CN102616103B - 一种麦克纳姆轮全向移动车 - Google Patents

Abstract

一种麦克纳姆轮全向移动车及其工作方法。涉及一种设有麦克纳姆轮的全方位移动车及其工作方法，特别适用于在狭小空间内实现车辆的全方位移动。提供了一种使四轮均匀着地，且能最大限度保持车架水平的麦克纳姆轮全向移动车及其工作方法。包括车架、电源、控制器和麦克纳姆轮，所述麦克纳姆轮通过气囊悬挂装置连接于车架底部；所述气囊悬挂装置包括阻尼器、气囊、气源、气阀和高度调节装置；所述阻尼器和气囊的顶端固定连接于车架底面，所述麦克纳姆轮的车轴连接在所述阻尼器和气囊的底端；所述气囊通过所述气阀连接所述气源。本发明对车架的水平、车架与车轮间的距离形成的“闭环”控制，使得本发明的车轮能适应特殊行业的使用需求。

Description

一种麦克纳姆轮全向移动车

技术领域

本发明属于车辆工程领域，具体来说，涉及一种设有麦克纳姆轮的全方位移动车及其工作方法，该全方位移动车特别适用于在狭小空间内实现车辆的全方位移动。

背景技术

麦克纳姆轮（Mecanum Wheel）是一种全方位移动车轮，1973年由瑞士人Bengt Lion发明，所以也叫Lion 轮。麦克纳姆轮的特点是在传统车轮的基础上，在轮缘上再沿与轴线成45^o方向安装若干可以自由旋转的小滚子，这样在车轮滚动时，小滚子就会产生测向运动。通过麦克纳姆轮的组合使用和控制，可以使车体产生运动平面内的任意方向移动和转动。

1975年，Lion获得美国专利，专利号3,746,112，专利名称 Directionally Stable Self Propelled Vehicle（中文翻译：直接稳定自驱动车）。1980年美国海军买得该专利并进行军事应用开发，1996年该专利失效后，美国及世界众多大学、研究机构和公司进行应用开发和再发明，应用领域涉及全方位移动的叉车、搬运车、轮椅、弹药运输车、移动机器人等。

采用全方位移动技术后，可以显著提高搬运效率和灵活性、减小货物存储空间20％～30％、尤其对于狭小空间移动物体，具有不可取代的作用。目前，成功的应用例子有美国AirTrix公司的Sidewinder全方位移动叉车、COBRA全方位移动升降机、MP2全方位搬运拖车、全方位弹药转载机；卡内基梅隆大学的全方位机器人、美国Ominx公司的全方位移动轮椅、喷气发动机全方位移动托架等产品。包括我国在内的世界众多大学也开展了麦克纳姆轮的应用和控制研究，但是多集中在移动机器人方面的应用研究，形成产品的很少。

目前涉及麦克纳姆全方位移动机构的专利有：

1、瑞士Lion的美国专利“直接稳定自驱动车”（U.S. Pat. No.3746112，，“Directionally Stable Self Propelled Vehicle”），首先发明了麦可纳姆轮。

2、美国AirTrix公司的美国专利“低振动全方位轮”（U.S. Pat. No. 6340065，和6547340,“Low Vibration Omni-Directional Wheel”），美国专利“低振动全方位轮设计方法”（U.S. Pat. No. 6394203,“Method for designing low-vibration Omni-Directional Wheels”），美国专利“地面搬运设备用全方位自驱动车”（U.S. Pat. No. 5701966, “Omni-Directional self-propelled vehicle for ground handling of equipment”）在Lion的基础上，针对载荷作用下，因麦可纳姆轮滚子与地面接触面积变化而导致弹性变形不均匀，引起的车体上下振动，发明了低噪声全方位轮及其设计方法，并将该技术运用于地面搬运车设计。

3、美国专利“全方位武器装填车”（US Pat. No.6668950, “Omni-directional munitions handling vehicle”）, 美国专利“飞机维护装置和维护方法”（US Pat. No. 6477730, “Aircraft maintenance apparatus and method of maintaining aircraft”）, 正在申请的美国专利“先进武器装填者”（US Pat. App. No. EP20050472003, “Advanced weapons loader”）,都是将麦可纳姆轮运用于各类移动搬运装备的发明。

4、国内全方位车轮相关的专利有：

哈工大阎国荣；张海兵的“一种全方位轮”（01209535.4）、上海交大 冷春涛；曹其新；王美龄；刘伟豪，的“全方位轮”（200610024277.3）和国防科学技术大学 海 丹；刘玉鹏；郑志强；柳 林；季秀才；刘 斐的“全向轮”（200520052595.1），都是对垂直小滚子全向轮的一种变化，不是麦克纳姆轮。

申请日：2010.12.27.、申请号：201010611789.6、名称：电动全方位移动车的专利技术，公开了一种利用麦克纳姆轮作为运动轮的车辆，但在涉及路面不平（有凹凸坑）情况时，如何保证车辆按规定轨迹行驶没有提供技术手段。 

本申请人技术人员，在研发全自动麦克纳姆轮车时，偶然发现车辆的行驶轨迹经常与设定轨迹之间出现偏差。通过深入的研究发现，原因在于：设有麦克纳姆轮的移动车辆在移动过程中，由于地面的凹凸不平，导致载荷不均衡，车架容易产生上下震动；最为关键的是使车轮不能均匀接触地面，造成各轮与地面之间的摩擦力不均匀，使得运行轨迹出现偏差。  

发明内容

本发明针对以上技术问题，提供了一种使四轮均匀着地，进而确保自动运行时轨迹符合设定要求，且能最大限度保持车架水平的麦克纳姆轮全向移动车。

本发明的技术方案是：包括车架、电源、控制器和麦克纳姆轮，所述麦克纳姆轮通过气囊悬挂装置连接于车架底部；

所述气囊悬挂装置包括阻尼器、气囊、气源、气阀和高度调节装置；

所述阻尼器和气囊的顶端固定连接于车架底面，所述麦克纳姆轮的车轴连接在所述阻尼器和气囊的底端；

所述气囊通过所述气阀连接所述气源。

所述高度调节装置包括纵向悬臂、Z向连杆、Y向连杆、角度可调式连接组件和高度阀；所述麦克纳姆轮的车轴是通过所述纵向悬臂连接在所述阻尼器和气囊的底端，所述纵向悬臂的一端铰接在所述车架底面上、另一端铰接在所述阻尼器的底端；所述麦克纳姆轮的车轴设在所述纵向悬臂的中段的下部，所述气囊的底端设在所述阻尼器连接点和所述车轴连接点之间纵向悬臂的上部；所述Z向连杆的底端铰接在所述车轴连接点和车架连接点之间纵向悬臂的上部；所述Z向连杆的顶端通过所述角度可调式连接组件连接Y向连杆的一端，所述Y向连杆连接所述高度阀，所述高度阀的进气口连接所述气源、工作气口连接所述气囊、排气口连通外部空气。

在所述车轴与所述纵向悬臂之间设有压力传感器，所述压力传感器连接所述控制器。

还包括Y向连杆角度传感器，Y向连杆角度传感器连接所述控制器。

所述角度可调式连接组件包括驱动动力源，所述驱动动力源为伺服电机或电动推杆；使得所述Z向连杆和Y向连杆之间的角度可调。

所述高度调节装置还包括电磁阀；所述电磁阀连接在所述气源和气囊之间，所述电磁阀连接所述控制器。

所述高度调节装置还包括气压传感器，所述气压传感器连接所述气囊，用于接收所述气囊内的工作气压；所述气压传感器连接所述控制器。

还包括水平传感器；所述水平传感器设在所述车架上，用于接收所述车架的姿态；所述水平传感器连接控制器。

本发明的工作方法，按以下步骤工作进行：

1）、往控制器中输入运行轨迹；调整各Y向连杆与水平面夹角为0；

2）、往车架上装载物品，控制器接收水平感应器信息，通过各气囊使车架调整至水平；为控制车轮与车架间距离在合理范围内，在调整水平时，保证其中至少一个Y向连杆与水平面夹角为0；

3）、控制器记录各Z向连杆和Y向连杆之间的角度；并通过角度可调式连接组件的驱动动力源锁定Z向连杆和Y向连杆之间的角度；

4）、在运行过程中，其中一只车轮出现升降时，利用高度阀调整该车轮对应气囊的高度，以恢复车架的水平，同时保证车轮与地面保持接触。 

本发明的悬挂机构采用气浮支撑方式，在麦克纳姆轮与车架的接触处采用可控气囊，以保证在车体运动中，减少地面凹凸不平引起的车体震动，并保持麦克纳姆轮均匀接触地面，以保证运行轨迹符合设计要求。在一些特定场合，对一些“危险品”需进行点对点的运输，本案的车辆在录入点与点之间运行轨迹数据后，利用遥控或手动操作驾驶至装载点，装载物品后，由于难以避免出现偏载等因素，需设定、调整初始状态，以确保车架水平；在行驶过程中，难以避免地面会有凸起、凹坑，遇到这样的情况，如果不进行处理，会导致车辆运行轨迹出现偏差。此时，车轮的瞬间上升或下降会通过纵向悬臂传导给Z向连杆，再由Z向连杆传导给Y向连杆，Y向连杆控制高度阀对气囊进行放气或充气，以调整该车轮与车架之间的高度。但遇有运行过程中，车架上物品发生移动，导致出现新的偏载时，控制器可以指令各驱动动力源接触锁定，再指令相关电磁阀调整相关气囊，使车架恢复水平。本发明对车架的水平、车架与车轮间的距离形成的“闭环”控制，使得本发明的车轮能适应特殊行业的使用需求。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，

图2是本发明中高度调节装置的结构原理示意图一，

图3是本发明中高度调节装置的结构原理示意图二，

图4是本发明中气路控制原理图，

图5是本发明工作原理框图；

图中1是车轮一，2是车轮二，3是车轮三，4是车轮四，5是车架，6是电源，7是控制器，8是储气罐，9是气泵，10是阻尼器，11是气囊，12是车轮驱动电机，13是高度调节装置，14是高度阀，15是地面，131是纵向悬臂，132是Z向连杆，133是角度可调式连接组件，134是Y向连杆，135是电动推杆。

具体实施方式

本发明如图1-4所示：包括车架5、电源6、控制器7和麦克纳姆轮（车轮一1、车轮二2、车轮三3、车轮四4），所述麦克纳姆轮通过气囊悬挂装置连接于车架5底部；

所述气囊悬挂装置包括阻尼器10、气囊11、气源（包括气泵9和储气罐8）、气阀和高度调节装置；

所述阻尼器10和气囊11的顶端固定连接于车架5底面，所述麦克纳姆轮的车轴连接在所述阻尼器10和气囊11的底端；阻尼器10和气囊11相当于并联连接；

所述气囊11通过所述气阀连接所述气源。

所述高度调节装置包括纵向悬臂131、Z向连杆132、Y向连杆134、角度可调式连接组件133和高度阀14；所述麦克纳姆轮的车轴是通过所述纵向悬臂131连接在所述阻尼器10和气囊11的底端的，所述纵向悬臂131的一端铰接在所述车架5底面上（图2、3中剖面线在横线之上的，均表示车架底面）、另一端铰接在所述阻尼器10的底端；所述麦克纳姆轮的车轴设在所述纵向悬臂131的中段的下部，所述气囊11的底端设在所述阻尼器10连接点和所述车轴连接点之间纵向悬臂131的上部；所述Z向连杆132的底端铰接在所述车轴连接点和车架连接点之间纵向悬臂131的上部；所述Z向连杆132的顶端通过所述角度可调式连接组件131连接Y向连杆134的一端，所述Y向连杆134连接所述高度阀14，所述高度阀14的进气口连接所述气源、工作气口连接所述气囊11、排气口连通外部空气。这里需要说明的是：Y向连杆134通过摆动动作控制高度阀14对气囊11进行充气、放气是本领域已有的技术，本文对高度阀14的内部结构以及Y向连杆134对高度阀的控制过程不再赘述。本发明机械式高度阀的优点是，高度差大时，进气量大；高度差小时，进气量小，具有实时自动调节充放气量的能力，适应性强，结构简单，故障率低。

在所述车轴与所述纵向悬臂131之间设有压力传感器，所述压力传感器连接所述控制器。掌握该位置车轮承受的载荷，对调整起参考作用。

还包括Y向连杆角度传感器，Y向连杆角度传感器连接所述控制器。该传感器对初始状态的设定起重要作用。因为装载物品后，经常会出现偏载的情况，比如前重后轻、左重右轻等，此时，需要在该种装载状态下，使车架5被动调整为水平状态，调整后，Y向连杆134与水平面的夹角则作为初始数据被记录。

所述角度可调式连接组件包括驱动动力源，所述驱动动力源为伺服电机或电动推杆135；使得所述Z向连杆和Y向连杆之间的角度可调。如图3中所示，电动推杆135连接在两连杆之间，当然，此种结构状态下角度可调式连接组件133则可以仅仅是一个铰接连接结构。

所述高度调节装置还包括电磁阀；所述电磁阀连接在所述气源和气囊11之间，所述电磁阀连接所述控制器。在进行初始状态调整时对气囊11进行调整的。当然也可以借用高度阀14实现此功能，但需要对其进行改型，加入电控装置即可。

所述高度调节装置还包括气压传感器，所述气压传感器连接所述气囊11，用于接收所述气囊内的工作气压；所述气压传感器连接所述控制器。该特征也出于设定初始状态的考虑，在调整车架水平后，各气囊内气压可能是不同的，初始气压值对后续的工作调整仍有参考作用。该传感器还可防止气囊11意外漏气。

还包括水平传感器；所述水平传感器设在所述车架5上，用于接收所述车架5的姿态；所述水平传感器连接控制器。

本发明的工作方法，如图5所示，按以下步骤工作进行：

1）、往控制器中输入运行轨迹；调整各Y向连杆与水平面夹角为0；

2）、往车架上装载物品，控制器接收水平感应器信息，通过各气囊使车架调整至水平；为控制车轮与车架间距离在合理范围内，在调整水平时，保证其中至少一个Y向连杆与水平面夹角为0；

3）、控制器记录各Z向连杆和Y向连杆之间的角度；并通过角度可调式连接组件的驱动动力源锁定Z向连杆和Y向连杆之间的角度；

4）、在运行过程中，其中一只车轮出现升降时，利用高度阀调整该车轮对应气囊的高度，以恢复车架的水平，同时保证车轮与地面保持接触。

本发明的工作原理是：车轮滚动时，小滚子就会产生侧向运动，通过麦克纳姆轮的组合使用和控制，可以使车架5产生运动平面内的任意方向移动和转动。当麦克纳姆轮行走时，车轮的上升下降带动Z向连杆上下运动，连杆的上、下运动使高度阀阀门打开或关闭。高度控制阀的阀门的打开或关闭，将对各气囊进行充气或者放气调整，从而达到预定的高度值。气囊11拉伸或收缩时，车架5将调整到设定的工作高度。阻尼器起到与气囊拉伸或收缩变化时反向阻尼作用。采用空气式悬架机构，可使各麦克纳姆轮均匀接触地面，同时也减少因地面不平而引起的车架行驶震动。同时，采用麦克纳姆轮可以显著提高搬运效率和灵活性、减小货物存储空间20％～30％、尤其对于狭小空间移动物体，具有不可取代的作用。

在正常行走时，采用机械高度控制器，根据地面状况实时调节对气囊11的充放气，从而保持车辆恒定的行驶高度。高度阀14会随着底盘悬挂整体高度降低量的多少，而实时调整打开气阀的大小。当车架高度低于标准高度值较小量时，高度阀只打开一个小口，只有较小的气量来补充气囊，使其恢复到标准高度，不会因充气量过大，而过充气囊，使车架的高度高于标准高度的现象；当车架高度有较大的变化时，高度阀会随着高度差的增大，线性地打开更大的开口，让较多的气量来快速补充气囊，在较短的时间内使其恢复到正常高度，在即将达到标准高度前，按比例减少气流量降低上升速度，使系统充放气恰当，避免出现任何过冲现象。同时，此过程不受电子控制部分的影响，不会造成在行走时，因电子系统中任何部件出现问题而造成的高度波动，从而使整个车架产生非正常意愿的倾斜，造成车架上的货物在行驶中滑落。

该结构的全方位移动车中的悬挂机构采用了“可控式空气弹簧结构”（即气囊、阻尼器并联），其固有频率范围低，仅0.5HZ到3.5HZ，再加上空气作为隔离震动介质，可隔离90%以上的地面震动。由于“可控式空气弹簧结构”没有密封件，不会断裂或磨耗，可延长车架使用年限、降低成本。同时，“可控式空气弹簧结构”可以长期在恶劣环境下使用，质量稳定、寿命长、维修费用低。

该结构的全方位移动车中的机械高度控制回路，在高度差大时，进气量大；高度差小时，进气量小，可实时自动调节充放气量，调节车体平衡。该控制系统适应性强、结构简单、故障率低。

悬架高度固定机构，具有快速达到固定高度并自动锁定，快速解锁并恢复行驶高度的能力，稳定性高，故障率低，控制方便。

底盘悬挂系统，采用机械电子复合控制的空气悬架控制模式，即能保证在正常行走时，不受电子信号或其它电信号的干扰，造成过度充气或放气的现象；又能在需要特定固定高度时，由电磁阀直接控制主管路，调整整车底盘的高度，达到快速充放气的目的。

电子控制的空气悬架固定高度控制系统，包括电控单元、电磁阀、传感器、气囊等部件组成，它可通过专用CAN接口，与整车信息进行通讯共享，接收和发送所有需要处理的各种信号。高度传感器负责检测车辆高度的变化，电控单元将接受输入信息，判断当前车辆状态及操作人员发出的指令，控制电磁阀工作，进而实现对各个气囊主管路的充放气的调节。

Claims (7)

1.一种麦克纳姆轮全向移动车，包括车架、电源、控制器和麦克纳姆轮，所述麦克纳姆轮通过气囊悬挂装置连接于车架底部；

所述气囊悬挂装置包括阻尼器、气囊、气源、气阀和高度调节装置；

所述阻尼器和气囊的顶端固定连接于车架底面，所述麦克纳姆轮的车轴连接在所述阻尼器和气囊的底端；

所述气囊通过所述气阀连接所述气源；其特征在于，

所述高度调节装置包括纵向悬臂、Z向连杆、Y向连杆、角度可调式连接组件和高度阀；所述麦克纳姆轮的车轴是通过所述纵向悬臂连接在所述阻尼器和气囊的底端，所述纵向悬臂的一端铰接在所述车架底面上、另一端铰接在所述阻尼器的底端；所述麦克纳姆轮的车轴设在所述纵向悬臂的中段的下部，所述气囊的底端设在所述阻尼器连接点和所述车轴连接点之间纵向悬臂的上部；所述Z向连杆的底端铰接在所述车轴连接点和车架连接点之间纵向悬臂的上部；所述Z向连杆的顶端通过所述角度可调式连接组件连接Y向连杆的一端，所述Y向连杆连接所述高度阀，所述高度阀的进气口连接所述气源、工作气口连接所述气囊、排气口连通外部空气。

2.根据权利要求1所述的一种麦克纳姆轮全向移动车，其特征在于，在所述车轴与所述纵向悬臂之间设有压力传感器，所述压力传感器连接所述控制器。

3.根据权利要求1所述的一种麦克纳姆轮全向移动车，其特征在于，还包括Y向连杆角度传感器，Y向连杆角度传感器连接所述控制器。

4.根据权利要求1所述的一种麦克纳姆轮全向移动车，其特征在于，所述角度可调式连接组件包括驱动动力源，所述驱动动力源为伺服电机或电动推杆；使得所述Z向连杆和Y向连杆之间的角度可调。

5.根据权利要求1所述的一种麦克纳姆轮全向移动车，其特征在于，所述高度调节装置还包括电磁阀；所述电磁阀连接在所述气源和气囊之间，所述电磁阀连接所述控制器。

6.根据权利要求1所述的一种麦克纳姆轮全向移动车，其特征在于，所述高度调节装置还包括气压传感器，所述气压传感器连接所述气囊，用于接收所述气囊内的工作气压；所述气压传感器连接所述控制器。

7.根据权利要求1-6中任一所述的一种麦克纳姆轮全向移动车，其特征在于，还包括水平传感器；所述水平传感器设在所述车架上，用于接收所述车架的姿态；所述水平传感器连接控制器。

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