CN101570218A

CN101570218A - 基于转轴固定式二维运动轮的移载平台布局方法及移动平台

Info

Publication number: CN101570218A
Application number: CNA2009100330335A
Authority: CN
Inventors: 臧铁钢; 朱建江
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2009-06-08
Filing date: 2009-06-08
Publication date: 2009-11-04

Abstract

一种基于转轴固定式二维运动轮的移载平台布局方法，属于移载平台技术领域。包括以下步骤：对于某一个基本单一直线运动依靠以下布局方式实现：布置第一个驱动轮和第二个驱动轮，其中该基本单一直线运动方向与第一个驱动轮轴线的夹角为Φ，该基本单一直线运动方向与第二个驱动轮轴线的夹角为－Φ，其中Φ大于0度且小于180度；对于平台的纯旋转运动依靠以下布局方式实现：至少两个驱动轮其轴线夹角为0度；根据上述两条规则对于平台的所有驱动轮进行布局；上述驱动轮为基于转轴固定式二维运动轮。该移载平台运动平稳灵活，承载力大，便于安装和维修。可以满足在小空间进行移载的要求。

Description

基于转轴固定式二维运动轮的移载平台布局方法及移动平台

技术领域

本发明涉及一种移载平台，具体地讲是涉及一种采用转轴固定式可二维运动的转轮的自由移载平台。

背景技术

目前被广泛使用的移载平台采用的都是传统的整体式转轮(轮毂、轮幅和轮胎为一体)，这种转轮结构简单，易制造易更换。但由于这类转轮只能沿与轮轴的垂直方向滚动，移载平台的转向需要利用转向机构来实现，转向时也需要较大的运动空间。这类移载平台的运动自由度受到很大的限制。因此，在操作空间受限的场所缺乏足够的运动灵活性。

现在也有少量移载平台采用了基于麦克拉姆轮(又称瑞典轮)的移动技术(仲欣，吕恬生.在球面运行的万向轮式移动机器人运动学模型的建立.机器人.1999.5，Vol 21，No.3)。麦克拉姆轮是一种由母轮和子轮共同组合成的复合型万向轮。多个麦克拉姆轮分别在电机带动下按某种转速进行配比就可以实现各个方向的平移和运动平面任意点为圆心的旋转运动，从而可使移载平台方便地实现小空间内的运动。但麦克拉姆轮结构复杂，工艺水平要求较高，成本也很高，这限制了麦克拉姆轮的推广应用。

发明内容

针对现有移载平台转轮系统的不足，本发明专利提出了一种结构简单、操纵灵活的基于转轴固定式二维运动轮的移载平台布局设计方法及其移载平台。该平台通过对驱动轮的布置，可以实现任意方向的平移及以运动平面任意点为圆心的转动，从而可以组合成移载平台复杂的运动，以利于其在小空间内活动。

一种基于转轴固定式二维运动轮的移载平台布局方法，其特征在于包括以下步骤：(1)、利用转轴固定式二维运动轮作为驱动轮，该运动轮包括轮毂、两个或两个以上的子轮排和子轮架组成，其中所述轮毂与子轮架组成为一体，每个所述子轮排是由四个或四个以上的子轮组成，所述子轮侧面轮廓为鼓形，即其工作轮廓由两圆弧组成，所述子轮通过子轮轴与所述子轮架相连，每个子轮排与毗邻子轮排平行安装，每个子轮架与毗邻子轮架交错安装，使从轮轴方向来看各子轮的轮廓可形成一个完整的圆形，它可实现沿驱动轮轴线垂直方向的运动和沿驱动轮轴线方向的运动；(2)、确定平台的所有基本单一直线运动方向；(3)、对于某一个基本单一直线运动依靠以下布局方式实现：布置第一个驱动轮和第二个驱动轮，其中该基本单一直线运动方向与第一个驱动轮轴线的夹角为Ф，该基本单一直线运动方向与第二个驱动轮轴线的夹角为-Ф，其中Ф大于0度且小于180度；(4)、对于平台的纯旋转运动依靠以下布局方式实现：至少两个驱动轮其轴线夹角为0度；(5)、根据上述步骤(2)及步骤(3)的规则对于平台的所有驱动轮进行布局。

如果，上述驱动轮通过离合器与原动机相连，在平台运动时，可以结合步骤(2)及步骤(3)的规则决定哪些驱动轮作为主动轮，哪些驱动轮与离合器脱离作为自由轮，以避免可能存在的干涉。

如果，上述驱动轮装有制动器，在平台运动时，可以结合步骤(2)及步骤(3)的规则决定开启哪些制动器，以限制相应驱动轮沿其轴线垂直方向的运动。

一种基于转轴固定式二维运动轮的移载平台，其特征在于：

利用转轴固定式二维运动轮作为驱动轮，该运动轮包括轮毂、两个或两个以上的子轮排和子轮架组成，其中所述轮毂与子轮架组成为一体，每个所述子轮排是由四个或四个以上的子轮组成，所述子轮侧面轮廓为鼓形，即其工作轮廓由两圆弧组成，所述子轮通过子轮轴与所述子轮架相连，每个子轮排与毗邻子轮排平行安装，每个子轮架与毗邻子轮架交错安装，使从轮轴方向来看各子轮的轮廓可形成一个完整的圆形，它可实现沿驱动轮轴线垂直方向的运动和沿驱动轮轴线方向的运动；该移载平台由平台、n个驱动单元、及控制器组成；其中每个驱动单元由一个转轴固定式二维运动转轮、离合器、制动器、原动机组成，上述n为大于等于3的自然数；驱动单元个数及布局方式由以下规则决定：规则1：对于某一个基本单一直线运动依靠以下布局方式实现，即布置第一个驱动轮和第二个驱动轮，其中该基本单一直线运动方向与第一个驱动轮轴线的夹角为Ф，该基本单一直线运动方向与第二个驱动轮轴线的夹角为-Ф，其中Ф大于0度且小于180度；规则2：对于平台的纯旋转运动依靠以下布局方式实现，即至少两个驱动轮其轴线夹角为0度。

当按规则1布置转轮以实现直线运动时，两转轮的转向需满足：两转轮轴心的速度沿所定直线运动方向的分量指向是一致的，两转轮轴心的速度沿所定直线运动方向的垂直方向的分量指向是相反的，且大小相等，从而相互抵消不起作用。当按规则2布置转轮以实现旋转运动时，两转轮的转向需满足：确定移载平台上一点为旋转圆心，两轮轴心处速度分别在圆心和轴心连线的垂直方向上的分量使其绕确定的圆心点同向旋转。两轮轴心处速度分别在圆心和轴心连线的方向上的分量方向相反，且大小相等，从而相互抵消不起作用。

转轴固定式可二维运动的转轮是一种多排轮，单排轮由母轮和子轮组成。多个单排轮同轴错角并接形成转轴固定式可二维运动的转轮。该轮既可以如传统转轮一样沿轮轴的垂直方向运动，还可以沿轮轴轴线方向的运动，通过前进方向和侧移方向两个方向上的运动可以组合成二维平面内的任意运动。该转轮通过采用多排子轮体的布置方式保证了转轮在前进和侧移时的运动连续性和平稳性。子轮排数可以根据承载力的大小而增加。这种轮子当转轴相对车体不旋转时亦可实现在其运动平面内的二维运动，该转轮具有运动平稳，承载力大，便于安装和维修等优点。可满足对移载平台整体姿态有所要求的场合。该轮可替代现有的可多向运动的万向轮，在承载能力上要优于万向轮。同时该轮在二维运动时轮体不会发生扭转，可以满足不允许转轮摆动，且希望二维多向移动的特殊场合。该轮能实现麦克拉姆轮的所有的功能，且具有结构简单，成本低的优势。

本发明采用转轴固定式可二维运动的转轮为驱动轮，通过轮体的合理排布达到使移载平台在二维平面内自由运动的目的，以满足小空间移载物体的要求。其重要特点是：在保证移载平台沿确定路径运动时，还可保证移载平台的姿态按既定要求变化。该移载平台运动平稳灵活，承载力大，便于安装和维修。可以满足在小空间进行移载的要求。

附图说明

图1是本发明实施例的正视图。

图2是本发明实施例的侧视图。

图3是本发明实施例的局部放大图。

图4是本发明实施例的立体结构示意图。

图5是本发明实施例的俯视图(转轮布置方案一)。

图6是本发明实施例的俯视图(转轮布置方案二)。

图中标号名称：1为子轮；2为子轮架；3为子轮轴；4为子轮轴限位卡；5为轮毂；6为单个子轮排；7为转轮I；8为转轮II；9为转轮III；10为转轮IV；11为带制动器的原动机；12为移载平台面；13为离合器。

具体实施方式

下面结合附图1-附图4，对转轴固定式可二维运动的转轮予以说明。

本实施例的转轮，子轮侧面轮廓为鼓形，即其工作轮廓由两圆弧组成。单排子轮6由四个子轮1组成，每个子轮1通过固定在轮毂5上的子轮架2安装连接于子轮轴3上，为便于安装维修的便利，子轮轴3上还设有子轮轴限位卡4。该转轮的轮轴为固定形式，故不会发生摆动现象。单排子轮架上分布有转轴相互垂直四个子轮架，子轮只能沿轮轴线方向转动，从而构成了侧向移动的自由度。为了保证前进方向运动的平稳性，采用了两子轮架交错45度并排安装的形式。这种安装形式使得本转轮从沿转轴方向看，两子轮架上的子轮轮廓是一个完整的圆。从而可保证前进方向上的运动的连续性和稳定性。图3为子轮架的局部放大图。本实施例在结构上考虑了安装工艺的合理性，采用了单排子轮体由四个子轮组成的形成，子轮的轴线形成一个正方形，从而方便进行子轮的安装和维修。本实施例所述转轮不仅适合于作支承轮，也适合于作驱动轮。

下面结合图5和图6，对本发明的两种移载平台予以说明：

当移载平台为矩形时，布置方案一：将两转轮布置于移载平台的相对的两侧边，轮轴线与该相对两侧边相垂直；另两个转轮布置于另外相对的两侧边，其轮轴线与该相对两侧边相垂直。当四个转轮分别按一定的转速转动时，就可实现移载平台在运动平面内的任意直线运动和旋转运动。具体方式如图5所示转轮I和转轮II分别布置于移载平台的两个相互平行的相对边的边缘，转轮III和转轮IV布置于移载平台的另外两个相互平行的相对边的边缘。各转轮均通过原动机带动成为驱动轮。当转轮I和转轮II以相同速度驱动，转轮III和转轮IV不转动时，移载平台向图示的水平方向直线移动。当转轮I和转轮II转速呈差速驱动时，将使移载平台发生旋转。当转轮III和转轮IV以相同速度驱动，转轮I和转轮II不转动时，移载平台向图示的垂直方向直线移动。当转轮III和转轮IV转速呈差速驱动时，将使移载平台发生旋转。直线运动和旋转运动可以进行组合而形成移载平台的复杂的组合运动。

当移载平台为矩形时，布置方案二：将四个转轮分别置于移载平台的四个角的部分，其中每两对相邻的转轮相对于它们所夹边呈一定角度，且两转轮轴线与所夹边的倾斜角度数值相等，方向相反。当四个转轮按一定的转速转动时，就可实现移载平台在运动平面内的任意直线运动和旋转运动。具体方式如图6所示，四个转轮由原动机驱动，并被布置于移载平台的四个角部，并使转轮的轴线与其所在的移载平台的角的两夹边各呈45度的夹角。当各转轮轴心的线转速存在图示垂直方向的同值同向分量时，将会使移载平台向图示垂直方向移动；当各转轮轴心的线转速存在图示水平方向的同值同向分量时，将会使移载平台向图示水平方向移动。当转轮I和转轮III轴心线速度一致，转轮II和转轮IV轮轴心线速度一致，移载平台可沿任意方向进行直线移动。当各转轮出现差速时，将会使移载平台旋转。直线运动和旋转运动可以进行组合而形成复杂的组合运动。

对各转轮转速的控制通过相应的控制单元实现。根据需要移载平台的运动可手工操控或自动控制。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims

1、一种基于转轴固定式二维运动轮的移载平台布局方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)、利用转轴固定式二维运动轮作为驱动轮，该运动轮包括轮毂、两个或两个以上的子轮排和子轮架组成，其中所述轮毂与子轮架组成为一体，每个所述子轮排是由四个或四个以上的子轮组成，所述子轮侧面轮廓为鼓形，即其工作轮廓由两圆弧组成，所述子轮通过子轮轴与所述子轮架相连，每个子轮排与毗邻子轮排平行安装，每个子轮架与毗邻子轮架交错安装，使从轮轴方向来看各子轮的轮廓可形成一个完整的圆形，它可实现沿驱动轮轴线垂直方向的运动和沿驱动轮轴线方向的运动；

(2)、确定平台的所有基本单一直线运动方向；

(3)、对于某一个基本单一直线运动依靠以下布局方式实现：布置第一个驱动轮和第二个驱动轮，其中该基本单一直线运动方向与第一个驱动轮轴线的夹角为Φ，该基本单一直线运动方向与第二个驱动轮轴线的夹角为-Φ，其中Φ大于0度且小于180度；

(4)、对于平台的纯旋转运动依靠以下布局方式实现：至少两个驱动轮其轴线夹角为0度；

(5)、根据上述步骤(2)及步骤(3)的规则对于平台的所有驱动轮进行布局。

2、根据权利要求1所述的基于转轴固定式二维运动轮的移载平台布局方法，其特征在于：上述驱动轮通过离合器与原动机相连，在平台运动时，结合步骤(3)及步骤(4)的规则决定哪些驱动轮作为主动轮，哪些驱动轮与离合器脱离作为自由轮，以避免可能存在的干涉。

3、根据权利要求1所述的基于转轴固定式二维运动轮的移载平台布局方法，其特征在于：上述驱动轮装有制动器，在平台运动时，结合步骤(3)及步骤(4)的规则决定开启哪些制动器，以限制相应驱动轮沿其轴线垂直方向的运动。

4、一种基于转轴固定式二维运动轮的移载平台，其特征在于：

利用转轴固定式二维运动轮作为驱动轮，该运动轮包括轮毂、两个或两个以上的子轮排和子轮架组成，其中所述轮毂与子轮架组成为一体，每个所述子轮排是由四个或四个以上的子轮组成，所述子轮侧面轮廓为鼓形，即其工作轮廓由两圆弧组成，所述子轮通过子轮轴与所述子轮架相连，每个子轮排与毗邻子轮排平行安装，每个子轮架与毗邻子轮架交错安装，使从轮轴方向来看各子轮的轮廓可形成一个完整的圆形，它可实现沿驱动轮轴线垂直方向的运动和沿驱动轮轴线方向的运动；

该移载平台由平台、n个驱动单元和控制器组成；其中每个驱动单元由一个转轴固定式二维运动转轮、离合器、制动器、原动机组成，上述n为大于等于3的自然数；

驱动单元个数及布局方式由以下规则决定：规则1：对于某一个基本单一直线运动依靠以下布局方式实现，即布置第一个驱动轮和第二个驱动轮，其中该基本单一直线运动方向与第一个驱动轮轴线的夹角为Φ，该基本单一直线运动方向与第二个驱动轮轴线的夹角为-Φ，其中Φ大于0度且小于180度；规则2：对于平台的纯旋转运动依靠以下布局方式实现，即至少两个驱动轮其轴线夹角为0度。

5、根据权利要求4所述的基于转轴固定式二维运动轮的移载平台，其特征在于：n＝4，4个驱动轮轴线呈十字形分布。

6、根据权利要求4所述的基于转轴固定式二维运动轮的移载平台，其特征在于：n＝4，4个驱动轮轴线呈星形分布。