田宫70144万向支撑脚轮结构

　　做小型移动平台、AGV小车或者竞赛类机器人结构设计的时候，很多工程师都遇到过万向支撑轮选型和建模的麻烦——标准件库里面的脚轮要么尺寸偏大，要么安装孔位和小型轻量化平台的安装空间不匹配，尤其是做1:10比例左右的模型车、小型巡检机器人底盘的时候，田宫这款70144脚轮球是很多结构工程师绕不开的支撑部件。

　　这款脚轮属于被动式万向支撑结构，没有内置驱动和转向机构，核心作用是为移动底盘提供第三点或者多点辅助支撑，抵消底盘重心偏移带来的倾覆力矩，同时在底盘转向、直行过程中随动滚动，不会产生额外的运动阻力。和常见的带支架万向轮不同，这款脚轮采用顶部钢珠作为滚动接触件，四周的立柱结构既做钢珠的限位保持架，也承担整个支撑结构的载荷传递，底部的方形法兰底座是主要的安装基准，四个角的沉头安装孔可以直接穿M2或者M2.5的螺丝固定在底盘的安装平面上，不需要额外设计转接支架，对于空间紧凑的小型移动设备来说，能省出不少底盘内部的布线和元器件安装空间。

　　从实际使用场景来看，这类脚轮大多用在自重5kg以内的小型移动设备上，比如教育类竞赛机器人、桌面级巡检小车、小型物料转运模型平台，安装位置一般在底盘的前端或者后端，和两个驱动轮形成三点支撑结构，部分对稳定性要求更高的平台会在四个角各装一个，配合驱动轮形成多点支撑，避免底盘在过微小障碍、坡面的时候出现卡滞或者侧翻。设计这个结构的时候，首先要考虑的是钢珠的滚动间隙，顶部的钢珠安装孔内径要比钢珠直径大0.1-0.2mm，既不能间隙太大导致钢珠晃动产生支撑虚位，也不能间隙太小让钢珠卡滞无法顺畅滚动；四周的立柱高度要和钢珠的露出高度匹配，保证钢珠最低点比底座安装面低2-3mm，这样安装到底盘上之后，只有钢珠和接触面接触，底座和立柱不会和地面产生摩擦。

　　安装边界方面，这款脚轮的方形底座边长大概在20mm左右，四个安装孔的孔距是15mm，沉头孔深度1.5mm，设计底盘安装位的时候，要在对应位置预留直径2.2mm的光孔或者M2的螺纹孔，安装面的平面度要控制在0.1mm以内，避免安装之后脚轮出现倾斜，导致钢珠接触不良、支撑高度不一致的问题。整个结构没有活动的铰接部件，所有立柱和底座都是一体化结构，建模的时候不需要做运动仿真的铰接配合，只需要把钢珠和保持架之间设置接触约束就可以，对于需要快速出方案、做底盘整体装配验证的工程师来说，这个结构可以直接导入装配体，不需要额外拆分零件做配合调整，能节省不少建模时间。

　　很多工程师一开始做小型移动底盘的时候，会自己设计万向轮结构，但往往会忽略支架的转动间隙、滚轮的滚动阻力这些细节，要么做出来的万向轮转向卡滞，要么支撑强度不够，用几次就出现变形。这款成熟的脚轮结构已经经过了大量实际场景的验证，立柱的分布位置刚好避开了钢珠滚动时的干涉区域，底座的厚度也做了加强，安装孔位的位置不会因为螺丝锁紧导致底座变形，钢珠的露出高度刚好适配大多数小型底盘的离地间隙，不会因为离地太高导致底盘重心过高，也不会因为离地太低在过接缝、小坡度的时候出现底盘剐蹭。

　　在做结构选型的时候，如果是自重超过8kg的设备，就不适合用这款脚轮了，钢珠和保持架的接触面积比较小，重载下会出现压痕，导致滚动不畅；如果是在粗糙的水泥地面、有较多碎屑的场景使用，还要考虑在钢珠位置增加防尘结构，避免碎屑进入钢珠和保持架的间隙里，造成卡滞。建模的时候要注意，立柱上的小孔是减重孔，不是安装孔，不要在这些位置设计固定结构，这些孔的作用是减少整个脚轮的自重，同时在注塑加工的时候减少壁厚不均导致的缩痕，整个结构如果采用3D打印制作的话，不需要加支撑，底座和立柱的角度都大于45度，打印完之后只需要简单打磨钢珠安装孔的位置，把钢珠压进去就可以正常使用，不需要额外的紧固件固定钢珠，依靠塑料本身的弹性就可以把钢珠卡在保持架里，拆装也很方便，钢珠磨损之后可以直接替换同尺寸的标准钢珠，不需要更换整个脚轮部件。