CN104494721B - 基于麦克纳姆轮的摇杆式全方位移动平台 - Google Patents

基于麦克纳姆轮的摇杆式全方位移动平台 Download PDF

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Abstract

一种基于麦克纳姆轮的摇杆式全方位移动平台，包括主车体(1)，左、右旋麦克纳姆轮组件(3)、(5)，摇杆悬架一、二(2)、(15)和平衡机构(6)；所述的摇杆悬架一、二的中部对称地以转动副与主车体的左右两侧相铰联；所述的平衡机构的横摇杆(8)的中部与主车体一端以转动副(10)相铰联，所述的平衡机构的侧连杆一、二(9)、(11)一端分别与横摇杆的左右两端以球副相铰联，另一端分别与摇杆悬架一、二以球副相铰联；所述的摇杆悬架的两端分别固定有两种不同旋向的麦克纳姆轮组件，且摇杆悬架一、二同端的麦克纳姆轮旋向相反；本发明的车轮能始终与地面接触且分担载荷，使本发明具有较好的运动可控性和地形通过性。

Description

基于麦克纳姆轮的摇杆式全方位移动平台
技术领域
本发明涉及一种全方位移动平台，属于移动平台行走机构研究领域。
背景技术
全方位移动技术在移动机器人、叉车、搬运车和轮椅等领域得到广泛的应用。通常采用麦克纳姆轮作为行走机构。使用麦克纳姆轮作为行走机构时，移动平台运动时，要求四轮与地面能够良好的接触，且均衡承重，因此，要求基于麦克纳姆轮的移动平台使用场合的地面尽量的平整。但，实际的地面不一定都十分理想，可能存在起伏、变坡、凸台、台阶、沟道等障碍地形，在这种路况下，麦克纳姆轮移动平台可能存在某个车轮悬空和车轮承重不均匀的情况。这样，麦克纳姆轮移动平台的运动将不能得到良好的控制，运动与控制将存在较大的偏差，越障性能和地形适应性不佳。因此，研究一种能够自适应地形的，运行时与地面接触良好，较均匀的分担承重，具有一定的越障与地形通过能力的全方位移动平台十分必要。
为了解决上述问题，国家自然科学基金青年基金(51205391)的支持下，本研究团队通过进一步研究，探索了一种基于麦克纳姆轮的摇杆式全方位移动平台。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述的问题，提供一种基于麦克纳姆轮的摇杆式全方位移动平台，该移动平台能够被动的自适应不平地形，保证所有车轮均能够接触地面，分担移动平台的载荷，提高移动平台可控性以及越障与地形通过能力。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
基于麦克纳姆轮的摇杆式全方位移动平台，包括主车体、左旋麦克纳姆轮组件和右旋麦克纳姆轮组件，其特征在于：还包括摇杆悬架一、摇杆悬架二和平衡机构；所述的摇杆悬架一和摇杆悬架二的结构左右对称，二者对称地布置在主车体的左右两侧，所述的摇杆悬架一和摇杆悬架二的中部分别与主车体左右两侧以转动副相铰联，且两个转动副同轴线；所述的平衡机构呈左右对称设置，由呈几何对称的横摇杆以及呈左右对称的侧连杆一和侧连杆二组成，横摇杆的中部与主车体一端的中部以转动副相铰联，且该转动副轴线处于主车体左右对称面上，横摇杆的左右两端分别与侧连杆一和侧连杆二的一端以球副相铰联，侧连杆一和侧连杆二的另一端分别与左右两侧的摇杆悬架一和摇杆悬架二以球副相铰联，且铰联位置左右对称；所述的左旋麦克纳姆轮组件由左旋麦克纳姆轮与驱动单元联接而成，所述的右旋麦克纳姆轮组件由右旋麦克纳姆轮与驱动单元联接而成；所述的摇杆悬架一的前后两端分别固定有两种不同旋向的麦克纳姆轮组件，所述的摇杆悬架二的前后两端分别固定有两种不同旋向的麦克纳姆轮组件，且摇杆悬架一和摇杆悬架二的同端的麦克纳姆轮组件的麦克纳姆轮旋向相反。
优选地，所述的平衡机构的横摇杆的中部与主车体构成的转动副的轴线垂直于主车体的前视投影面；侧连杆一和侧连杆二呈上下方向设置，侧连杆一和摇杆悬架一相铰联的球副的位置与摇杆悬架一中部的转动副的轴线在摇杆悬架一的前后水平方向存在一定的偏距；侧连杆二和摇杆悬架二之间的连接结构与侧连杆一和摇杆悬架一的连接结构对称。
优选地，所述的平衡机构的横摇杆的中部与主车体构成的转动副的轴线垂直于主车体的上视投影面，侧连杆一和侧连杆二呈前后方向设置，侧连杆一和摇杆悬架一相铰联的球副的位置与摇杆悬架一中部的转动副的轴线在摇杆悬架一的竖直方向存在一定的偏距；侧连杆二和摇杆悬架二之间的连接结构与侧连杆一和摇杆悬架一的连接结构对称。
通过上述技术方案与结构，本发明的主车体、左右两摇杆悬架通过平衡机构连接在一起，其左右两摇杆悬架均可相对主车体摇动，且实现了三者联动。因此，主车体的载荷通过摇杆悬架一、摇杆悬架二和平衡机构分担在四个麦克纳姆轮上；当本移动平台行驶在平整地面上时，左右两侧的摇杆悬架相对主车体保持不动。当本发明行驶在高低不平的地面上时，主车体的载荷迫使两摇杆悬架相对主车体摇动，使四个麦克纳姆轮始终与地面接触，同时主车体的载荷也通过平衡机构分担在四个麦克纳姆轮上。这样，无论平整地面还是非平整地面，每一个麦克纳姆轮均能始终为本移动平台提供驱动力，这样本移动平台的运动可得到较好的控制。通过控制四个麦克纳姆轮的转动速度和方向，可以实现移动平台的前进、后退、左右横向行驶、任意角度行驶、原地转向、任意转弯半径的转向等全方位移动。麦克纳姆轮的转动速度、方向与各种运动形式的关系已是公知的技术本说明书不作详细罗列。因此，本移动平台尤其是作正向、反向、转向等运动时，具有良好的地形适应性和一定的越障能力。主车体也随摇杆悬架的摇动产生一定的仰俯运动，平衡机构可对左右摇杆悬架的摆角进行近似平均，使主车体产生较小的仰俯角，保证了移动平台的运行平稳性。
利用本发明可以设计全方位移动机器人，也可用于搬运车和叉车以及全方位移动轮椅的设计，使其具有更好的地面适应性，扩大使用场所与应用范围。
采用上述的方案，可以达到以下几点有益效果：(1)采用麦克纳姆轮行走机构，实现了移动平台的全方位移动(2)采用摇杆悬架和平衡机构，使本移动平台能够被动适应地形，使四个麦克纳姆轮始终与地面接触，同时主车体的载荷分担在四个麦克纳姆轮上，这样本移动平台的运动可得到较好的控制；(3)本移动平台具有一定的越障与地形通过能力。
附图说明
图1为本发明实施例一的立体图；
图2为图1所示实施例一在不平整地面上行驶时的状态图；
图3为本发明实施例二的立体图；
图4为图1所示实施例二在不平整地面上行驶时的状态图；
图5为利用图1所示实施例一设计的全方位轮椅的结构简图；
图6为利用图3所示实施例二设计的全方位轮椅的结构简图；
图7为利用图3所示实施例二设计的巡检机器人的结构简图。
图中：1、主车体 2、摇杆悬架一 3、左旋麦克纳姆轮组件 3-1、左旋麦克纳姆轮 3-2、驱动单元 4、转动副 5、右旋麦克纳姆轮组件 6、平衡机构 7、球副 8、横摇杆 9、侧连杆一 10、转动副 11、侧连杆二 12、球副 13、球副 14、球副 15、摇杆悬架二
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参照附图1、2、3、4：
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
基于麦克纳姆轮的摇杆式全方位移动平台，包括主车体1、左旋麦克纳姆轮组件3和右旋麦克纳姆轮组件5，其特征在于：还包括摇杆悬架一2、摇杆悬架二15和平衡机构6；所述的摇杆悬架一2和摇杆悬架二15的结构呈左右对称，二者对称地布置在主车体1的左右两侧，所述的摇杆悬架一2和摇杆悬架二15的中部分别与主车体1左右两侧以转动副相铰联，且两个转动副同轴线；所述的平衡机构6呈左右对称设置，由呈几何对称的横摇杆8以及呈左右对称的侧连杆一9和侧连杆二11组成，横摇杆8的中部与主车体1一端的中部以转动副10相铰联，且该转动副轴线处于主车体左右对称面上，横摇杆8的左右两端分别与侧连杆一9和侧连杆二11的一端以球副相铰联，侧连杆一9和侧连杆二11的另一端分别与左右两侧的摇杆悬架一2和摇杆悬架二15以球副相铰联，且铰联位置左右对称；所述的左旋麦克纳姆轮组件3由左旋麦克纳姆轮3-1与驱动单元3-2联接而成，所述的右旋麦克纳姆轮组件5由右旋麦克纳姆轮与驱动单元联接而成；所述的摇杆悬架一2的前后两端分别固定有两种不同旋向的麦克纳姆轮组件，所述的摇杆悬架二15的前后两端分别固定有两种不同旋向的麦克纳姆轮组件，且摇杆悬架一2和摇杆悬架二15的同端的麦克纳姆轮组件的麦克纳姆轮旋向相反。
实施例一
参照附图1、2：
图1为本发明的实施例一的立体图，该实施例中，所述的摇杆悬架一2和摇杆悬架二15的结构呈左右对称，二者对称地布置在主车体1的左右两侧，所述的摇杆悬架一2与主车体1左侧以转动副4相铰联，所述的摇杆悬架二15与主车体1右侧同样以转动副相铰联，且两个转动副同轴线。所述的平衡机构6的横摇杆8的中部与主车体1构成的转动副10的轴线垂直于主车体1的前视投影面；侧连杆一9和侧连杆二11呈上下方向设置，侧连杆一9下端与横摇杆8的一端以球副7相铰联，侧连杆一9的上端与摇杆悬架一2的一端以球副13相铰联；侧连杆一9和摇杆悬架一2相铰联的球副13的位置与摇杆悬架一1中部的转动副4的轴线在摇杆悬架一2的前后方向存在一定的偏距，图1中所述的球副13的位置处于摇杆悬架一2的后端；侧连杆二11下端与横摇杆8以球副12铰联，侧连杆二11上端与摇杆悬架二15以球副14铰联，侧连杆二11和摇杆悬架二15之间的连接结构与侧连杆一9和摇杆悬架一2的连接结构对称。在本实施例一中，采用关节轴承实现球副铰接，侧连杆的两端均设有关节轴承，采用联接销轴将关节轴承与 摇杆悬架和横摇杆相联接。麦克纳姆轮组件由麦克纳姆轮与驱动单元联接而成，本实施例一中，驱动单元采用了直流减速电机，麦克纳姆轮组件通过直流减速电机的固定在摇杆悬架的前后两端。摇杆悬架一2的前后两端分别联接有左旋麦克纳姆轮组件3和右旋麦克纳姆轮组件5，摇杆悬架二15的前后两端分别联接有右旋麦克纳姆轮组件5和左旋麦克纳姆轮组件3。
通过上述技术方案与结构，本发明的主车体1、摇杆悬架一2和摇杆悬架二15通过平衡机构6连接在一起，其左右两摇杆悬架均可相对主车体1摇动，且实现了三者联动。因此，主车体1的载荷通过摇杆悬架一2、摇杆悬架二15和平衡机构6分担在四个麦克纳姆轮上；当本移动平台行驶在平整地面上时，左右两侧的摇杆悬架相对主车体1保持不动。当本发明行驶在高低不平的地面上时，如图2所示，当其左侧的摇杆悬架一2的前端的麦克纳姆轮攀爬障碍地形时，摇杆悬架一2的前端相对地面抬起一定角度；右侧的麦克纳姆轮均处于平整地面，右侧的摇杆悬架二15则与地面平行，摇杆悬架一2通过平衡机构6使主车体1有一定的仰角；同样，主车体1的载荷迫使摇杆悬架一2和摇杆悬架二15相对主车体1摇动，使四个麦克纳姆轮始终与地面接触，同时主车体1的载荷也通过平衡机构6分担在四个麦克纳姆轮上。这样，无论平整地面还是非平整地面，每一个麦克纳姆轮均能始终为本移动平台提供驱动力，这样本移动平台的运动可得到较好的控制，也保证了移动平台的运动可靠性。本发明的电气与控制系统置于主车体内(本说明书不作描述)，通过控制四个麦克纳姆轮的转动速度和方向，可以实现移动平台的前进、后退、左右横向行驶、任意角度行驶、原地转向、任意转弯半径的转向等全方位移动。麦克纳姆轮的转动速度、方向与各种运动形式的关系已是公知的技术本说明书不作详细罗列。因此，本移动平台尤其是作正向、反向、转向等运动时，具有良好的地形适应性和一定的越障能力。主车体也随摇杆悬架的摇动产生一定的仰俯运动，平衡机构可对左右摇杆悬架的摆角进行近似平均，使主车体产生较小的仰俯角，保证了移动平台的运行平稳性。
实施例二
参照附图3、4：
图3为本发明的实施例二的立体图，与实施例一的不同之处在于，所述的平衡机构6的横摇杆8的中部与主车体构成的转动副10的轴线垂直于主车体1的上视投影面，侧连杆一9和侧连杆二11呈前后方向设置，侧连杆一9和摇杆悬架一2相铰联的球副13的位置与摇杆悬架一13中部的转动副4的轴线在摇杆悬架一13的竖直方向存在一定的偏距；侧连杆二11和摇杆悬架二15之间的连接结构与侧连杆一9和摇杆悬架一2的连接结构对称。实施例二与图2所示的实施例一的工作原理相似，图4为本发明的实施例二通过不平整地面时的状态图，采用此技术方案与结构同样可使四个麦克纳姆轮始终与地面接触，同时主车体1的载荷也通过平衡机构6分担在四个麦克纳姆轮上，保证了移动平台的运动可靠性。
采用上述的方案，可以达到以下几点有益效果：(1)采用麦克纳姆轮行走机构，实现了移动平台的全方位移动(2)采用摇杆悬架和平衡机构，使本移动平台能够被动适应地形，使四个麦克纳姆轮始终与地面接触，同时主车体的载荷分担在四个麦克纳姆轮上，这样本移动平台的运动可得到较好的控制；(3)本移动平台具有一定的越障与地形通过能力。
利用本发明可以设计全方位移动机器人，也可用于搬运车和叉车以及全方位移动轮椅的设计。图5为利用图1所示实施例一设计的全方位轮椅的结构简图，图6为利用图3所示实施例二设计的全方位轮椅的结构简图，图7为利用图3所示实施例二设计的巡检机器人的结构简图。本发明具有良好的运动控制性和地形适应性，具有广泛的应用领域。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (3)

1.一种基于麦克纳姆轮的摇杆式全方位移动平台，包括主车体(1)、左旋麦克纳姆轮组件(3)和右旋麦克纳姆轮组件(5)，其特征在于：还包括摇杆悬架一(2)、摇杆悬架二(15)和平衡机构(6)；所述的摇杆悬架一(2)和摇杆悬架二(15)的结构呈左右对称，二者对称地布置在主车体(1)的左右两侧，所述的摇杆悬架一(2)和摇杆悬架二(15)的中部分别与主车体(1)左右两侧以转动副相铰联，且两个转动副同轴线；所述的平衡机构(6)呈左右对称设置，由呈几何对称的横摇杆(8)以及呈左右对称的侧连杆一(9)和侧连杆二(11)组成，横摇杆(8)的中部与主车体(1)一端的中部以转动副(10)相铰联，且该转动副轴线处于主车体左右对称面上，横摇杆(8)的左右两端分别与侧连杆一(9)和侧连杆二(11)的一端以球副相铰联，侧连杆一(9)和侧连杆二(11)的另一端分别与左右两侧的摇杆悬架一(2)和摇杆悬架二(15)以球副相铰联，且铰联位置左右对称；所述的左旋麦克纳姆轮组件(3)由左旋麦克纳姆轮(3-1)与驱动单元(3-2)联接而成，所述的右旋麦克纳姆轮组件(5)由右旋麦克纳姆轮与驱动单元联接而成；所述的摇杆悬架一(2)的前后两端分别固定有两种不同旋向的麦克纳姆轮组件，所述的摇杆悬架二(15)的前后两端分别固定有两种不同旋向的麦克纳姆轮组件，且摇杆悬架一(2)和摇杆悬架二(15)的同端的麦克纳姆轮组件的麦克纳姆轮旋向相反。
2.根据权利要求1所述的基于麦克纳姆轮的摇杆式全方位移动平台，其特征在于：所述的平衡机构(6)的横摇杆(8)的中部与主车体(1)构成的转动副(10)的轴线垂直于主车体(1)的前视投影面；侧连杆一(9)和侧连杆二(11)呈上下方向设置，侧连杆一(9)和摇杆悬架一(2)相铰联的球副(13)的位置与摇杆悬架一(2)中部的转动副(4)的轴线在摇杆悬架一(2)的前后水平方向存在一定的偏距；侧连杆二(11)和摇杆悬架二(15)之间的连接结构与侧连杆一(9)和摇杆悬架一(2)的连接结构对称。
3.根据权利要求1所述的基于麦克纳姆轮的摇杆式全方位移动平台，其特征在于：所述的平衡机构(6)的横摇杆(8)的中部与主车体(1)构成的转动副(10)的轴线垂直于主车体(1)的上视投影面，侧连杆一(9)和侧连杆二(11)呈前后方向设置，侧连杆一(9)和摇杆悬架一(2)相铰联的球副(13)的位置与摇杆悬架一(2)中部的转动副(4)的轴线在摇杆悬架一(2)的竖直方向存在一定的偏距；侧连杆二(11)和摇杆悬架二(15)之间的连接结构与侧连杆一(9)和摇杆悬架一(2)的连接结构对称。
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