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什么是麦克纳姆轮

在竞赛机器人和特殊工种机器人中，全向移动经常是一个必需的功能。「全向移动」意味着可以在平面内做出任意方向平移同时自转的动作。为了实现全向移动，一般机器人会使用「全向轮」（Omni Wheel）或「麦克纳姆轮」（Mecanum Wheel）这两种特殊轮子。

全向轮：

麦克纳姆轮：

全向轮与麦克纳姆轮的共同点在于他们都由两大部分组成：轮毂和辊子（roller）。轮毂是整个轮子的主体支架，辊子则是安装在轮毂上的鼓状物。全向轮的轮毂轴与辊子转轴相互垂直，而麦克纳姆轮的轮毂轴与辊子转轴呈 45° 角。理论上，这个夹角可以是任意值，根据不同的夹角可以制作出不同的轮子，但最常用的还是这两种。

全向轮与麦克纳姆轮（以下简称「麦轮」）在结构、力学特性、运动学特性上都有差异，其本质原因是轮毂轴与辊子转轴的角度不同。经过分析，二者的运动学和力学特性区别可以通过以下表格来体现。

计算过程如下，供参考，学霸可点开大图验算：

近年来，麦轮的应用逐渐增多，特别是在 Robocon、FRC 等机器人赛事上。这是因为麦克纳姆轮可以像传统轮子一样，安装在相互平行的轴上。而若想使用全向轮完成类似的功能，几个轮毂轴之间的角度就必须是 60°，90° 或 120° 等角度，这样的角度生产和制造起来比较麻烦。所以许多工业全向移动平台都是使用麦克纳姆轮而不是全向轮，比如这个国产的叉车： 全向移动平台 麦克纳姆轮叉车 美科斯叉车

另外一个原因，可能是麦轮的造型比全向轮要酷炫得多，看起来有一种不明觉厉的感觉……

的确，第一次看到麦轮运转起来，不少人都会惊叹。以下视频直观地说明了麦轮底盘在平移和旋转时的轮子旋转方向。

麦克纳姆轮工作原理—在线播放—优酷网，视频高清在线观看http://v.youku.com/v_show/id_XMTM2MDk4MzYyMA==.html

麦轮的安装方法

麦轮一般是四个一组使用，两个左旋轮，两个右旋轮。左旋轮和右旋轮呈手性对称，区别如下图。

安装方式有多种，主要分为：X-正方形（X-square）、X-长方形（X-rectangle）、O-正方形（O-square）、O-长方形（O-rectangle）。其中 X 和 O 表示的是与四个轮子地面接触的辊子所形成的图形；正方形与长方形指的是四个轮子与地面接触点所围成的形状。

  • X-正方形：轮子转动产生的力矩会经过同一个点，所以 yaw 轴无法主动旋转，也无法主动保持 yaw 轴的角度。一般几乎不会使用这种安装方式。
  • X-长方形：轮子转动可以产生 yaw 轴转动力矩，但转动力矩的力臂一般会比较短。这种安装方式也不多见。
  • O-正方形：四个轮子位于正方形的四个顶点，平移和旋转都没有任何问题。受限于机器人底盘的形状、尺寸等因素，这种安装方式虽然理想，但可遇而不可求。
  • O-长方形：轮子转动可以产生 yaw 轴转动力矩，而且转动力矩的力臂也比较长。是最常见的安装方式。

麦轮底盘的正逆运动学模型

以O-长方形的安装方式为例，四个轮子的着地点形成一个矩形。正运动学模型（forward kinematic model）将得到一系列公式，让我们可以通过四个轮子的速度，计算出底盘的运动状态；而逆运动学模型（inverse kinematic model）得到的公式则是可以根据底盘的运动状态解算出四个轮子的速度。需要注意的是，底盘的运动可以用三个独立变量来描述：X轴平动、Y轴平动、yaw 轴自转；而四个麦轮的速度也是由四个独立的电机提供的。所以四个麦轮的合理速度是存在某种约束关系的，逆运动学可以得到唯一解，而正运动学中不符合这个约束关系的方程将无解。

先试图构建逆运动学模型，由于麦轮底盘的数学模型比较复杂，我们在此分四步进行：

①将底盘的运动分解为三个独立变量来描述；

②根据第一步的结果，计算出每个轮子轴心位置的速度；

③根据第二步的结果，计算出每个轮子与地面接触的辊子的速度；

④根据第三部的结果，计算出轮子的真实转速。

一、底盘运动的分解

我们知道，刚体在平面内的运动可以分解为三个独立分量：X轴平动、Y轴平动、yaw 轴自转。如下图所示，底盘的运动也可以分解为三个量：

v_{t_x} 表示 X 轴运动的速度，即左右方向，定义向右为正；

v_{t_y} 表示 Y 轴运动的速度，即前后方向，定义向前为正；

\vec{\omega} 表示 yaw 轴自转的角速度，定义逆时针为正。

以上三个量一般都视为四个轮子的几何中心（矩形的对角线交点）的速度。

二、计算出轮子轴心位置的速度

定义：

\vec{r} 为从几何中心指向轮子轴心的矢量；

\vec{v} 为轮子轴心的运动速度矢量；

\vec{v_r} 为轮子轴心沿垂直于 \vec{r} 的方向（即切线方向）的速度分量；

那么可以计算出：

\vec{v}=\vec{v_t}+\vec{\omega} \times \vec{r}

分别计算 X、Y 轴的分量为：

\begin{equation}\begin{cases}v_x=v_{t_x}-\omega \cdot r_y \\v_y=v_{t_y}+\omega \cdot r_x \\\end{cases}\end{equation}

同理可以算出其他三个轮子轴心的速度。

三、计算辊子的速度

根据轮子轴心的速度，可以分解出沿辊子方向的速度 \vec{v_\|} 和垂直于辊子方向的速度 \vec{v_\perp} 。其中 \vec{v_\perp} 是可以无视的（思考题：为什么垂直方向的速度可以无视？），而

\vec{v_\|}=\vec{v} \cdot \hat{u}=(v_x\hat{i}+v_y\hat{j})\cdot(-\frac{1}{\sqrt{2}}\hat{i}+\frac{1}{\sqrt{2}}\hat{j})=-\frac{1}{\sqrt{2}}v_x+\frac{1}{\sqrt{2}}v_y

其中 \hat{u} 是沿辊子方向的单位矢量。

四、计算轮子的速度

从辊子速度到轮子转速的计算比较简单：

v_w=\frac{v_\|}{cos 45^\circ}=\sqrt{2}(-\frac{1}{\sqrt{2}}v_x+\frac{1}{\sqrt{2}}v_y)=-v_x+v_y

根据上图所示的 a 和 b 的定义，有

\begin{equation}\begin{cases}v_x=v_{t_x}+\omega b \\v_y=v_{t_y}-\omega a \\\end{cases}\end{equation}

结合以上四个步骤，可以根据底盘运动状态解算出四个轮子的转速：

\begin{equation}\begin{cases}v_{w_1}=v_{t_y}-v_{t_x}+\omega(a+b) \\v_{w_2}=v_{t_y}+v_{t_x}-\omega(a+b) \\v_{w_3}=v_{t_y}-v_{t_x}-\omega(a+b) \\v_{w_4}=v_{t_y}+v_{t_x}+\omega(a+b) \\\end{cases}\end{equation}

以上方程组就是O-长方形麦轮底盘的逆运动学模型，而正运动学模型可以直接根据逆运动学模型中的三个方程解出来，此处不再赘述。

另一种计算方式

「传统」的推导过程虽然严谨，但还是比较繁琐的。这里介绍一种简单的逆运动学计算方式。

我们知道，全向移动底盘是一个纯线性系统，而刚体运动又可以线性分解为三个分量。那么只需要计算出麦轮底盘在「沿X轴平移」、「沿Y轴平移」、「绕几何中心自转」时，四个轮子的速度，就可以通过简单的加法，计算出这三种简单运动所合成的「平动+旋转」运动时所需要的四个轮子的转速。而这三种简单运动时，四个轮子的速度可以通过简单的测试，或是推动底盘观察现象得出。

当底盘沿着 X 轴平移时：

\begin{equation}\begin{cases}v_{w_1}=-v_{t_x} \\v_{w_2}=+v_{t_x} \\v_{w_3}=-v_{t_x} \\v_{w_4}=+v_{t_x} \\\end{cases}\end{equation}

当底盘沿着 Y 轴平移时：

\begin{equation}\begin{cases}v_{w_1}=v_{t_y} \\v_{w_2}=v_{t_y} \\v_{w_3}=v_{t_y} \\v_{w_4}=v_{t_y} \\\end{cases}\end{equation}

当底盘绕几何中心自转时：

\begin{equation}\begin{cases}v_{w_1}=+\omega(a+b) \\v_{w_2}=-\omega(a+b) \\v_{w_3}=-\omega(a+b) \\v_{w_4}=+\omega(a+b) \\\end{cases}\end{equation}

将以上三个方程组相加，得到的恰好是根据「传统」方法计算出的结果。这种计算方式不仅适用于O-长方形的麦轮底盘，也适用于任何一种全向移动的机器人底盘。