CN102520724B - 一种用于agv的紧凑式万向运动机构及agv运输车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于AGV的紧凑式万向运动机构及AGV运输车，万向运动机构包括支撑底盘、转轴、两台电机、两套传动机构、两对车轮轴承和两个车轮，转轴的下端垂直固装在支撑底盘的中心位置上，两台电机、两套传动机构、两对车轮轴承对称固装在支撑底盘的上表面，两个车轮分别通过两对车轮轴承安装在支撑底盘设有的车轮槽内，两台电机的一端均安装有码盘，另一端分别通过传动机构与各自的车轮连接在一起；转轴的上端套装在转轴轴承内，转轴轴承通过车体连接盘与车体固装在一起，在转轴的最上端也固装一码盘。本发明能够使AGV运输车进行任意方向直线运动、任意方向曲线运动、原地半径旋转运动、车体快速转向，解决了AGV运输车在AGV应用领域占地问题。

Description

一种用于AGV的紧凑式万向运动机构及AGV运输车

技术领域

本发明属于AGV运输车领域，尤其是一种用于AGV的紧凑式万向运动机构及AGV运输车。

背景技术

AGV运输车是一种以电池为动力、装有非接触导向装置和独立寻址系统的无人驾驶自动化搬运车辆。其在计算机的监控下，按指令自主驾驶，自动沿着规定的导引路径行使，到达指定地点，完成一系列作业任务。AGV运输车的典型应用是用于高密度自动化仓储系统。所谓高密度自动化存储系统就是以自动化物流技术的理论为切入点，充分利用每一寸土地资源、每一寸仓储空间，实现单位空间、单位成本仓储物料的最大化。由于在高密度自动化的立体仓库中，巷道最多只能占用三分之一左右的面积，而且巷道的布局大都是棋格式狭窄的通道，这就给AGV运输车提出一个要求：如何在运输中尽量少占用地面空间。目前，AGV运输车一般存在以下问题：

1、AGV运输车的车体结构为传统式结构，车辆不能直接作非前后运动的任意直线运动，必须调整车头作一定程度的弧度、直线运动后，才能实现车辆的横向位移。

2、AGV运输车不能直接作原地半径旋转(以车体中心为圆心作原地半径旋转)，转弯过程中必须伴随车体中心位置的位移，整车转弯半径为1300mm左右，在狭窄的巷道中，每次转弯都要多占用1.3米的地面空间。

3、AGV运输车的两车轮之间距离影响转向速度。根据车辆运动学模型得知，两车轮之间的距离R值越大，车辆旋转的角度就越小，而基于传统式结构的AGV运输车无法缩短两车轮之间的距离R，因此，其车体转向不够灵活且速度慢。

综上所述，现有的AGV运输车由于其车体结构的限制，无法解决非前后方向的任意方向的直线运动、原地半径旋转运动、车体快速转向问题，因此也就无法适应高密度仓储管理中巷道空间小、尽量节省运输车占地面积的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于AGV的紧凑式万向运动机构及AGV运输车，能够使AGV运输车进行任意方向直线运动、任意方向曲线运动、原地半径旋转运动、车体快速转向，从而解决了AGV运输车在仓储运输中最小化占地空间问题。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种用于AGV的紧凑式万向运动机构，包括支撑底盘、转轴、两台电机、两套传动机构、两对车轮轴承和两个车轮，转轴的下端垂直固装在支撑底盘的中心位置上，两台电机、两套传动机构、两对车轮轴承对称固装在支撑底盘的上表面，两台电机位于垂直于转轴的平面内的转轴两侧，两个车轮分别位于垂直于转轴的平面内与电机互为垂直的转轴另外两侧，并通过两对车轮轴承分别安装在支撑底盘上设有的车轮槽内，两台电机的一端均安装有码盘，两台电机的另一端分别与各自的传动机构相连接，两套传动结构分别与各自的车轮连接在一起；转轴上端套装在转轴轴承内，该转轴轴承通过车体连接盘与车体固装在一起，在转轴的最上端固装一码盘。

而且，所述的转轴两侧电机之间的距离近似于1个传动齿轮的直径，与电机垂直方向的转轴另外两侧两个驱动轮之间的距离近似于1个电机的长度。

而且，所述的传动机构包括减速器和传动齿轮，减速器连接在电机的输出端，减速器的输出端与传动齿轮啮合在一起，传动齿轮通过一对车轮轴承与车轮安装在一起。

而且，所述的传动机构包括减速器和传动带，减速器连接在电机的输出端，减速器的输出端与传动带通过带轮连接在一起，传动带的另一端通过与车轮连在一起的带轮连接在一起。

而且，所述的减速器包括一级减速器和二级减速器。

而且，所述的转轴轴承包括两组。

而且，所述的支撑底盘为圆形，所述的车体连接盘为圆形。

一种具有万向运动功能的AGV运输车，所述的紧凑式万向运动机构与AGV车体连接构成。

而且，所述AGV车体安装的紧凑式万向运动机构的数量至少为1个。

本发明的优点和积极效果是：

1、本万向运动机构通过车身不动、车轮转变方向的方法，从根本上解决了AGV运输车辆作非前后运动的任意方向直线运动时的零转弯半径问题，从而最大限度地节省了占地空间。

2、本万向运动机构以灵活定制、自由组合车体结构的方法，从根本上实现了AGV运输车作原地半径旋转，解决了AGV运输车作原地半径旋转时的中心位移问题：根据曲线运动轨迹，适当组合若干个万向运动机构沿曲线方向作不同角度的排列，在控制中心的控制下，通过每个万向运动机构的编码器随时反馈其转动角度和进行有效调整，从而实现AGV运输车的原地旋转功能。

3、本发明以缩小两车轮距离的方法，将距离远的两车轮差速分解为距离小的若干组两车轮的差速，从根本上解决了车辆转向速度问题，由于有效解决了车辆两车轮距离R值最小化问题，使万向运动机构的R值缩小到原来几分之一，从车辆动力学模型得知，在时间一定、两车轮差速比一定的条件下，两车轮旋转的角度同两车轮之间距离R成反比，所以得出结论：万向运动机构的旋转速度相对于传统AGV车体结构提高了几倍，如果在一个AGV车体上安装若干组这样的机构，就相当于安装了若干个快速转动的车轮，从而实现整体车辆速度的提高。

附图说明

图1是万向运动机构的结构示意图；

图2是本发明的万向运动机构与车体之间的结构示意图；

图3是安装有一个紧凑式万向运动机构的AGV运输车的结构示意图；

图4是安装有二个紧凑式万向运动机构的AGV运输车的结构示意图；

图5是安装有三个紧凑式万向运动机构的AGV运输车的结构示意图；

图6是安装有四个紧凑式万向运动机构的AGV运输车的结构示意图；

图7是安装有五个紧凑式万向运动机构的AGV运输车的结构示意图；

图8是安装有六个紧凑式万向运动机构的AGV运输车的结构示意图；

图9是本发明所采用的AGV控制系统的连接示意图；

图10是AGV运输车做横向直线运动的示意图；

图11是AGV运输车做45度角直线运动的示意图；

图12是AGV运输车作原地旋转运动的示意图；

图中：1-车轮轴承，2-车轮，3-传动齿轮，4、6-码盘，5-电机，7-转轴，8-一级减速器，9-二级减速器，10-支撑底盘，11、12-转轴轴承，13-车体，14-车体连接盘。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

一种用于AGV的紧凑式万向运动机构，如图1及图2所示，包括支撑底盘、转轴、两台电机、两套传动机构、两对车轮轴承和两个车轮，转轴的下端垂直固装在支撑底盘的中心位置上，两台电机、两套传动机构、两对车轮轴承对称固装在支撑底盘的上表面，两台电机位于垂直于转轴的平面内的转轴两侧，两个车轮分别位于垂直于转轴的平面内与电机互为垂直的转轴另外两侧，两个车轮分别通过两对车轮轴承安装在支撑底盘设有的车轮槽内，两台电机的一端均安装有码盘，两台电机的另一端分别与各自的传动机构相连接，两套传动结构分别与各自的车轮连接在一起，两个车轮分别在各自的电机及其传动机构的驱动下转动。每套传动机构均包括一级减速器、二级减速器和传动齿轮，一级减速器和二级减速器依次连接在电机的输出端，二级减速器的输出端与传动齿轮啮合在一起，传动齿轮与电机互为垂直方向，传动齿轮通过一对车轮轴承与车轮安装在一起，电机通过二级减速与传动齿轮咬合并进一步带动车轮转动，此时，车轮将力传给车轮轴承并通过车轮轴承带动支撑底盘和转轴一起运动。转轴的上端套装在两组转轴轴承内，两组转轴轴承通过车体连接盘与车体固装在一起，在转轴的最上端固装一码盘。当支撑底盘转动时，转轴随支撑底盘转动，当转轴自转时，转轴在两组转轴轴承内转动，而车体连接盘不动；当转轴沿某一方向运动时，由于车体连接盘和车体固定连接，从而实现电机带动车体运动。在本实施例中，支撑底盘和车体连接盘均为圆形，当然也可以根据需要设置为其他形状。

在上述实施例中，传动机构中的传动齿轮也可以使用传动带代替，在使用传动带时，一级减速器和二级减速器依次连接在电机的输出端，二级减速器的输出端与传动带通过带轮连接在一起，传动带的另一端通过与车轮连在一起的带轮连接在一起，电机通过二级减速器传送带带动车轮转动，此时，车轮将力传给车轮轴承并通过车轮轴承带动支撑底盘和转轴一起运动。

本发明的紧凑式万向运动机构与AGV车体安装在一起构成AGV运输车，在在实际应用中，可根据需要灵活配置紧凑式万向运动机构的数量形成不同的AGV运输车。如图3所示，该AGV运输车安装一个万向运动机构，该万向运动机构安装在AGV车体底面的中心位置，当作任意直线任意曲线和原地旋转运动时，除了调整两车轮差速比外，为了保证AGV运输车的稳定性，还需要根据情况适当增加辅助轮。如图4所示，该AGV车体安装两个万向运动机构，两个万向运动机构分别安装在AGV车体底面的前排和后排，当作任意直线任意曲线和原地旋转运动时，除了调整两车轮差速比外，为了保证AGV运输车的稳定性，还需要根据情况适当增加辅助轮。如图5所示，该AGV车体安装三个万向运动机构，其中两个万向运动机构安装在AGV车体底面的后排两角处，另一个万向运动机构安装在AGV车体底面的前排中间处，通过调整两车轮差速比，可作任意方向的直线运动任意方向的曲线运动和原地旋转运动。如图6所示，该AGV车体安装四个万向运动机构，四个万向运动机构安装在AGV车体底面的四角处，通过调整两车轮差速比，可作任意方向的直线运动任意方向的曲线运动和原地旋转运动。如图7所示，该AGV车体安装五个万向运动机构，其中四个万向运动机构安装在AGV车体底面的四角处，另外一个安装在AGV车体底面的中心处，当AGV运输车作原地旋转运动时，应让中间位置的两车轮处于随动状态；如图8所示，该AGV车体安装六个万向运动机构，六个万向运动机构安装在AGV车体底面的前排和后排，每排设有三个万向运动机构，可作任意方向的直线运动任意方向的曲线运动和原地旋转运动，当AGV运输车作原地旋转运动时，应让每排中间位置万向运动机构的车轮保持随动状态。

紧凑式万向运动机构的电机、安装在电机上的码盘和安装在转轴上的码盘通过总线与控制中心相连接构成总线式AGV控制系统。如图9所示，控制中心为一台嵌入式控制器，嵌入式控制器中运行的是实时操作系统QNX，能够保证控制命令执行时间的确定性，进而保证整个控制系统的安全性。嵌入式控制器中安装有总线通讯卡和总线式运动控制卡，嵌入式控制器主要负责系统参数设置、编程及人机交互的功能，运动控制卡与电机驱动器是基于总线连接，方便扩展，其主要完成运动插补运算，并控制驱动器对电机进行控制。总线控制卡主要是用来连接基于总线的码盘，获取码盘的值。基于网络总线式的总线控制系统可以灵活挂接各组万向运动机构。

下面对本发明的工作原理进行说明：

如图10及图11所示，当AGV运输车作任意给定方向直线运动时，车体姿态保持不动而AGV运输车行进方向改变，即：通过两车轮差速比使两车轮产生原地转动，在两车轮转动过程中，转轴、车轮轴承、车轮、支撑底盘一起转动，由于转轴在自传过程中是在转轴轴承内旋转，因此，保持了转轴上端的车体连接盘不动，又由于车体连接盘同车体绑定，从而实现车体姿态不动而车辆改变方向的目的。其控制过程为：首先，嵌入式控制器控制电机让车轮转，各组万向运动机构的车轮同步转动到相同角度，然后，由主控制器发出指令，使各个万向运动机构沿着轮子方向作直线运动；最后，通过调整每组机构中的两车轮的速度差，进而将所有轮子方向调整为同一个前进方向。嵌入式控制器在调整方向时，实时的方向角度值通过安装在转轴上端的码盘获得。

如图12所示，当AGV运输车作原地旋转运动时，第一步，使各个万向运动机构车轮方向旋转至如图12所示位置，此时车体位姿不变而各组机构车轮方向改变；第二步，让摆好方向的各组车轮分别沿着力的方向运动，在运动过程中，各组电机分别将力传给各自的转轴，转轴再沿力的方向推动转轴圆盘，由于力的合成产生了旋转扭矩，旋转扭矩使车体进行原地旋转。由于转轴圆盘同车体固定在一起，因此，在车体作原地旋转过程中，转轴、车轮、车轮圆盘、车体同步旋转。

当AGV运输车作任意给定曲线运动时，曲线上任一点相对于起始点会有一个位置偏差和角度偏差，通过使车体不断产生位置偏差和角度偏差，即可实现车体作任意曲线运动。其实现原理是：根据位置偏差和角度偏差求导得到AGV运输车的线速度和角速度要求，以电机为动力源，假设是4组机构(每组2个电机)，8个轮子，根据AGV运输车运动学的特点，让8个电机在不同时刻产生不同转速从而使得每两个轮子构成的万向运动机构在相应时刻具有相应的线速度和角速度，四组万向运动机构的线速度和角速度合成为AGV运输车的在空间中的线速度和角速度，即给定曲线所要求的线速度和角速度，进而AGV运输车按照所给定的曲线进行运动。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种用于AGV的紧凑式万向运动机构，其特征在于：包括支撑底盘、转轴、两台电机、两套传动机构、两对车轮轴承和两个车轮，转轴的下端垂直固装在支撑底盘的中心位置上，两台电机、两套传动机构、两对车轮轴承对称固装在支撑底盘的上表面，两台电机位于垂直于转轴的平面内的转轴两侧，两个车轮分别位于垂直于转轴的平面内与电机互为垂直的转轴另外两侧，并通过两对车轮轴承分别安装在支撑底盘上设有的车轮槽内，两台电机的一端均安装有码盘，两台电机的另一端分别与各自的传动机构相连接，两套传动结构分别与各自的车轮连接在一起；转轴上端套装在转轴轴承内，该转轴轴承通过车体连接盘与车体固装在一起，在转轴的最上端固装一码盘。

2.根据权利要求1所述的一种用于AGV的紧凑式万向运动机构，其特征在于：所述的传动机构包括减速器和传动齿轮，减速器连接在电机的输出端，减速器的输出端与传动齿轮啮合在一起，传动齿轮通过一对车轮轴承与车轮安装在一起。

3.根据权利要求1所述的一种用于AGV的紧凑式万向运动机构，其特征在于：所述的传动机构包括减速器和传动带，减速器连接在电机的输出端，减速器的输出端与传动带通过带轮连接在一起，传动带的另一端通过与车轮连在一起的带轮连接在一起。

4.根据权利要求2或3所述的一种用于AGV的紧凑式万向运动机构，其特征在于：所述的减速器包括一级减速器和二级减速器。

5.根据权利要求1所述的一种用于AGV的紧凑式万向运动机构，其特征在于：所述的转轴轴承包括两组。

6.根据权利要求1所述的一种用于AGV的紧凑式万向运动机构，其特征在于：所述的支撑底盘为圆形，所述的车体连接盘为圆形。

7.一种具有万向运动功能的AGV运输车，其特征在于：由权利要求1至6任一项所述的紧凑式万向运动机构与AGV车体连接构成。

8.根据权利要求7所述的一种具有万向运动功能的AGV运输车，其特征在于：所述AGV车体安装的紧凑式万向运动机构的数量至少为1个。

Images