麦克纳姆轮原理及应用

麦克纳姆轮原理及应用
摘要：麦克纳姆轮是由瑞典麦克纳姆公司的工程师Bengt Erland Ilon于1972发
明的全向轮设计方案，基于麦克纳姆轮技术的全向运动平台可以通过四个车轮的
旋向和速度的独立控制来实现整个平台的前行、横移、斜行、旋转以及上述各种
运动的组合。

本文向读者介绍了这种独特的全向轮设计方案的运动原理，以及它
的典型应用场景和他的优缺点。

关键词：全向平台；麦克纳姆轮；
图 1 经典麦克纳姆轮设计方案
图 2 改进的麦克纳姆轮设计方案
麦克纳姆轮是发明家Bengt Erland Ilon于1972获得美国专利的全向轮设计方案，当时他是瑞典麦克纳姆公司的一名工程师，故该全向轮又称为麦克纳姆轮（Mecanum wheel），有时也称Ilong轮（Ilon wheel），该车轮基于如下构想：
在车轮轮毂外缘上固定有与轴心成45°的自由滚子，这些自由滚子的母线很特殊，当轮子绕着固定的轮心轴转动时，各个自由滚子的包络线为圆柱面，进而保证该
轮能够连续地向前滚动。

车轮旋转时这些与轮毂成45°排列的自由滚子与地面接触，地面会给予车轮与转轴45°的摩擦力，此摩擦力可分为X分量与Y分量，车
轮在旋转是会把一部分的车轮驱动力转化到车轮的法向上面。

依靠各自机轮的方
向和速度，这些力最终合成到任何要求的方向上产生一个合力矢量，从而保证了
这个平台在最终的合力矢量的方向上能自由地移动，而不需改变机轮自身的方向。

进而实现整个车体的任意自由方向的移动。

通常情况下一台麦克纳姆轮全向平台
配备四个麦克纳姆轮，两个A轮和两个B轮。

A轮和B轮上安装有自由滚子，自
由滚子与轮毂轴间的夹角可以是任意值，但常用的应用这个值为45°，这些分别
位于A轮和B轮上的自由滚子的旋向相反，运动时，驱动控制器通过交替分别控
制各个位置的A轮或B轮的运行方向和速度即可以实现基于麦克纳姆轮技术的全
方位运动平台的前行、横移、斜行、旋转以及上述各种运动的组合。

麦克纳姆轮
最初开发出来以后被用于航空母舰上，用于在狭小的空间内运输物资。

后来逐步
在民用工商业领域推广，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或其他空间紧张的应用环境，在提高工作
效率、增加有限空间利用率以及降低人力成本方面具有明显的效果。

最初设计的麦克纳姆轮设计如图1所示，该设计的麦克纳姆轮自由滚子采用
两端固定支撑，在相同尺寸的轮毂上可以实现较高的负载能力，但它也有一个缺点，即当车轮遇到路面不平整时，车轮上自由滚子两侧的转轴固定处易与路面凸
起的地方接触，造成自由滚子与地面接触不良的情形。

为了改善该设计的麦克纳
姆轮的通过能力和道路适应能力，对麦克纳姆轮的自由滚子的固定方式做了些改良，由旧式自由滚子两侧固定支撑改为中间悬臂支撑，使得自由滚子不容易碰触
到道路面凸起处。

从而大大提高了麦克纳姆轮的适应性，但也付出了承载能力下
降的代价。

麦克纳姆轮固然有着运动自由灵活的突出优点，但它的缺点也很明显，如前
所述，这是由其自身结构特点决定的，由于自由滚子的存在导致轮毂的设计复杂，且轮轴尺寸小，整个轮子的承载能力下降，另外由于为保证麦克纳姆轮能够连续
地向前滚动，需将自由滚子的外包络线为设计为圆柱面，这就必然导致自由滚子
表面曲线复杂，且存在接合区域，这在实际应用中就导致平台运行中的震动颠簸现象，故基于麦克纳姆轮的全向平台和设备其设计运行速度都较慢，这些都限制了他的进一步应用。

同时四个轮子的独立驱动要求驱动系统和控制系统的设计均复杂和困难得多。

综上所述，希望通过我对麦克纳姆轮的介绍，使您对麦克纳姆轮的应用有了更多的了解。

同时，也希望广大工程师朋友们一起在麦克纳姆轮的应用上开动脑筋，大力创新和拓展他的应用场景。

为我们国家的现代化建设贡献力量。

参考文献：
[1]运输机械设计选用手册．化学工业出版社.1999．
[2]王知行、刘廷荣.机械原理.高等教育出版社.2000
[3]陈铁鸣.机械设计.哈尔滨工业大学出版社.1998.。