全方位轮综述及聚氨酯轮特点介绍

全方位轮是全方位机器人的核心部件，各式各样结构的全方位轮层出不穷，典型的全方位轮有：MY轮、麦克纳姆轮、连续切换全向轮、球轮、正交轮、万向轮等等。

一、MY轮特点介绍：

1.结构封闭、紧凑，由于差动结构的存在，MY 轮是 4 个锥形轮的组合，4 个锥形轮构成封闭式结构，降低了机器人运动受阻的可能性，扩展了 MY 轮机器人的应用空间。

2.承载能力高：MY 轮在结构上彻底将轮的被动轴的受力状态优化，锥轮不仅传递着滚动作用，还将地面的支持力传递给其它锥轮，被动轴之间相互依靠，提高了承载能力。

3.较强的越障能力：多锥形体组合式 MY 轮变开放结构为封闭结构，克服了常规全方位轮越障能力差的缺点．不仅在主驱动方向上能够跨越障碍，也能够实现被动方向的障碍跨越，实现了全方位轮功能上的突破．越障高度可以达到 0.3R。

图1：MY轮在圆周方向和轴线方向的越障

图2：第三代MY聚氨酯轮的组装

二、麦克纳姆轮

麦克纳姆轮是瑞典麦克纳姆公司的专利。这种全方位移动方式是基于中心轮机轮周边许多成角度的周边轮轴把一部分的机轮转向力转化到一个机轮法向力上面。以实现前行、横移、斜行、旋转及其组合等运动方式。

在此基础上研制的全方位叉车及全方位运输平台非常适合转运空间有限、作业通道狭窄的舰船环境，在提高舰船保障效率、增加舰船空间利用率以及降低人力成本方面具有明显的效果。

麦轮的圆形轮廓是通过多个小滚轮的曲线拟合来的，叠加形成了一个近似圆，并且与地面的接触是点接触（汽车轮胎为线接触），行走的时候几个小滚轮交替着地，因此有震动冲击。小滚轮一般是实心橡胶或者聚氨酯，硬度高，厚度薄，变形很小，且不同着地部位变形也不一样，所以震动较大、运行不够平稳、控制难度大。速度越快则冲击越大，一般最多达到1m/s的速度。

另外对地面要求高，麦轮矢量控制，4个轮子的合力决定整车的行走方向，一般4轮控制模型要求轮子都要着地，运行速度较快时，面对地面不平的点接触运行，悬架不易实现，假如只有3轮着地时矢量合成方向是斜的，车辆方向不易控制，并且震动冲击大。

图3：麦克纳姆轮

三、连续切换全向轮

在连续切换全向轮结构中，滚珠运动方向和轮毂自身运动方向成90度的夹角。而麦轮结构中，滚珠运动方向和轮毂自身运动方向是成45度夹角。两种产品的目标都是为了解决在狭小空间内，进行灵活转向移动的功能。均有材料贵、加工贵、装配贵等问题，并且震动和噪声的问题不易解决。

图4：连续切换全向轮及分解图

在使用上，全向轮跟麦轮是有一定差别的。麦轮通常情况下都是成对进行使用，而全向轮是可以独立使用的，另外，麦轮通常连电机，作为驱动轮使用，而全向轮的话，即可以连接电机作为驱动轮使用，也可以作为随动轮使用，以替代万向轮，具有更好的方向与位置可控性。

图5：全向随动轮

最少使用3个全向轮就可以构建一个全向驱动的运动平台。通常状况下，轮子之间以120度的夹角进行摆放安装，通过合成连接在3个不同全向轮上的电机的合力矢量，就可以实现底盘360度的转向与运动。三角形布置和十字形布置均为连续切换轮的典型布置方式。

图6：三角形全向驱动运动平台

四、球轮及正交轮

1. 球轮

球轮由一个滚动球体、一组支撑辊子和一组驱动辊子组成，其中支撑辊子固定在车底盘上，属于被动运动体。驱动辊子固定在一个可以绕球体中心转动的支架上，属于主动运动体。

图7：球轮的结构

由于本身的设计缺陷，球形轮子适合应用在低速、小转矩的场合，目前并没有设计的应用，只停留在实验室阶段。

2. 正交轮

正交轮是由两个形状相同削去球冠的球形轮子固定在一个公共的壳体上构成，当正交轮转动时，轮子各个位置的特性差异较大而导致运动不确定性。目前正交轮以及基于正交轮的移动机器人的研究局限在实验室阶段，并没有实际生产的车体采用正交轮结构。

图8：正交轮的结构

五、聚氨酯万向轮及特点介绍：

Vulkollan聚氨酯弹性体是德国拜耳于上世纪50年代研制的，由聚酯多元醇和1,5–萘二异氰酸酯（NDI）在一定工艺条件下合成预聚体，再与1,4-丁二醇混合发生交联反应制得，调节三种组分的比例可以制成不同性能级别的弹性体材料。Vulkollan聚氨酯弹性体耐磨性能优异，机械承载能力和动态性能极佳，相比其它聚氨酯材料内生热很低，因此以Vulkollan聚氨酯弹性体为胎面材料制作的实心轮胎在物流输送系统、电动叉车和矿山机械等领域得到了广泛的应用，尤其是在以汽车生产线为代表的物流输送系统的应用具有无可取代的地位。

聚氨酯传动轮所具有的优异性能超过通用橡胶传动轮和钢质传动轮，相同尺寸下，聚氨酯实心轮胎的承载能力约为天然橡胶的7倍，使用寿命比一般橡胶轮胎或钢轮长得多，同时稳定性高、生产周期短、生产效率高、制品缺陷少。

聚氨酯轮能广泛应用于各种环境下，其对不同的环境均具有一定的抵抗力，如化学品、溶剂，甚至是水，与尼龙车轮等较硬的车轮相比，聚氨酯轮会偏转并产生更大的占地面积，从而减少地板上的应力集中，提高对地面的防护性。

图9：各种材质及聚氨酯万向轮

由于聚氨酯轮应用环境范围广、载荷要求大、运行时间长等特点，其包胶层受力复杂，较其他部件易损坏。聚氨酯轮在光滑的路面上，可能出现抓地力存在不足，容易发生侧滑，影响支撑的稳定性等情况，并且现有国内的聚氨酯轮大多为一体设置，不便于进行快速的检修更换，降低了聚氨酯轮的环保性。

因此，关于聚氨酯轮的长时间保存和运行也要注意以下要求：

1.聚氨酯由于受化学品，紫外线、潮湿等因素会加速老化，长时间存放时，确保包胶轮平放，胶面不受压，不可接触任何易腐蚀的物质；

2.使用时应避免接触醋酸、酸酸丁酯、丙酮、丁酮等溶剂及强碱，建议环境PH不大于8；

3.定期检查（投入使用后首次检查周期为3个月，后期为6个月）轮子的磨损状况，当发现轮子胶体磨损严重、磨损面不均匀或有开裂，请立即查找原因，更换轮子；

4.胶面磨损至单面包胶厚度的三分之二时就应进行更换；

5.定期清理粘在轮子上油污或缠绕轮子上的异物，如有污染，可用工业酒精擦洗以延长聚氨脂轮的寿命。

图10：损坏的聚氨酯轮表面

图11：损坏的聚氨酯轮内部

近年来我国汽车制造业蓬勃发展，各汽车厂的汽车生产线大量兴建衍生了对Vulkollan聚氨酯轮的大量需求。意大利Tellure rota公司通过研究Vulkollan聚氨酯轮的负载能力、优化设计方案、提高产品使用过程中的可靠性，避免由于聚氨酯轮的失效造成生产停线等经济损失，并有助于减小轮胎尺寸、降低AGV等车辆高度、实现设备轻量化和节约材料成本。

同时，TR公司以其先进的工艺、丰富的型号、轮子的适用性及功能的多样性占据了全球很大部分市场份额。并且针对聚氨酯轮成本高、光滑路面摩擦力不够、磨损等问题提出了多种解决方案。

图12：TR万向轮

图13：TR辊轮

TR轮可以满足国内工业客户输送、物流、运输等多方面应用的轮子需求，并且产品从载荷、工作制、温度、支架、附件、自锁等参数对其TR轮进行了分类归档，方便客户选取型号，同时对部分应用行业例如码垛车、脚手架、垃圾箱、家具等行业进行了型号建议，且支持定制。

图14：TR轮在线选型（https://www.tellurerota.com/en）

Tellure rota公司在中国的代理商江苏亿控智能装备有限公司为客户进行了多个型号的定制化开发，为客户提供完善的技术方案，取得了良好的效果。同时，亿控通过协助TR公司优化其在江苏亿控智能装备海门工厂建立的TR轮仓库库存，成功为多家客户节约成本。

图15：TR轮及支架

六、总结

聚氨酯弹性体具有较好的力学性能，承载负荷能力高，其耐磨性和机械强度是橡胶的数倍，具有非常好的弹性，内生热少、阻尼小、耐油耐腐蚀耐辐射等优点，故广泛用于高动态载荷和连续高速运转传输装备的摩擦驱动装置，如实心轮、托轮、滑轮、齿轮、链轮、摩擦轮等。

与钢轮相比较，聚氨酯轮胎的牵引力得到改进，不伤路面或轨道，噪音较小，适用于各种重型搬运车辆，如推土机、单轨运输车、齿轨车、炼钢厂用清渣车、高架浏览车的驱动轮、重型器械的高承载轮、体育器材的高速高耐磨轮、高速铁路的铺轨车轮等。