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作者:盧嘉泓、陳延暐(2010-03-12);推薦:徐業良(2010-03-12)

Mecanum Wheel全向輪平台簡介

本文簡介Mecanum Wheel全向輪平台的原理與應用。

1.     Mecanum Wheel全向輪平台

1973年瑞士發明家Bengt Ilon在名為Mecanum的公司,發明可以任意自由方向移動的平台。他的構想是在車輪外環中固定與軸心成45°的自由滾子(如圖12),這種設計,車輪旋轉時成45°排列的自由滾子與地面接觸,地面會給予車輪與轉軸夾45°的摩擦力,此摩擦力可分為X分量與Y分量,藉由車輪的正反轉或停止,改變XY分量力的方向,可讓平台做各種方式的移動。

但是如圖12所示的Mecanum Wheel有一缺點,當遇到路面不平整時,車輪上自由滾子兩側的轉軸固定處易與路面凸起的地方接觸,造成自由滾子與地面接觸不良的情形,如圖3所示。為了改善上述情形的發生,在Mecanum Wheel自由滾子的固定方式做了些改良,舊式是由旋轉軸兩側固定,而新式改良為中間固定,使得自由滾子可以碰觸到道路面凸起處,如圖45所示。

1. Mecanum Wheel各角視圖[Jefri et al., 2006]

2. Mecanum Wheel照片[Jefri et al., 2006]

3. 傳統Mecanum Wheel在不平坦的地面時示意圖[Olaf et al., 2002]

4. 新式Mecanum Wheel示意圖[Olaf et al., 2002]

5. 新式Mecanum Wheel照片[http://en.wikipedia.org/wiki/Mecanum_wheel]

Mecanum Wheel平台可做全方位的移動但卻不需要很大的旋轉半徑,故常被應用在運輸載具上於空間狹小的倉庫中工作(如圖6),或在家中使用的電動輪椅等(如圖7)。

6. 使用Mecanum Wheel的堆高機[http://en.wikipedia.org/wiki/Mecanum_wheel]

Electric wheel chair
4 individually controlled role wheels with individually steered rollers give this wheel chair an unbelievable mobility in every direction and turns right on the spot.

7. 使用Mecanum Wheel的電動輪椅[http://car.pege.org/2006-ever-monaco/wheel-chair.htm]

2.     Mecanum Wheel平台運動原理

如圖8所示,Mecanum Wheel平台的構成相當特殊,首先一定需要4Mecanum Wheel,其中前二輪一組、後二輪為另一組,同一組Mecanum Wheel的自由滾子呈對稱形式,兩個Mecanum Wheel的自由滾子與車輪軸心夾角一為45°另一為-45°,前二輪和後二輪自由滾子排列的方式也是互相對稱的。

8. Mecanum Wheel四輪擺放方向示意圖(上視圖)

正確的排列Mecanum Wheel方向後,再藉由各車輪正、反轉或停止,便可達成各種方向的控制。如圖9所示,因Mecanum Wheel上的自由滾子與車輪軸心成45°,當車輪轉動時,自由滾子與地面接觸,地面給予車輪的摩擦力方向亦為45°,故行走時摩擦力會出現X軸與Y軸的分量,轉換如式(1)(2)。在4個車輪速度相等的狀況下,控制4個車輪正反轉或停止,即可得到前進後退、左右橫移、原地旋轉、斜向移動等不同運動方式。以下即介紹這4種較常用的運動控制方式。

                  (1)

                    (2)

9. Mecanum Wheel前進時地面給予車輪摩擦力方向示意圖(下視圖)

(1)   前進後退(沿Y軸方向移動)

平台前進時4個車輪皆是向前轉動,後退時則相反,地面給予車輪摩擦力方向,前進如圖9,後退如圖10所示。在的狀況下,X方向的分量皆互相抵銷只留下Y方向的分量,使平台沿Y方向移動。

10. Mecanum Wheel後退時地面給予車輪摩擦力方向示意圖(下視圖)

(2)   橫移(沿正X軸方向移動)

平台橫移時地面給予車輪摩擦力方向,左橫移如圖11,右橫移如圖12所示。左橫移時第一與第四車輪向後轉動,第二與第三車輪向前轉動,右橫移時則相反,在的狀況下,Y方向的分量皆互相抵銷只留下X方向的分量,使平台沿X方向移動。

11. Mecanum Wheel左橫移時地面給予車輪摩擦力方向示意圖(下視圖)

12. Mecanum Wheel右橫移時地面給予車輪摩擦力方向示意圖(下視圖)

(3)   原地旋轉

平台順時針旋轉時第一與第三車輪向前轉動,第二與第四車輪向後轉動,逆時針旋轉時則相反,地面給予車輪摩擦力方向,順時針旋轉如圖13,逆時針旋轉如圖14所示。在的狀況下,Mecanum Wheel平台以自身的重心為圓心,原地旋轉。

13. Mecanum Wheel順時針旋轉時地面給予車輪摩擦力方向示意圖(下視圖)

14. Mecanum Wheel逆時針旋轉時地面給予車輪摩擦力方向示意圖(下視圖)

(4)   斜向移動(沿45°角)

平台左前移動時第一與第四車輪停止不動,第二與第三車輪向前轉動,右後移動時則是向後轉動。右前移動時第二與第三車輪則停止不動,第一與第四車輪向前轉動,左後移動時則是向後轉動,地面給予車輪摩擦力方向,左前與右後移動如圖15,右前與左後移動如圖16所示。在的狀況下,平台沿45°斜向移動。

15. Mecanum Wheel左前與右後移動時地面給予車輪摩擦力方向示意圖(下視圖)

16. Mecanum Wheel右前與左後移動時地面給予車輪摩擦力方向示意圖(下視圖)

參考資料

Jefri, E. M. S., Mohamed, R., Sazali, Y., Abdul, H. A., Mohd, R. M., 2005, “Designing Omni-Directional Mobile Robot with Mecanum Wheel,” American Journal of Applied Sciences , Vol. 5, pp. 1831-1835.

Olaf, D., Aparna, B., Glen, B., Johan, P., Sylvester, T., 2002, “Improved Mecanum Wheel Design for Omni-directional Robots,” Australasian Conference on Robotics and Automation Auckland, pp. 27-29.