能向任意方向行駛，國(guó)外博主用3D打印部件制造全向自行車(chē)

2025年7月28日，南極熊獲悉，英國(guó)工程師兼YouTuber博主詹姆斯·布魯頓（James Bruton）利用3D打印部件、鋁型材和自平衡控制系統(tǒng)，制成了一輛全向自行車(chē)。這款自行車(chē)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是安裝了兩個(gè)呈90度角放置的全向輪，能夠向任意方向行駛，包括直接側(cè)向移動(dòng)。目前，博主已經(jīng)開(kāi)源了這個(gè)項(xiàng)目。



自行車(chē)的底盤(pán)采用4040 T型槽鋁型材制成，通過(guò)傾斜支架和直角支架進(jìn)行連接，前部用于固定復(fù)用的機(jī)器人叉架組件，后部則支撐著皮帶傳動(dòng)的電機(jī)。車(chē)軸支架和傳動(dòng)系統(tǒng)皮帶輪由LulzBot 3D打印機(jī)制造而成。布魯頓使用1.2毫米的噴嘴打印大型結(jié)構(gòu)部件，以加快構(gòu)建速度。結(jié)構(gòu)部件采用了 polymaker 公司的 PolyMax PLA 材料，而電子設(shè)備外殼則使用了 PolyLite Pro 線材。由于打印機(jī)打印床的尺寸限制，后輪輪轂采用膠合板制作。



傳動(dòng)系統(tǒng)包含一個(gè)兩級(jí)皮帶減速系統(tǒng)。第一級(jí)通過(guò)中間皮帶輪實(shí)現(xiàn)3:1的扭矩提升，隨后通過(guò)HTD8型皮帶連接到后輪上的大型最終皮帶輪。后驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由單個(gè)ODrive S1伺服電機(jī)套件提供動(dòng)力。ODrive是一家專(zhuān)注于開(kāi)源電機(jī)控制器的公司，其提供的無(wú)刷電機(jī)和編碼器組件可輸出高達(dá)2千瓦的功率。通過(guò)沿著型材框架滑動(dòng)電機(jī)支架，并使用帶支撐的鋁板加以固定，可調(diào)節(jié)系統(tǒng)的張力。

PID控制器利用BNO086慣性測(cè)量單元的數(shù)據(jù)來(lái)保持平衡。Teensy 4微控制器處理側(cè)傾數(shù)據(jù)，并相應(yīng)地調(diào)節(jié)車(chē)輪扭矩。控制面板上裝有急停按鈕、啟動(dòng)按鈕、電壓監(jiān)視器、微調(diào)裝置和用于方向參考的水平儀。一個(gè)500安培的接觸器用于隔離電機(jī)電源。兩組6S鋰聚合物電池串聯(lián)，為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供50伏電壓，為輔助系統(tǒng)提供12伏電壓。


組裝好的車(chē)架

布魯頓用兩個(gè)三軸操縱桿取代了之前的轉(zhuǎn)把輸入系統(tǒng)。右手操縱桿控制前進(jìn)、后退和側(cè)向移動(dòng)。左手操縱桿控制旋轉(zhuǎn)。模擬信號(hào)通過(guò)一個(gè)可通過(guò)控制旋鈕調(diào)節(jié)的平滑濾波器進(jìn)行處理，使得松開(kāi)操縱桿時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)逐漸減速。布魯頓發(fā)現(xiàn)，該濾波器通過(guò)減緩輸入的突然變化，改善了騎行體驗(yàn)。

操縱桿輸入會(huì)改變PID控制器的設(shè)定點(diǎn)，該設(shè)定點(diǎn)默認(rèn)值為0°，代表直立平衡狀態(tài)。調(diào)整這個(gè)設(shè)定點(diǎn)可以使自行車(chē)在傾斜的同時(shí)移動(dòng)，類(lèi)似于騎手在轉(zhuǎn)彎時(shí)身體傾斜的方式。布魯頓通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行了微調(diào)，增加了積分項(xiàng)，以確保長(zhǎng)時(shí)間的傾斜角度能使電機(jī)反應(yīng)增強(qiáng)。他使用了最小的微分校正，以減少超調(diào)和振蕩。


LulzBot 3D打印機(jī)正在制造零部件

初步測(cè)試表明，僅靠后全向輪就可以穩(wěn)定車(chē)架。當(dāng)兩個(gè)車(chē)輪都啟動(dòng)時(shí)，自行車(chē)能夠?qū)崿F(xiàn)全向移動(dòng)。然而，轉(zhuǎn)向時(shí)暴露出了扭矩不平衡的問(wèn)題。后輪產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力明顯大于較小的前輪。當(dāng)布魯頓嘗試原地旋轉(zhuǎn)時(shí)，底盤(pán)在負(fù)載下發(fā)生傾斜，導(dǎo)致前輪過(guò)度校正，使車(chē)架不穩(wěn)定。為了彌補(bǔ)這一問(wèn)題，他向與預(yù)期轉(zhuǎn)彎方向相反的一側(cè)傾斜，以抵消底盤(pán)的扭矩。

為了簡(jiǎn)化控制，布魯頓將自行車(chē)重新配置為可反向騎行。他將操縱桿接口安裝在后部，并顛倒了操縱桿的映射。這樣一來(lái)，他的體重位于更大的后輪上方，扭矩干擾減小，轉(zhuǎn)向響應(yīng)得到改善�！艾F(xiàn)在我轉(zhuǎn)彎很順利……只需朝著想去的方向傾斜，就能出發(fā)了，”他在調(diào)整控制方式后表示。

盡管在機(jī)械方面取得了成功，但系統(tǒng)仍存在局限性。前輪上的小滾輪需要大電流（即使在無(wú)負(fù)載情況下，50伏電壓下也需要約20安培），這限制了效率。后輪電機(jī)提供的扭矩超過(guò)了前輪所能補(bǔ)償?shù)姆秶�，這限制了高速下的平衡旋轉(zhuǎn)。布魯頓發(fā)現(xiàn)，反向騎行時(shí)控制效果更好，因?yàn)樗�的重心與功率更大的車(chē)輪對(duì)齊。

所有項(xiàng)目文件，包括CAD設(shè)計(jì)和控制固件，都可在GitHub上獲�。�https://github.com/XRobots/TwoOmniWheelBike。