我在一次参观机器人技术展览时，观察到一些机器人的移动装置采用的是麦克纳姆轮。在特定的工作环境中，麦克纳姆轮的设计为机器人原地转向和平移提供了便利。

但是，我也发现了两个问题：麦克纳姆轮必须在较平整的地面工作；在进行长距离的直线移动时，其不如传统的平整轮方便。能否设计一种切换装置，让胎面在麦克纳姆轮与平整轮之间自由切换呢？

我输入“麦克纳姆轮”“麦克纳姆轮切换装置”“可变大小轮毂”“轮胎切换装置”等关键词在网上搜索，查询到“一种麦克纳姆轮全向移动机器人”“麦克纳姆轮车以及运行方法”“麦克纳姆轮、具有减震装置的麦克纳姆轮、底盘和帮扶机器人”等发明专利，这说明我国已有较多对麦克纳姆轮的应用，但目前尚未发现能让麦克纳姆轮与平整轮实现自由切换的装置。

浏览网页时，我看到了一种可通过旋转开合实现桌面大小变化的圆桌。这种设计给了我很大启发，我想通过旋转开合装置将可伸缩的轮毂与麦克纳姆轮组合，实现麦克纳姆轮与平整轮之间的自由切换。

一、设计思路

我的设计主要集中在麦克纳姆轮排列、可变大小轮毂、连杆机械结构、驱动电路、控制模块等。装置中的麦克纳姆轮、主轮、特殊结构轮毂连杆等零件经3D打印制成。主控模块采用Arduino进行编程实现。

图1 麦克纳姆轮与传统轮工况切换原理图

二、模块设计

（一）麦克纳姆主轮设计

在主轮上排列12个麦克纳姆小轮，与主轮成45°夹角。

图2 麦克纳姆主轮设计图

（二）传统平整轮毂

传统平整轮毂由4个扇形环组成，收缩时构成圆环，轮毂高度低于麦克纳姆轮。张开时，两侧轮毂交错90°伸出，高于麦克纳姆轮，进入传统平整轮的工作状态。

图3 传统平整轮毂效果图

（三）连杆结构

分布在中间圆形轮毂上的4根连杆与传统平整轮毂相连，通过电机控制中间圆形轮毂的转动，即可控制传统平整轮毂进行伸缩。

图4 连杆结构示意图

（四）电路电气连接设计

安装一个4路电滑环来解决舵机（3根控制线）的电气连接问题，实现无限旋转运动，还能增加使用寿命，同时兼顾平顺性的要求。

三、制作过程

（一）工具与材料

使用的工具：斜口剪线钳、剥线钳、锉刀、电钻、300 W电烙铁、万用表、十字螺丝刀、电脑等。

使用的材料：树脂材料制作的结构件若干，10 mm长M3自攻螺丝若干，各种型号线材若干，各种型号热缩管若干，25减速电机一个，Arduino UNO主控及扩展板各一块，旋钮电位器一个，拨动开关1个，7.4 V锂电池一个，8.4 V充电器一个，4路电滑环一个，MG996R舵机一个及配套舵盘一个。

（二）制作过程

组装时完全依照电脑软件截图分步完成。注意不能打乱顺序，否则会出现器材无法被固定等情况。

图5 实物图

四、实验测试

（一）目的

测试连杆控制下，外圈轮毂的最大伸缩量。

（二）过程

通过控制开关实现对外圈轮毂伸缩的控制。用卡尺测量伸缩行程、最大及最小外圈直径，并记录实验数据。

（三）实验记录

外圈轮毂伸缩量实验数据

（四）实验结论

通过内置的连杆结构，配合舵机的精准程序控制，可实现最大175°的转动角度和最小精度为2°的旋转角度控制。通过连杆结构可以实现最大20 mm的直线伸缩行程，完全满足我的设计要求。

同时，配上我制作的分体外圈轮毂设计，就可实现外圈形状从近似175 mm至标准195 mm正圆的变化。

图6 最小外圈轮毂造型实现麦克纳姆轮运动形态

图7 最大外圈轮毂造型配合对侧互补外圈轮毂实现平整轮设计

五、总结反思

整套装置实现了麦克纳姆轮与平整轮的自由切换，充分发挥了不同轮胎的优势，使其能适应更多工作环境。在就地旋转和全向移动等情况下，可采用麦克纳姆轮模式。在需长距离转场的情况下，可采用平整轮模式，减少对麦克纳姆小轮的磨损，增强运动过程的平稳性。

本发明作品侧重结构原型的实现，在载荷能力和电机驱动方面适合轻型负荷。本原型设计作品采用的电机是实验室级别的电机，结构材质采用3D打印的树脂材质，在承重能力方面有待改进。以后可使用大扭矩的电机，采用钢质材料结构，增加定位自锁装置，以便提升系统的载荷能力。

在工业场景的实际应用中，可选用大扭矩、带自锁装置的电机以及柔性材料来满足日益苛刻的环境要求。此项发明成果还可以应用在分拣转运等行业中。

在发明该作品的过程中，北京市第八十中学何斌老师和校外的徐波老师给予了我较大的帮助和支持，在此表达感谢，同时感谢北京市第八十中学为我提供了较好的科研平台。

（指导老师：何斌 徐波）

专家点评

刘锦同学的麦克纳姆轮与平整轮自动切换装置，是一项典型的发明项目。这个作品的完成，其一，体现了发明人具有批判性思维，善于发现问题、分析问题，并具有依据原有事物的不足提出如何解决问题的创新意识。其二，体现了发明人具有较强的创新设计能力。刘锦同学通过麦克纳姆主轮设计、传统平整轮毂的应用、连杆结构设计、轮毂支架设计、作品结构设计等，为项目的实施奠定了方向与基础。其三，体现了发明人具有一定的科研潜质。作品制作过程中的工具与材料、制作与组装等都准确到位，特别是他还就作品的性能进行了实验测试，并得出较完整的结论，展现了一个很明晰的科创探索过程。

这个项目的成功带给我们这样的启示：新时代高中阶段的科技创新，就是要使同学们的创新追求、责任担当、批判性思维、跨学科知识与相关新技术的综合应用、较复杂问题的解决能力得到整体提升，初步养成创新品格。