能向任意方向行驶，国外博主用3D打印部件制造全向自行车

2025年7月28日，南极熊获悉，英国工程师兼YouTuber博主詹姆斯·布鲁顿（James Bruton）利用3D打印部件、铝型材和自平衡控制系统，制成了一辆全向自行车。这款自行车的设计特点是安装了两个呈90度角放置的全向轮，能够向任意方向行驶，包括直接侧向移动。目前，博主已经开源了这个项目。



自行车的底盘采用4040 T型槽铝型材制成，通过倾斜支架和直角支架进行连接，前部用于固定复用的机器人叉架组件，后部则支撑着皮带传动的电机。车轴支架和传动系统皮带轮由LulzBot 3D打印机制造而成。布鲁顿使用1.2毫米的喷嘴打印大型结构部件，以加快构建速度。结构部件采用了 polymaker 公司的 PolyMax PLA 材料，而电子设备外壳则使用了 PolyLite Pro 线材。由于打印机打印床的尺寸限制，后轮轮毂采用胶合板制作。



传动系统包含一个两级皮带减速系统。第一级通过中间皮带轮实现3:1的扭矩提升，随后通过HTD8型皮带连接到后轮上的大型最终皮带轮。后驱动系统由单个ODrive S1伺服电机套件提供动力。ODrive是一家专注于开源电机控制器的公司，其提供的无刷电机和编码器组件可输出高达2千瓦的功率。通过沿着型材框架滑动电机支架，并使用带支撑的铝板加以固定，可调节系统的张力。

PID控制器利用BNO086惯性测量单元的数据来保持平衡。Teensy 4微控制器处理侧倾数据，并相应地调节车轮扭矩。控制面板上装有急停按钮、启动按钮、电压监视器、微调装置和用于方向参考的水平仪。一个500安培的接触器用于隔离电机电源。两组6S锂聚合物电池串联，为电机驱动器提供50伏电压，为辅助系统提供12伏电压。


组装好的车架

布鲁顿用两个三轴操纵杆取代了之前的转把输入系统。右手操纵杆控制前进、后退和侧向移动。左手操纵杆控制旋转。模拟信号通过一个可通过控制旋钮调节的平滑滤波器进行处理，使得松开操纵杆时能够实现逐渐减速。布鲁顿发现，该滤波器通过减缓输入的突然变化，改善了骑行体验。

操纵杆输入会改变PID控制器的设定点，该设定点默认值为0°，代表直立平衡状态。调整这个设定点可以使自行车在倾斜的同时移动，类似于骑手在转弯时身体倾斜的方式。布鲁顿通过反复试验对PID参数进行了微调，增加了积分项，以确保长时间的倾斜角度能使电机反应增强。他使用了最小的微分校正，以减少超调和振荡。


LulzBot 3D打印机正在制造零部件

初步测试表明，仅靠后全向轮就可以稳定车架。当两个车轮都启动时，自行车能够实现全向移动。然而，转向时暴露出了扭矩不平衡的问题。后轮产生的旋转力明显大于较小的前轮。当布鲁顿尝试原地旋转时，底盘在负载下发生倾斜，导致前轮过度校正，使车架不稳定。为了弥补这一问题，他向与预期转弯方向相反的一侧倾斜，以抵消底盘的扭矩。

为了简化控制，布鲁顿将自行车重新配置为可反向骑行。他将操纵杆接口安装在后部，并颠倒了操纵杆的映射。这样一来，他的体重位于更大的后轮上方，扭矩干扰减小，转向响应得到改善。“现在我转弯很顺利……只需朝着想去的方向倾斜，就能出发了，”他在调整控制方式后表示。

尽管在机械方面取得了成功，但系统仍存在局限性。前轮上的小滚轮需要大电流（即使在无负载情况下，50伏电压下也需要约20安培），这限制了效率。后轮电机提供的扭矩超过了前轮所能补偿的范围，这限制了高速下的平衡旋转。布鲁顿发现，反向骑行时控制效果更好，因为他的重心与功率更大的车轮对齐。

所有项目文件，包括CAD设计和控制固件，都可在GitHub上获取：https://github.com/XRobots/TwoOmniWheelBike。