Mecanum Wheels (메카넘 휠)

메카넘 휠은 일반 바퀴처럼 구를 때, 위 사진과 같이 driving force가 45도의 각도를 가진 방향으로 작동한다는 특징이 있다. 이러한 특징을 이용해서 제 자리에서 180도 회전이나 측면 방향의 이동 등이 가능해진다.

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왼쪽 사진과 같이 바퀴 위에 롤러의 축이 평행하게 붙어 있는 경우에는 롤러에 작은 힘만을 줄 수 있다. 하지만 오른쪽 사진과 같이 축이 수직인 경우에는 큰 힘을 가할 수 있다.

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메카넘 휠은 이 두 가지 경우를 합쳐서 만들어낸 것이다. 즉, 롤러의 축을 45도 틀어지게 붙이는 것이다.

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이러한 롤러를 바퀴에 전체적으로 고정시키기 위해 오른쪽 처럼 바퀴의 측면에 projection을 넣어서 만든다.

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이런 형태의 메카넘 휠이 굴러가는 경우를 살펴보면 우선 위 사진과 같은 방향으로 friction force가 발생할 것이다.

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그런데 이 friction force를 롤러의 축과 수직인 방향과 수평인 방향으로 나누어서 보면 위와 같다.

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이 중에서 수직인 방향의 힘은 롤러가 쉽게 구를 수 있기 때문에 그 힘이 매우 작게 된다.

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반면에 수평인 방향의 힘은 잘 전달 될 수 있다.

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따라서 최종적으로는 위 사진과 같이 friction force (driving force)가 45도의 각을 이루는 방향으로 작동하게 된다.

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이제 이러한 메카넘 휠을 차량에 부착한 경우를 보자. 대각선 방향에 위치하는 휠은 롤러의 방향이 같고, 인접한 휠의 롤러의 방향은 반대가 되도록 설치한다.

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차량이 움직일 때, 위 사진과 같은 롤러의 interference 때문에 덜컹거리면서 움직인다.

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이는 롤러의 모양을 위 사진과 같이 곡률을 가지도록 설계하여 해결한다.

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이제 차량이 측면 방향으로 이동하는 경우를 보자. 이 때는 위 사진과 같이 대각선에 있는 휠은 같은 방향으로, 인접한 휠은 반대 방향으로 회전해야한다.

이에 의해서 발생되는 frictional force는 위 사진에 표시된 것처럼 나타나는데, 이 중에 y축 방향의 힘은 모두 상쇄되고, x축 방향의 힘만 남게 된다.

따라서 x축 방향으로 움직일 수 있게 되는 것이다. (Sideward Motion)

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다음으로는 위 사진과 같이 모든 바퀴가 같은 방향으로 회전하는 경우를 보자. 이 경우에 발생하는 frictional force를 합성하면 x축 방향의 힘이 상쇄되고, y축 방향으로 움직이게 된다. (Forward Motion)

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그리고 위 사진처럼 대각선에 있는 한 쌍의 바퀴만 회전시키면 대각선으로 이동하게 만든다. (Diagonal Motion)

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마지막으로 위 사진처럼 한 쪽의 바퀴는 앞으로, 반대쪽의 바퀴는 반대 방향으로 회전시키게 되면 위 사진에 나타난 것과 같은 frictional force가 발생한다. 이때 모든 x축, y축 방향의 힘이 상쇄되기 때문에 translational한 움직임은 발생하지 않는다.

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하지만 Torque는 만들어낼 수 있으므로 차량이 제자리에서 회전하도록 만든다. (Circular Motion)

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출처: https://www.youtube.com/watch?v=noqBUEgyQ8A&list=WL&index=15&ab_channel=Lesics