小型机器人用CY15A球形脚轮结构

这款球形脚轮的结构设计，最初是针对小型桌面级移动机器人的行走支撑需求做的适配，在做小型机器人底盘布局的时候，很多人会忽略从动轮的摩擦阻力对行走精度的影响，尤其是做全向移动或者差速转向的小型设备，普通的定向轮或者万向脚轮在小半径转向时很容易出现滑动摩擦，不仅会增加驱动电机的负载，还会让里程计的计数出现偏差，累积误差大了之后导航定位就容易飘。这款球形脚轮的接触点是整球结构，不管是前进、后退还是横向滑移，接触位置都是滚动摩擦，没有传统万向轮的轮架回转间隙，转向的时候不需要额外克服轮架扭转的阻力，对于自重不大的小型移动设备来说，能大幅降低驱动端的功率冗余要求。

从结构设计的逻辑来看，这款脚轮没有采用常见的球轮外包保持架的复杂结构，而是做了分体式的支撑座，球体的支撑点分布在球体下半部分的三个位置，三个支撑点的接触位置都做了小圆弧的凸点设计，既保证球体可以在任意方向自由转动，又能限制球体在垂直方向的窜动，不会因为设备颠簸出现球体脱出的问题。安装面的设计做了沉孔结构，固定螺丝可以完全埋入安装座内部，不会突出到安装面上方，和机器人底盘的底板安装的时候，不需要额外预留螺丝头的避让空间，底盘的板材厚度只要超过2mm就可以直接锁附，不需要做沉孔加工，对于DIY类的小型机器人制作来说，能减少很多机加工的工序。

实际应用场景里，这类小球轮除了用在小型教育机器人、桌面级移动作业平台上，也可以适配在小型AGV的辅助支撑位，尤其是那种自重不超过5kg、行走速度不超过0.5m/s的轻载移动设备，用这种球轮做辅助支撑，比传统的万向轮占用的安装空间更小。它的整体安装边界是正方形的安装座，安装孔的孔距做了通用化设计，和市面上常见的小型万向轮的安装孔位兼容，替换的时候不需要重新在底盘上打孔，直接锁螺丝就能完成更换。球体本身的材质选用的是低摩擦系数的工程塑料，和地面接触的时候不会划伤木质桌面、环氧地坪这类常见的室内地面，也不会像橡胶轮那样容易沾附地面的细小碎屑，长时间使用不会因为碎屑卡滞出现转动不顺畅的问题。

在做三维建模的时候，特意把球体和支撑座的配合间隙做了合理的预留，按照实际加工的公差带，支撑座的成型公差控制在±0.1mm的时候，球体的转动不会出现卡滞，也不会有过大的旷量。支撑座的壁厚做了均匀化处理，不管是用3D打印做原型验证，还是开模做注塑件，都不会因为壁厚不均出现收缩变形的问题。安装座的边角都做了R角过渡，没有尖锐的棱角，在组装调试的时候不会划伤操作人员的手，也不会刮蹭到设备内部的线束。很多人在做小型机器人设计的时候，会把大部分精力放在驱动轮、电机和主控部分，忽略从动脚轮的选型，实际上从动轮的转动顺畅度直接影响整个设备的行走体验，这款球形脚轮的设计就是从实际使用的痛点出发，解决了传统小万向轮回转阻力大、占用空间大、转向有间隙的问题，在轻载移动的场景下，能让设备的行走动作更流畅，转向更灵活，也能降低驱动电机的电流消耗，延长电池的续航时间。另外在安装高度上，这款脚轮的安装面到球体最低点的高度做了和常见小型驱动轮一致的尺寸匹配，安装的时候不需要额外加垫片调整高度，底盘可以保持水平状态，不会出现因为支撑轮高度不一致导致的驱动轮打滑问题。球体的转动没有方向性限制，不管设备往哪个方向移动，球体都能顺畅滚动，不会出现传统定向轮在横向移动时被硬拽的情况，对于需要做横移、斜向移动的全向移动底盘来说，是非常合适的辅助支撑部件。