能向任意方向行駛，國外博主用3D打印部件制造全向自行車

2025年7月28日，南極熊獲悉，英國工程師兼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。這款自行車的設計特點是安裝了兩個呈90度角放置的全向輪，能夠向任意方向行駛，包括直接側向移動。目前，博主已經(jīng)開源了這個項目。



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



傳動系統(tǒng)包含一個兩級皮帶減速系統(tǒng)。第一級通過中間皮帶輪實現(xiàn)3:1的扭矩提升，隨后通過HTD8型皮帶連接到后輪上的大型最終皮帶輪。后驅動系統(tǒng)由單個ODrive S1伺服電機套件提供動力。ODrive是一家專注于開源電機控制器的公司，其提供的無刷電機和編碼器組件可輸出高達2千瓦的功率。通過沿著型材框架滑動電機支架，并使用帶支撐的鋁板加以固定，可調節(jié)系統(tǒng)的張力。

PID控制器利用BNO086慣性測量單元的數(shù)據(jù)來保持平衡。Teensy 4微控制器處理側傾數(shù)據(jù)，并相應地調節(jié)車輪扭矩?？刂泼姘迳涎b有急停按鈕、啟動按鈕、電壓監(jiān)視器、微調裝置和用于方向參考的水平儀。一個500安培的接觸器用于隔離電機電源。兩組6S鋰聚合物電池串聯(lián)，為電機驅動器提供50伏電壓，為輔助系統(tǒng)提供12伏電壓。


組裝好的車架

布魯頓用兩個三軸操縱桿取代了之前的轉把輸入系統(tǒng)。右手操縱桿控制前進、后退和側向移動。左手操縱桿控制旋轉。模擬信號通過一個可通過控制旋鈕調節(jié)的平滑濾波器進行處理，使得松開操縱桿時能夠實現(xiàn)逐漸減速。布魯頓發(fā)現(xiàn)，該濾波器通過減緩輸入的突然變化，改善了騎行體驗。

操縱桿輸入會改變PID控制器的設定點，該設定點默認值為0°，代表直立平衡狀態(tài)。調整這個設定點可以使自行車在傾斜的同時移動，類似于騎手在轉彎時身體傾斜的方式。布魯頓通過反復試驗對PID參數(shù)進行了微調，增加了積分項，以確保長時間的傾斜角度能使電機反應增強。他使用了最小的微分校正，以減少超調和振蕩。


LulzBot 3D打印機正在制造零部件

初步測試表明，僅靠后全向輪就可以穩(wěn)定車架。當兩個車輪都啟動時，自行車能夠實現(xiàn)全向移動。然而，轉向時暴露出了扭矩不平衡的問題。后輪產(chǎn)生的旋轉力明顯大于較小的前輪。當布魯頓嘗試原地旋轉時，底盤在負載下發(fā)生傾斜，導致前輪過度校正，使車架不穩(wěn)定。為了彌補這一問題，他向與預期轉彎方向相反的一側傾斜，以抵消底盤的扭矩。

為了簡化控制，布魯頓將自行車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，他的體重位于更大的后輪上方，扭矩干擾減小，轉向響應得到改善?！艾F(xiàn)在我轉彎很順利……只需朝著想去的方向傾斜，就能出發(fā)了，”他在調整控制方式后表示。

盡管在機械方面取得了成功，但系統(tǒng)仍存在局限性。前輪上的小滾輪需要大電流（即使在無負載情況下，50伏電壓下也需要約20安培），這限制了效率。后輪電機提供的扭矩超過了前輪所能補償?shù)姆秶?，這限制了高速下的平衡旋轉。布魯頓發(fā)現(xiàn)，反向騎行時控制效果更好，因為他的重心與功率更大的車輪對齊。

所有項目文件，包括CAD設計和控制固件，都可在GitHub上獲?。?a target="_blank">https://github.com/XRobots/TwoOmniWheelBike。