Proceedings VCM 2012 13 thiết kế và chế tạo bánh xe mecanum cho xe nâng

Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 83


VCM2012
Thiết Kế và Chế Tạo Bánh Xe Mecanum cho Xe Nâng
Design and Fabrication of Mecanum Wheel for ForkLift
KS Trần Đình Phúc
1
, PGS.TS Đặng Văn Nghìn
2
,
KS Nguyễn T. Hải
2
, Ths Phạm X. Lộc
2


1Khoa Cơ Khí, Đại Học Bách Khoa, Đại Học Quốc Gia TP. HCM. Việt Nam
Email:
2
Viện Cơ Học Và Tin Học Ứng Dụng TP.HCM, Việt Nam
Website:

Tóm Tắt
Bài báo này giới thiệu các đặc điểm, lịch sử phát triển, tính ưu việt và phạm vi ứng dụng của bánh xe
Mecanum. Bên cạnh đó, nội dung chính của bài báo là trình bày phương pháp tính toán thiết kế biên dạng con
lăn bánh xe Mecanum và kết cấu bánh Mecanum dùng cho xe nâng. Đồng thời bài báo còn trình bày kết quả
thiết kế chế tạo và phương pháp tính toán kiểm nghiệm điều kiện, giới hạn hình học của con lăn Mecanum
nhằm đạt yêu cầu về tải trọng và không gian làm việc.
Abstract
In this paper, a literature review concerning some aspects of the Mecanum wheeled Vehicles such as the

brief introduction, development history, some advantages and practical applications in various fields is
presented. Besides, the main content of this paper is that we present the methods of design profile of
Mecanum rollers and the mechanical wheeled structure for Omni-directional ForkLift Vehicles that we
fabricated. We also implement some results and calculation methods for inspecting the limitation geometry of
rollers to get the achievement for work space requirements and loading capacity.
Keywords: Omni-directional Vehicle, Mecanum Wheel, Airtraxlift Vehicle.

1. Giới Thiệu
Việc định hướng, di chuyển một chiếc xe nâng
qua một không gian chật hẹp, hạn chế là một việc
khá phức tạp và khó khăn. Một giải pháp cho vấn
đề này đó là việc phát triển những loại xe có khả
năng di chuyển trực tiếp sang một bên, được biết
đến với tên gọi một chiếc xe đa hướng. Những
loại xe mang kết cấu bánh xe đa hướng linh hoạt
này, chúng được ứng dụng cho nhiều lĩnh vực
như công nghiệp, quân sự, quốc phòng, dịch vụ
sinh hoạt, y tế cộng đồng… Doroftei [7] Công ty
công nghệ Omnix đã phát triển loại bánh xe
Mecanum cho quân đội Mỹ được ứng dụng vào
việc kiểm tra, giám sát ở những nơi mà con người
không thể tiếp xúc được và chúng có khả năng
chịu tải lớn trong các môi trường địa hình quân
đội. Những chiếc xe này đặc biệt có khả năng
thích nghi và tính tự hành linh hoạt cao do chúng
có tính cơ động rất cao và vận hành đơn giản.
Bởi đặc tính linh hoạt của loại bánh xe này mà
người ta đã ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực
như robot, trong các ngành công nghiệp, quân đội
quốc phòng, dịch vụ đời sống và một số lĩnh vực

chuyên dụng khác từ nhiều năm nay. Với ý tưởng
bánh xe đa hướng, nhóm nghiên cứu thuộc trung
tâm hàng không quân đội NAWC đã ứng dụng
thuật toán xây dựng biên dạng con lăn Mecanum
và đã chế tạo thành công mô hình robot [4].
Những loại bánh xe đa hướng linh hoạt này khá
phổ biến trong lĩnh vực robot. Robot đa hướng
này có thể di chuyển thẳng đến mục tiêu đồng
thời thực hiện động tác quay vòng một cách chính
xác. Các loại bánh xe đa hướng này còn được
dùng trong các loại xe lăn, các loại dịch xe tải
hàng trong sân bay hay nhiều ứng dụng khác.
Một nghiên cứu khác của nhóm sinh viên thuộc
trường đại học Postech, Hàn Quốc thực hiện và
ứng dụng loại bánh xe Mecanum này cho xe lăn
hỗ trợ người tàn tật Han [6]. Với đặc điểm linh
hoạt đa hướng, chiếc xe này giúp cho người tàn
tật có khả năng sử dụng và điều khiển chiếc xe
một cách đơn giản và hiệu quả.
Nhìn chung trên thị trường hiện nay chỉ thương
mại hóa những loại bánh xe đa hướng cỡ nhỏ, giá
thành tương đối cao. Chẳng hạn như sản phẩm
của hãng AndyMark kích thước đường kính bánh
84 Trần Đình Phúc, Đặng Văn Nghìn, Nguyễn T. Hải, Ths Phạm X. Lộc


Mã bài: 24
200mm, giá thành lên tới 3000 đô la mỹ mà khả
năng tải lại rất thấp. Với yêu cầu thiết kế xe nâng
tải trọng nặng lên tới 1 tấn, đường kính bánh xe

lên tới 600mm, thì trên thị trường hiện không có
sẵn. Do đó, việc thiết kế chế tạo loại bánh xe đa
hướng Mecanum cỡ lớn, có khả năng tải cao rất
được quan tâm hiện nay.

2. Tính toán thiết kế
2.1 Một số dạng kết cấu bánh Mecanum
Bánh xe Mecanum cấu tạo gồm các con lăn tự do
gắn trên một Hub hay mâm, cũng giống như loại
Omni, nhưng các con lăn này được sắp xếp theo
một góc lệch 45
0
so với đường biên ngoại vi của
đùm trục. Các con lăn này được thiết kế theo một
biên dạng tang trống, và được bố trí trên đường
tròn ngoại vi bánh xe theo biên dạng tròn đều.
H.1

H. 1: Bánh xe Mecanum
Với việc bố trí lắp đặt 4 bánh xe Mecanum trên
các góc của khung xe chữ nhật, chuyển động đa
hướng sẽ được hình thành. Dạng thiết kế này
tương đối phức tạp hơn so với loại Omni khác bởi
các con lăn được bố trí theo một góc lệch nhất
định, tuy nhiên lợi điểm lớn nhất đó là khả năng
tải của loại bánh xe này tăng lên đáng kể do sự
tiếp xúc với bề mặt nền đường trơn tru và ít dao
động hơn.
Bên cạnh đó còn có một số dạng bánh kết cấu
bánh xe Mecanum khác nhau. Nhưng nhìn chung

chúng có điểm chung đó chính là có các con lăn
sắp xếp theo một góc lệch 45
0
so với đường biên
ngoại vi của đùm trục, có dạng tange trống và bố
trí trên ngoại vi theo biên dạng kết hợp tròn đều
như bánh xe thông thường. H. 2 biểu diễn các con
lăn được bố trí dạng 2 đầu là các dùm trục đặc
được gia công bằng máy CNC. Ngoài ra các con
lăn còn được thiết kế theo dạng công xôn 2 đầu
(H. 3). Và một dạng đặc biệt khác đó chính là các
dùm trục được gia công bằng phương pháp gia
công áp lực, tức là các đùm được dập hàng loạt và
loại bánh này đã được thương mại hóa H. 4

H. 2: Các con lăn được bố trí dạng 2 đầu là các
đùm trục

H. 3: Các con lăn được bố trí dạng conson

H. 4: Sản phẩm dạng dập đã được thương mại
hóa
2.2 Tính toán thiết kế
Với yêu cầu về tải trọng, đặc điểm đa hướng linh
hoạt, ưu việt và phạm vi ứng dụng của xe nâng
đa hướng trên (H. 5). Trong phần này chúng tôi
xin trình bày phương pháp thiết kế biên dạng con
lăn Mecanum và kết cấu bánh xe.

H. 5: Bản vẽ 3D xe nâng đa hướng.

Các con lăn (H. 2) được xây dựng dựa trên biên
dạng tròn của bánh xe khi chúng ta vát một hình
lăng trụ tròn với đường kính dựa trên đường kính
ngoài của bánh xe [3]. Mặt phẳng vát nghiêng
một góc γ = 45
0


H. 6: Nguyên lý tạo hình biên dạng con lăn
Mecanum
Bánh xe Mecanum kết cấu gồm những con lăn
sắp xếp theo một góc lệch nhất định so với trục
của bánh xe. H.7a với góc lệch η biểu diễn hình
chiếu cạnh của bánh trong mặt phẳng tọa độ Oxy.
H.7b biểu diễn hình chiếu của bánh xe trong mặt
phẳng Oyz
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 85


VCM2012

H. 7: Vị trí các con lăn Mecanum
Đặt OX là trục nằm trong mặt phẳng OXY lệch
một góc η so với trục Ox, khi đó OX chính trục
của các con lăn, hình 8b: biên dạng bánh xe, và
Hình 8c: biên dạng của con lăn với cách sắp xếp
lệch theo trục.

H. 8: Biên dạng bánh xe được xác định trên trục
tọa độ

Biên dạng con lăn thỏa: + = 1 (1)

H. 9: Thông số hình học của bánh xe Mecanum
Đặt L: Chiều dài mỗi con lăn
R
wheel
: bán kính bánh xe
R
Rim
: Bán kính tính từ tâm bánh đến con lăn.
r
rol
: Bán kính lớn nhất của con lăn.
η: Góc lệch con lăn văn trục chính bánh xe
θ: Góc chia của mỗi con lăn trên bánh xe.
θ
t
: Góc khuất giữa 2 con lăn kế tiếp
Gọi n là số con lăn ta có:
n(θ – θ
t
) =2π θ = + θ
t
(2)
Các thông số bánh xe Mecanum có mối liên hệ
như sau: R
wheel
= R
Rim
+ 2r

rol
(4)
(3)

H. 10: Quan hệ giữa các thông số
Gọi d là bán kính con lăn theo trục đường kính
bánh xe, ta có quan hệ:
dcos η + R
wheel
- r
rol
=
Suy ra
Với A = (cos
2
η + sin
4
η); B = 2(R
wheel
- r
rol
) ;
C = (r
rol
– 2R
wheel
) r
rol
Đặt D = R
wheel

- r
rol
= ;
F = R
wheel
– r
rol
= R
Rim
+ r
rol

G = 2R
Rim
+ 3r
rol
Rút ra:
Điều kiện giá trị L trong khoảng:

Với dữ liệu đầu vào:
- Bán kính từ tâm bánh xe đến con lăn R
Rim
=
200mm
- Góc lệch của con lăn với trục bánh xe: η =
45
0

- Số cặp con lăn cho trước là n =6 cặp
- Góc khuất giữa 2 con lăn kế tiếp: θ

t
= 15
0

- Giá trị bán kính con lăn r
rol
theo (4) và (12)
có thể chọn :[24;49] ở đây ta chọn r
rol
=
45mm.
Từ đó ta suy ra các kết quả:
- D
wheel
= 340mm
- R
Rim
= 250mm
- r
rol
= 45mm


- L = 210mm

2.3 Kết cấu bánh xe Mecanum
Kết cấu bánh xe Mecanum gồm những bộ phận
chính như sau: con lăn Mecanum, trục con lăn,
cánh, mâm bánh
Con lăn Mecanum được chế tạo bằng phương

pháp gia công đặc biệt, dùng máy tính lập trình
đường chạy dao theo quỹ đạo của một cung elip,
với thông số hình học theo (1) và gia công trên
86 Trần Đình Phúc, Đặng Văn Nghìn, Nguyễn T. Hải, Ths Phạm X. Lộc


Mã bài: 24
máy tiện CNC nhằm đảm bảo độ chính xác gia
công cao. Vật liệu của con lăn Mecanum là nhựa
POM, bề mặt con lăn được phủ một lớp vật liệu
đặc biệt nhằm đảm bảo khả năng chịu tải của xe
nâng. Trong phần bài báo này, kết cấu bánh sẽ
gồm 6 cặp con lăn H. 11 được lắp trên 6 trục con
lăn.

H. 11: Con lăn Mecanum
Trục con lăn Mecanum được chế tạo từ vật liệu
thép C45 trên máy tiện. Trục chứa nhiều bậc, yêu
cầu về độ đảo, độ đối xứng cao, do đó để đạt
được độ chính xác, trục này được chế tạo trên
máy tiện CNC. Bên cạnh đó, nhằm đảo bảo độ bề
khi hoạt động, trục được gia công nhiệt luyện bề
mặt. Trục này sẽ được lắp 4 ổ bi đỡ cùng với 1
cặp con lăn Mecanum H.12.

H.12: Trục con lăn Mecanum
Mâm bánh cũng được chế tạo trên máy phay
CNC nhằm đạt độ chính xác cao. Mâm bánh được
phay 6 mặt vát, trên mỗi mặt vát được gia công 4
lỗ vít và 2 chốt định vị. Mâm được gia công lỗ

tâm để lắp với trục bánh xe. Bên cạnh đó, các
cạnh mâm và 2 mặt bên mâm bánh sẽ được vát
mép nhằm giảm trọng lượng của bánh xe như H.
13.

H.13 : Mâm bánh (Hub)
Cánh con lăn Mecanum được chế tạo từ vật liệu
thép C45 bằng phương pháp phay trên máy phay
CNC. Cánh gồm 2 chi tiết chính lắp ghép, chi tiết
thứ nhất được gia công rãnh để gài then của trục
con lăn Mecanum. Chi tiết thứ hai đó chính là đế
cánh, được gia công rãnh, 2 lỗ vít để lắp chi tiết
thứ nhất và 2 lỗ vít để lắp toàn bộ cánh với mâm
bánh. Đồng thời các các chi tiết này được vát
cạnh nhằm giảm trọng lượng bánh xe. Phần chi
tiết gắn với mâm bánh được gia công 4 lỗ vít như
H.14

H.14 : Cánh bánh xe Mecanum
Và các cặp con lăn sẽ được lắp vào sau cùng tạo
thành bánh xe Mecanum hoàn chỉnh H.15.

H. 15: Bản vẽ lắp bánh xe Mecanum
3. Kết quả đạt được
Chúng tôi đã thiết kế và chế tạo bánh xe
Mecanum dùng cho xe nâng và kết quả thông số
bánh xe như sau:
- Đường kính bánh xe Mecanum:
D = 2R
wheel

= 340mm
- Chiều dài con lăn:
- Đường kính con lăn: d
rol
= 90mm


- Góc chia:
- Số con lăn:

H. 16: Kết quả thiết kế H.17: Kết quả chế tạo
4. Kết Luận và Hướng Phát Triển
Trên đây chúng tôi đã trình bày tổng quan về
bánh xe Mecanum, đồng thời trình bày đường lối
thiết kế, kết cấu và kết quả thiết kế chế tạo bánh
xe Mecanum. Qua đó cho thấy được hướng phát
triển đó chính là việc tính toán thiết kế, cải tiến
biên dạng, tối ưu hóa kết cấu và mô phỏng hoạt
động rất được quan tâm do độ phức tạp về hình
học cũng như kết cấu của loại bánh xe này. Với
khả năng đa hướng linh hoạt của loại xe nâng
này, chúng có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh
vực như sắp xếp lưu kho bãi trong các nhà máy
hiện đại, ứng dụng trong quốc phòng an ninh, dân
dụng…
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 87


VCM2012
5. Tài Liệu Tham Khảo

[1] Andrew McCandless, Design and
Construction of a Robot Vehicle Chassis,
Faculty of Engineering, Computing and
Mathematics, The University of Western
Australia, Australia, 2001
[2] Benjamin Woods, Omni-Directional
Wheelchair, Honours Thesis, Faculty of
Engineering, Computing and Mathematics,
The University of Western Australia,
Australia, p86, 2006
[3] Ioan Doroftei, Omnidirectional Mobile
Robot – Design and Implementation, Victor
Grosu and Veaceslav Spinu “Gh. Asachi”
Technical University of Iasi, Romania, 2007
[4] Benjamin Yearwood, Omnidirectional
Transport Platform, Naval Air Warfare
Center-Aircraft Div. Lakehurst, USA, 1999
[5] R.P.A. van Haendel, Design of an
Omnidirectional Universal Mobile Platform,
DCT.117, Eindhoven University of
Technology- National University of
Singapore, 2005
[6] Kyung-Lyong Han, Design and Control of
Omni-Directional Mobile Robot for Mobile
Haptic Interface-International Conference
on Control, Automation and Systems 2008
Oct. 14-17, 2008 in COEX, Seoul, Korea,
2008
[7] Ioan Doroftei, Practical Applications for
Mobile Robots based on Mecanum Wheels -

a Systematic Survey, Technical University of
Iasi, 61-63, 700050, Iasi, Romania, 2011