CN106080755B - 一种智能机械电动全向转向机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能机械电动全向转向机构，包括驱动智能机械行走的多个驱动轮，每一驱动轮上安装有驱动所述驱动轮360°转向的电动全向转向单元，其中一个驱动轮上的电动全向转向单元根据接收的外部指令驱动该驱动轮转向，并将所转向的角度信号传输至控制单元，所述控制单元根据所述角度信号控制其他电动全向转向单元驱动对应的驱动轮转动相应角度。本发明全自动化设置，不仅能任意角度平移，而且可以实现精确转向。

Description

一种智能机械电动全向转向机构

技术领域

本发明涉及农田智能机械转向机构领域，具体说是一种智能机械电动全向转向机构。

背景技术

目前在我国，农田现场作业主要还是以人工为主，机械化作业并没有普及。现在使用的一些农业机械包括转向结构主要以机械式结构为主，该种结构较为简单、成本低廉、易于操作，但也存在精度不高、效率较低的缺点；特别是在农田中转弯半径较大，转弯时不可避免地压倒很多秧苗。而在我国大面积种植的水稻生长在水田中，植株茂密，其生长期间尚没有相应的农业机械可以在不伤害稻苗的基础上，在稻田中进行授粉、喷药及除草作业。现这些工作目前还只能使用人力，为了解决这些现实问题，继续升级及改进我国农业设备，推动农机向机电一体化已成为发展方向。现国内一些科研单位及大学已经注意到这点，开始了我国农业机械的智能化研究。目前出现的一些智能化设备成本较高、维护复杂、技术上尚存在较多技术难题而没有全面推广使用，使农业智能化机械应用受到较大的限制。

而在国外特别是美国、澳大利亚等国，由于其发展较早，现在智能化农业生产机械普及度比国内要高，但是由于水稻不是这些国家普遍种植的主粮，因此在水田中作业的智能化机械并不比国内强，在水田中进行植保作业的农业智能化机械技术水平也并不成熟。

在农田机械的转向机构中，目前我国水田作业机械几乎全部采用了机械式或者液压式转向结构，在农田作业时转弯半径较大，前后轮车轨行进位置及精确路线不易控制，且转向精度差、转向所需力矩大，这使农业机械在作物生长茂密的农田中行驶时极容易碾压秧苗，因此使目前的农业机械在农田中进行授粉、喷药及除草等植保作业时受到较大的限制，其性能也受到一定影响。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种可实现任意角度精度转向及平行移动、且与自动控制系统结构的的智能机械电动全向转向机构，实现农业机械的智能化及精细化。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种智能机械电动全向转向机构，包括驱动智能机械行走的多个驱动轮，每一驱动轮上安装有驱动所述驱动轮360°转向的电动全向转向单元，其中一个驱动轮上的电动全向转向单元根据接收的外部指令驱动该驱动轮转向，并将所转向的角度信号传输至控制单元，所述控制单元根据所述角度信号控制其他电动全向转向单元驱动对应的驱动轮转动相应角度。

作为优选，每一所述电动全向转向单元包括带动驱动轮转向的转向轴和感应该转向轴转向角度的角度传感器，所述其中一个驱动轮上的角度传感器感应驱动该驱动轮转向的转向轴转动的角度信号，并将该角度信号传输至控制单元，所述控制单元根据所述角度信号控制其他数个驱动轮上的转向轴转动相应角度。

作为优选，每一所述电动全向转向单元还包括驱动所述转向轴转动的转向电机，所述转向电机根据控制单元接收的外部指令或角度信号驱动转向轴转动相应角度。

作为优选，每一所述电动全向转向单元还包括驱动所述驱动轮行走的驱动电机，所述控制单元通过控制驱动电机的开或关使驱动轮行走或停止。

作为优选，所述驱动电机与驱动轮通过齿轮或链条链轮传动；所述转向电机与转向轴通过减速齿轮组传动。

作为优选，每一所述电动全向转向单元还包括用于安装转向电机和转向轴的机械本体，该机械本体下侧设置有用于安装所述驱动电机和驱动轮的转向基座，所述转向轴上端由所述转向电机驱动，下端穿过机械本体与转向基座固接。

作为优选，每一所述电动全向转向单元还包括安装在所述转向轴上位于机械本体下方的推力轴承，该推力轴承通过推力轴承基座与所述转向基座相连。

作为优选，每一所述电动全向转向单元还包括设置在转向轴四周的至少一个弹簧柱，每一弹簧柱一端穿过设置在推力轴承基座上的导向孔，另一端与转向基座固接，每一所述弹簧柱上位于推力轴承基座和转向基座之间套设有弹簧。

作为优选，每一所述电动全向转向单元还包括位于推力轴承基座和转向基座之间并套设在转向轴上的减震弹簧。

作为优选，所述转向轴上固定安装有设在推力轴承基座下方的限位螺母。

所述发明可以使智能机械的每个驱动轮能够在控制单元的控制下独立实现360°任意角度的精确转向，使用合适的控制算法及控制程序就可以使智能机械实现任意角度的平移及转动，保证了机械在情况复杂的农田中精确选择行进路径，避免压坏植物。

附图说明

图1是本发明一种优选方式的结构主视图。

图2是本发明一种优选方式的侧视图。

具体实施方式

下面将结合图1和图2详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

一种智能机械电动全向转向机构，包括驱动智能机械行走的多个驱动轮8，每一驱动轮8上安装有驱动所述驱动轮360°转向的电动全向转向单元，其中一个驱动轮上的电动全向转向单元根据接收的外部指令驱动该驱动轮转向，并将所转向的角度信号传输至控制单元，所述控制单元根据所述角度信号控制其他电动全向转向单元驱动对应的驱动轮转动相应角度；每一所述电动全向转向单元包括带动驱动轮8转向的转向轴2和感应该转向轴2转向角度的角度传感器1，所述其中一个驱动轮8上的角度传感器1感应驱动该驱动轮8转向的转向轴转动的角度信号，并将该角度信号传输至控制单元，所述控制单元根据所述角度信号控制其他数个驱动轮上的转向轴转动相应角度。所述发明采用多个电动全向转向单元，可以使发明应用在多种类型的智能机械上，例如应用在有两个轮子的智能机器人上，每个轮子上设置一个电动全向转向单元，例如，应用在有四个轮子的除草智能机械上，每个轮上均设有一个电动全向转向单元，其四个轮子中，每个轮子都可以带动其余三个轮子运行，即可以前轮带动后轮行进（前轮先转，后轮再转）、或者后轮带动前轮行进（后轮先转，前轮后转）。所述发明中，“相应角度”指的是等于、小于或者大于所述其中一个驱动轮转动的角度；当智能机械在直行过程中，所述其他电动全向转向单元驱动对应的驱动轮转动的角度与第一个驱动轮转动的角度相等；当智能机械在拐弯过程中，所述其他电动全向转向单元驱动对应的驱动轮转动的角度大于或者小于第一个驱动轮转动的角度，具体举例来说，应用在四个轮子的智能机械向前转弯上，当前轮先转弯时，后轮转动的角度小于前轮转动的角度，当后轮先转弯时，前轮转动的角度小于后轮转动的角度。所述发明实现了智能机械的多个轮子的精确转向，所述电动全向转向单元中，角度传感器可以安装在转向轴上，优选为装在转向轴顶端，随转向轴一起转动。其中一个电动全向转向单元的角度传感器能随时精准的感应到与该电动全向转向单元对应的驱动轮转向的角度，并将角度信息反馈回控制单元，控制单元将所述信号运算对比后计算出角度调整偏差，再将指令发出从而控制其他数个电动全向转向单元中驱动轮的转向角度精确的目的。整体来说，所述结构可以使智能机械的每个驱动轮能够在控制单元的控制下独立实现任意角度的精确转向，使用合适的控制算法及控制程序就可以使智能机械实现任意角度的平移及转动，保证了机械在情况复杂的农田中精确选择行进路径，避免压坏植物。

每一所述电动全向转向单元还包括驱动所述转向轴2转动的转向电机17，所述转向电机17根据控制单元接收的外部指令或角度信号驱动转向轴2转动相应角度；每一所述电动全向转向单元还包括驱动所述驱动轮8行走的驱动电机11，所述控制单元通过控制驱动电机11的开或关使驱动轮8行走或停止。在工作工程中，若驱动电机11打开、转向电机17打开，代表智能机械行进过程中转向，在此行进过程中同时转向，可以使转向阻力变小，更容易操作；若驱动电机关闭、转向电机打开，代表智能机械在停止行走时转向，这也满足了农田智能机械停止时转向的需要。所述发明中，转向电机根据控制单元的信号控制转向轴转动相应角度时呈现两种状态：第一：第一个驱动轮转向时，该第一个驱动轮上的角度传感器接收的是人为下达的外部指令；第二：其他数个驱动轮转向时，该数个驱动轮上的角度传感器接收的是上述第一个驱动轮转动时将其角度信号传输给控制单元的角度信号。在工作工程中，驱动电机将动力传递给驱动轮，这样可以保证智能机械实现行进中转向的功能；其中驱动电机和转向电机的设置实现了所述驱动轮前进或后退行走或转向的自动化，解决了人工费时费力的问题，效率得到明显提升，且所述驱动电机和转向电机与控制单元相连，实现了智能机械的智能化。

所述驱动电机与驱动轮之间可以通过至少两种方式传递动力，如可以通过齿轮传动连接，即驱动电机驱动齿轮箱转动，齿轮箱再带动驱动轴9转动，与驱动轴固接的驱动轮也就随着一起转动；又如可以通过链条链轮传动连接；所述转向电机与转向轴之间通过减速齿轮组3传动。所述齿轮和链轮链条设置均起到传递动力的作用，而且可以放大力矩，使用功率较小的电机带动驱动轮前进或后退；所述减速齿轮组的设置在转向电机运转时，可以将力矩放大，带动转向轴及转向基座进行小角度的精确旋转，从而带动驱动轮转向，达到旋转任意角度的目的。所述链条链轮包括与驱动电机输出轴相连的小链轮12，还包括与驱动轮上的驱动轴连接的大链轮10，所述大链轮与小链轮之间采用链条传递动力，驱动电机的动力带动小链轮转动，小链轮通过链条带动大链轮转动，从而带动驱动轴转动，最终达到使驱动轮随驱动轴一起转动的效果，从而使驱动轮能够带动智能机械、电动车辆等行驶，所述驱动电机可以正转或者反转，当驱动电机正转时，所述驱动轮带动智能机械前进，当驱动电机反转时，所述驱动轮带动智能机械后退。

每一所述电动全向转向单元还包括用于安装转向电机17和转向轴2的机械本体4，该机械本体4下侧设置有用于安装所述驱动电机11和驱动轮8的转向基座13，所述转向轴2上端由所述转向电机17驱动，下端穿过机械本体4与转向基座13固接。所述机械本体固定安装在智能机械上，用以支撑所述转向机构中的其余各个部件。由于驱动电机和驱动轮支架7全部固定在转向基座上，在转向时，它们的相互位置关系并未受到影响，因此可以实现边转向边行使的目的，提高了智能机械的工作效率。

每一所述电动全向转向单元还包括安装在所述转向轴2上位于机械本体下方的推力轴承5，该推力轴承5通过推力轴承基座15与所述转向基座13相连。在工作过程中，当智能机械颠簸震动时，驱动轮8往上震动，带动与驱动轮连接的驱动轮支架往上震动，由于转向基座与驱动轮支架固接，促使该转向基座一起往上震动，设置在转向基座上的推力轴承基座也随着往上震动，推力轴承基座上的推力轴承由于本身可以沿转向轴上下移动，因而所述推力轴承在随着推力轴承基座往上震动时，其往上震动的范围正好是推力轴承本身沿转向轴上下移动的范围，从而起到减震的作用，达到承受机械本体以上部件重量的效果。

由于转向基座13与推力轴承基座15之间是刚性连接，当驱动轮震动颠簸幅度较大时，有可能损坏推力轴承，故作为优选，可在推力轴承基座15与转向基座13中间设置缓冲机构。如：在每一所述电动全向转向单元设置至少一个位于转向轴2四周的弹簧柱，每一弹簧柱一端穿过设置在推力轴承基座15上的导向孔，另一端与转向基座13固接，每一所述弹簧柱上位于推力轴承基座和转向基座之间套设有弹簧6。最为最优选择，所述实施方式的弹簧柱可以选用四个，均布环绕在转向轴四周，当所述智能机械受到外力颠簸震动时，弹簧的弹性势能可以带动推力轴承基座以上的部件沿所述弹簧柱实现上下移动。所述弹簧的设置可以减少机械行走时的震动，将弹簧柱和弹簧设置在转向轴四周，可以更加稳定的带动推力轴承基座以上的部件实现上下移动。又如：在每一所述电动全向转向单元中位于推力轴承基座15和转向基座13之间设置套设在转向轴2上的减震弹簧，所述推力轴承基座沿所述转向轴在弹簧6的伸缩作用下实现上下自由活动。所述弹簧套设在转向轴，也可以起到机械行走时减震和提高舒适度的效果。

所述转向基座为L型，所述驱动电机通过法兰盘与螺钉固定在所述L型转向基座上，驱动电机的输出轴与所述小链轮通过键销连接。

所述减速齿轮组与转向轴过盈配合连接。

所述转向轴上固定安装有设在推力轴承基座下方的限位螺母，可以在智能机械颠簸震动导致弹簧6伸缩活动时，承接推力轴承基座以上部件的重量，限制推力轴承基座以上部件的重量下降到弹簧极限位置，避免损坏，从而保护弹簧的弹性。

在实施过程中，其中一个驱动轮上设有外部传感器，可以感应目标值需要转动的角度，外部传感器将其需要转动的角度信号传输给控制单元，控制单元再根据外部传感器的角度信号控制转向轴的转动的角度，从而控制所述驱动轮的转动角度，当所述驱动轮按这个角度转向后，所述驱动轮上的角度传感器感应到所述驱动轮实际转向的角度，并传输给控制单元，所述控制单元根据所述角度传感器的角度信号控制其他数个驱动轮转动相应角度，从而实现智能机械各个驱动轮360°的精确转向。在控制单元的指令下，每一电动全向转向单元中的驱动电机正转或者反转，使其电动全向转向单元的驱动轮实现前进或后退，当需要转向时，控制单元控制其转向电机进行转动，通过减速齿轮组将力矩放大，然后带动转向轴旋转，由于转向轴与整个转向基座固定在一起，因此转向轴的转动就带动整个转向基座实施转向。为了保证转向角度的精确，在转向轴上安装了角度传感器—绝对值编码盘，所述绝对值编码盘将角度及角度变化信号不断的反馈回控制单元，使之对转向的参数进行监视及调整，所述控制单元将所述信号运算对比后计算出角度调整偏差，再将指令发给转向电机，从而通过控制转向电机来控制驱动轮的转向角度，保证每个驱动轮转向精确。所述智能机械在驱动电机转动的时候，其转向电机可以同时转向，所述角度传感器可以随时采集驱动轮的角度信号，因为可以实现所述智能机械在行进中精确转向的功能。在实施过程中，所述驱动电机和转向电机均设置了硬件接口，可与控制单元的工控机相连，因而可视情况开放自动控制算法及软件，易于与各种控制系统进行结合，实现多样化的智能设计，而且所述智能机械实现了转向结构的不间断闭环控制，使转向角度可以精确到0.1°以上。该结构简单、精度高、易于与控制单元连接、反应迅速、稳定可靠。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种智能机械电动全向转向机构，包括驱动智能机械行走的多个驱动轮（8），其特征在于：每一驱动轮（8）上安装有驱动所述驱动轮360°转向的电动全向转向单元，其中一个驱动轮（8）上的电动全向转向单元根据接收的外部指令驱动该驱动轮（8）转向，并将所转向的角度信号传输至控制单元，所述控制单元根据所述角度信号控制其他电动全向转向单元驱动对应的驱动轮转动相应角度。

2.根据权利要求1所述智能机械电动全向转向机构，其特征在于：每一所述电动全向转向单元包括带动驱动轮（8）转向的转向轴（2）和感应该转向轴（2）转向角度的角度传感器（1），所述其中一个驱动轮（8）上的角度传感器（1）感应驱动该驱动轮转向的转向轴转动的角度信号，并将该角度信号传输至控制单元，所述控制单元根据所述角度信号控制其他数个驱动轮上的转向轴转动相应角度。

3.根据权利要求2所述智能机械电动全向转向机构，其特征在于：每一所述电动全向转向单元还包括驱动所述转向轴（2）转动的转向电机（17），所述转向电机（17）根据控制单元接收的外部指令或角度信号驱动转向轴转动相应角度。

4.根据权利要求3所述智能机械电动全向转向机构，其特征在于：每一所述电动全向转向单元还包括驱动所述驱动轮（8）行走的驱动电机（11），所述控制单元通过控制驱动电机的开或关使驱动轮（8）行走或停止。

5.根据权利要求4所述智能机械电动全向转向机构，其特征在于：所述驱动电机（11）与驱动轮（8）通过齿轮或链条链轮传动；所述转向电机（17）与转向轴（2）通过减速齿轮组（3）传动。

6.根据权利要求4所述智能机械电动全向转向机构，其特征在于：每一所述电动全向转向单元还包括用于安装转向电机（17）和转向轴的机械本体（4），该机械本体下侧设置有用于安装所述驱动电机（11）和驱动轮（8）的转向基座（13），所述转向轴上端由所述转向电机驱动，下端穿过机械本体（4）与转向基座（13）固接。

7.根据权利要求6所述智能机械电动全向转向机构，其特征在于：每一所述电动全向转向单元还包括安装在所述转向轴（2）上位于机械本体下方的推力轴承（5），该推力轴承通过推力轴承基座（15）与所述转向基座（13）相连。

8.根据权利要求7所述智能机械电动全向转向机构，其特征在于：每一所述电动全向转向单元还包括设置在转向轴（2）四周的至少一个弹簧柱，每一弹簧柱一端穿过设置在推力轴承基座（15）上的导向孔，另一端与转向基座（13）固接，每一所述弹簧柱上位于推力轴承基座和转向基座之间套设有弹簧（6）。

9.根据权利要求7所述智能机械电动全向转向机构，其特征在于：每一所述电动全向转向单元还包括位于推力轴承基座（15）和转向基座（13）之间并套设在转向轴（2）上的减震弹簧。

10.根据权利要求8或9所述智能机械电动全向转向机构，其特征在于：所述转向轴上固定安装有设在推力轴承基座下方的限位螺母。