图1. 全向攀登者-I由中央磁体单元，柔性底盘和侧面磁体以及与环形磁体相连的全向轮组成。

我们的初步发展和测试[25,26] 显示这个概念是有希望的，但全方位轮子攀登的应用并不是非常简单。在所有其他优化和粘附问题中，我们遇到的主要挑战是由于全向车轮受到垂直和水平振动的影响。因此，在本文中，我们将评估全向车轮的设计如何帮助减少这种振动，以实现更平滑的运动，并增加跟踪精度。然后我们考虑到振动分析结果，引入新颖的车轮设计。我们还试图改进爬坡机器人全方位车轮的其他重要方面，例如重量，尺寸，适应弯曲结构和牵引力。在任何攀爬机器人中，重量是一个关键的方面。机器人的所有组件都应该是轻质的，包括车轮。 磁性全向轮的大小是一个关键方面。较小的车轮可以减少整个机器人的重量，并减少对底盘的弯曲力。减小车轮的尺寸有助于在相同的电机驱动扭矩下获得更高的驱动力，但也会降低爬升速度。最后，我们在OmniClimber机器人上采用了优化的车轮设计，并对曲面和曲面进行了几次现场测试，以评估改进。

2. 全向轮子

1919年，美国的Grab-owiecki获得了第一个全向轮的专利权[27]。 自那时以来，全方位轮子和机器人的各种设计得以实施。 考虑到它们具有良好的可操作性，全向平台进入了机器人应用领域，例如KUKA youBot[28] 以及仓库中的负载运输等工业应用[29]。 但到目前为止，他们的应用 仅限于地面平台。 尽管如此，攀爬机器人可以从这种配置中脱颖而出。 在两个相互垂直的轴上移动而不需要通过差分驱动配置旋转的能力对攀爬机器人是有利的，因为它提供了对这种结构的更好的可操作性并且允许更快的导航。 开发了一些用于检测的全向爬坡机器人，例如水下爬壁机器人[30]，它只能在表面移动。 全方位车轮的一个缺点是，如果整个车轮组件的轮廓完美无缺，那么它们只能平稳地滚动。 有些团队已经将球体作为机器人的基础。 球体可以用滚筒激活，就像机械鼠标一样[31,32]，或者一组球体可以通过链条或横条移动[33,34]。 球体提供平滑的滚动，但必要的机制相当庞大。如果每个车轮由第二个致动器转向，则常规车轮也可用于全向导航[35,36]。在这种情况下，有几个额外的执行器所需的，增加了机器人的质量和复杂性。其他复杂的方法包括通过磁轮，如ETH苏黎世ETH定子检测机器人，[37]，它不是一个全向机器人，但可以平行于定子轴线并在其周围移动。 在全向攀登者中，我们希望使用普通的全向轮子，不需要额外的执行器，但正如我们所提到的，我们需要在垂直和悬垂的表面上进行壁虎启发的爬升行为，考虑振动对使用全向轮子的陆地机器人的影响，并分析振动如何影响攀爬有这种轮子的机器人。图2[38] 显示各种类型的全向车轮。

正如在讨论中[38]，经典型全向车轮（图2a）由于连续的辊子之间的间隙而与地面形成不连续的接触，这导致垂直振动。为了尽量减少这种差距，麦克纳姆轮，双排轮，交替车轮和半轮被开发出来。在这些车轮中，除了连续轮胎之外，这个间隙都被完全的去除了。事实证明，连续交替轮的设计使磁铁集成和小规模建设极其困难。在我们的例子中，我们使用的双排轮子与传统轮子相比具有更好的覆盖范围，并且使用标准元件和市售磁铁也很容易开发。 而双排轮子也受到水平振动的影响。小型振动在地面机器人中可能不成问题，但在攀爬机器人的情况下，这种振动会影响正常的粘附力。在全向攀登者的情况下，除了垂直振动之外，水平振动还会影响侧面磁体和牵引磁体的正常磁力，因为爬升结构不在，水平运动会改变磁体与结构的距离。磁力与表面距离的三次方成反比关系（见方程1）。 因此，正如我们对全向攀登者-I的经验一样，小的振动会改变每个车轮上的正常磁力，从而在垂直于表面的方向上引起不希望的振动，从而导致不平滑的运动。 此外，正常磁力的差异导致每个车轮的牵引力产生差异，导致精确度低的轨迹。 除了振动问题之外，轮子上的牵引磁体的位置也影响其效率。 由于牵引磁铁放置不良，在某些情况下是全向的车轮只能使一排接触弯曲的结构，真实存在。 四种版本的带磁性的全向车轮坚持被设计，开发和测试，并且结果将在下一节中报告。