CN109516120A - 一种三轮驱动的全向传送系统及工作方法 - Google Patents

一种三轮驱动的全向传送系统及工作方法 Download PDF

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赵永国
刘成业
马争光
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Abstract

本发明涉及一种三轮驱动的全向传送系统及工作方法，由多个全向传送模块拼接构成，所述全向传送模块包括正六边形的支撑板，所述支撑板固定有三个驱动机构，所述驱动机构分别连接有全向轮，相邻全向轮的轴线夹角为120°，全向轮轴线与支撑板的侧端面垂直，与全向轮轴线垂直的支撑板的侧端面为第一侧端面，其余侧端面为第二侧端面，全向轮的中心点分布于同一个圆上，全向轮的两个端面的对称面与中心点所在的圆相切，全向轮中心点所在的圆的半径与支撑板的边长相等，相邻全向传送模块支撑板的第一侧端面及第二侧端面接触，本发明的全向传送系统，可以实现货物按照设定的路径及速度进行传送，并可以同时实现货物姿态的调节，运输效率高。

Description

一种三轮驱动的全向传送系统及工作方法
技术领域
本发明涉及传送设备技术领域，具体涉及一种三轮驱动的全向传送系统及工作方法。
背景技术
随着互联网的发展，网络购物已经变得越来越普及。在货物运输过程中自然少不了物流，为了提升物流的效率，货物的高效分拣成为了解决该问题的关键突破点。但是,发明人发现，市场上的传送带一般都是单一方向进行传送的,这种传送带无法有效分检物品。
目前许多专利文献都对提升传送带效率开展了研究，然而发明人发现，现有的研究侧重点往往是通过对传送带增加辅助设备，如机械臂或图像传感器，来增加传送带的智能性。这种方法并未改变传送带的本体结构，只是通过外部设备来实现货物的分拣或者码垛等功能，未能从根本上解决传送带分拣的效率问题。
中国专利文献201710511276X公开了“一种全向轮传送带”，其抛弃了传统传送带所采用的皮带轮与滚轮的传送方式，采用在传送轴上设置两种结构的全向轮,使得传送带可以实现多个方向的物品运输,显著提高了传送带的分拣水平。然而发明人通过其公开的传送带工作原理分析可知，其第一、第二全向轮组在顺时、逆时针转动过程中产生的不同作用力方向仅仅会有前进、后腿、左移、右移四个方向，并不是真正意义上的360°全向运动。同时该种结构的传送带缺少驱动物体做旋转运动的能力，不能满足灵活调节物体姿态的要求。
发明人还发现现有的万向传送装置使用时，对传送机构的运动规划较为复杂，严重影响了传送效率。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种三轮驱动的全向传送系统，可实现货物沿任意方向的行驶，并且在行进过程中可以随意调节货物自身的姿态，具有较好的能源利用率，方便维修。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种三轮驱动的全向传送系统，由多个全向传送模块拼接构成，所述全向传送模块包括正六边形的支撑板，所述支撑板固定有三个驱动机构，所述驱动机构分别连接有全向轮，相邻全向轮的轴线夹角为120°，全向轮轴线与支撑板的侧端面垂直，与全向轮轴线垂直的支撑板的侧端面为第一侧端面，其余侧端面为第二侧端面，三个全向轮的中心点分布于一个与支撑板同心且半径与支撑板边长相等的圆上，全向轮的两个端面的对称面与中心点所在的圆相切，支撑板的第一侧端面与相邻全向传送模块支撑板的第二侧端面接触。
通过三个轴线呈120°夹角的全向轮，实现了货物沿任意方向的传动，通过全向轮中心点所在圆与支撑板同心且半径与正六变形支撑板边长相等及相邻全向传送模块第一侧端面与第二侧端面接触的设计，可以使相邻两个全向传送模块的三个全向轮中心点仍分布于一个等半径的圆周上，提高了货物运动的稳定性并减少了全向轮运动规划的复杂度。
进一步的，所述驱动机构采用电机，所述电机固定在支撑板的底端面，电机的输出轴与全向轮连接，全向轮上部部分通过支撑板设置的开口伸出至支撑板上方。
进一步的，所述全向轮包括同心设置的第一支撑轮毂及第二支撑轮毂，所述第一支撑轮毂及第二支撑轮毂的外圆周面设有交错分布的缺口，所述缺口处转动连接有转动轮，转动轮依靠与货物的摩擦力产生被动转动，减小货物运动的阻力。
进一步的，所述开口的开口壁安装有探测装置，用于检测全向轮上方是否有货物。
进一步的，所述支撑板的中心位置设有万向支撑装置，用于对货物进行支撑并减小货物运动的阻力。
进一步的，所述支撑板与支撑柱顶端固定连接，所述支撑柱的底端与底板固定连接，所述底板固定有模块控制器，所述模块控制器与驱动机构连接，用于控制驱动机构的运动，所述模块控制器与系统总控制器连接，接收系统总控制器的指令进行工作。
本发明还公开了一种三轮驱动的全向传送系统的工作方法，包括以下步骤：
步骤1：对待运输的货物运动路径进行规划，设定待运输货物的运输速度，根据所需的货物姿态设定其转动角速度；
步骤2：根据规划的路径及设定的货物运输速度及转动角速度，计算出货物经过每个全向传送模块时，全向传送模块全向轮的转动线速度。
步骤3：货物运动路径所经过的全向传送模块工作，全向轮安装步骤2计算得到的转动线速度转动，对货物进行传送。
进一步的，所述步骤1的具体步骤为：
步骤(1)系统总控制器建立栅格地图，所述栅格地图由多个正六边形栅格组成，确定货物进入传送系统位置和离开传送系统位置在栅格地图上的位置，将其标记为起始点和终止点。
步骤(2)构建起始点和终止点的连线作为直线路径，并根据货物的尺寸，确定直线路径所经过的正六边形栅格。
步骤(3)系统总控制器判断直线路径所经过的正六边形栅格所对应全向传送模块的可通过性，如果直线路径对应的全向传送模块均可通行，系统总控制器根据直线路径的行进方向将所需的运动指令发送给模块控制器，如果直线路径所对应的全向传送模块中含有不可通行的全向传送模块，则利用Dijkstra算法重新规划路径。
进一步的，所述步骤(3)中，当直线路径所对应的全向传送模块中含有不可通行的全向传送模块时，首先将不可通行的全向传送模块所对应的正六边形栅格确定为不可通行栅格，然后根据货物的结构半径对不可通行栅格进行膨胀，确定不可通行区域，其他区域为可通行区域，在可通行区域中利用Dijkstra算法进行路径规划。
进一步的，所述步骤2中的具体方法为：在三个全向轮中心点所在圆的平面上建立XY坐标系，其中XY坐标系的X轴与其中一个全向轮的端面平行，Y轴与X轴垂直，并指向端面与X轴平行的全向轮中心，将货物的运输速度拆分为沿X轴及沿Y轴的两个分速度，建立两个分速度、设定的货物转动角速度与三个全向轮所需转动线速度的速度平衡方程，根据速度平衡方程得到三个全向轮所需的转动线速度。
本发明的有益效果：
1.本发明通过设置三个呈120°夹角分布的全向轮，通过全向轮不同的转动线速度，可以将货物按照任意方向进行传送，实现了货物的按照设定的速度及路径进行全向传送，而且可以实现货物自身角度的转动，调节货物的姿态，路径设计时采用了最优的路径规划算法，提升了传送系统的工作效率。
2.本发明的三个全向轮的中心点分布于同一个圆上，全向轮的两个端面的对称面与中心点所在的圆相切，三个全向轮中心点所在的圆的半径与支撑板的边长相等，极大减小了全向轮运动规划的复杂度。
3.本发明的传送系统，通过多个全向传送模块拼接构成，安装简单方便，全向传送模块的添加和分离都极为方便，灵活性强。
4.本发明的传送系统，全向传送模块只有和货物短暂接触时才会运作耗能，如果其中一个模块出现故障，只需要更换故障模块即可，完全不影响传送系统的工作。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。
图1为本发明传送系统整体结构示意图；
图2为本发明全向传送模块结构示意图一；
图3为本发明全向传送模块结构示意图二；
图4为本发明相邻全向传送模块布置示意图；
图5为本发明全向轮结构示意图；
图6为本发明货物运动路径为直线路径时的路径示意图；
图7为本发明采用Dijkstra算法规划路径示意图；
图8为本发明全向轮的转动线速度计算原理示意图；
其中，1.全向传送模块，1-1.支撑板，1-2.支撑柱，1-3.底板，1-4.模块控制器，1-4-1.电机总线接口，1-4-2.电源及信号接口，1-5.电机，1-6.电机座，1-7.联轴器，1-8.全向轮，1-8-1.第一支撑轮毂，1-8-2.第二支撑轮毂，1-8-3.转动轮，1-9.红外探测传感器，1-10.牛眼万向轮，1-11.安装孔，2.支架，3.第一圆周，4.第二圆周，5.第一全向轮，6.第二全向轮，7.第三全向轮。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”字样，仅表示与附图本身的上、下方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有的传送系统无法真正实现360°的全向传送，针对上述问题，本申请提出了一种三轮驱动的全向传送系统。
本申请的一种典型实施方式中，如图1-5所示，一种三轮驱动的全向传送系统，由多个全向传送模块1拼接构成，所述全向传送模块固定在传送系统的支架2上，可以按照需要将多个全向传送模块组装成不同的结构，不同尺寸的传送系统，实现了现场的灵活安装。
所述全向传送模块包括正六边形的支撑板1-1，所述支撑板底面与四根支撑柱1-2的顶端固定连接，四根支撑柱的底端固定有底板1-3，所述底板上安装有模块控制器1-4。每个全向传送模块的模块控制器与系统总控制器连接，系统总控制器用于向模块控制器发送指令。
所述支撑板的底面固定有三个驱动机构，所述驱动机构采用电机1-5，所述电机通过电机座1-6及螺栓与支撑板的底面固定连接，所述电机与模块控制器连接，模块控制器通过三个电机总线接口1-4-1及导线与电机连接，所述模块控制器还设有电源及信号接口1-4-2，用于模块控制器的电源输入及与外部设备的信息传递。
所述电机的输出轴通过联轴器1-7与全向轮1-8连接，电机的输出轴可驱动全向轮的转动。
相邻的两个全向轮轴线的夹角为120°，且全向轮的轴线与支撑板的侧端面垂直，支撑板上与全向轮轴线垂直的侧端面为第一侧端面，其余端面为第二侧端面，三个全向轮的中心点分布于一个与支撑板同心的第一圆周3上，且全向轮的两个端面的对称面与第一圆周相切，第一圆周的半径r与正六变形的支撑板的边长L相等，相邻两个传送模块支撑板的第一侧端面与第二侧端面接触，采用此种设计，可以使相邻两个全向传送模块中一个模块的其中一个或两个全向轮与相邻模块的两个或一个全向轮仍然位于一个第二圆周4上，且该圆的半径也与支撑板的边长及第一圆周的半径相等，从而提高了货物运动的稳定性并可以极大的减小全向轮运动规划的复杂度。
所述全向轮上部通过支撑板上设置的开口伸出至支撑板上方，用于对货物进行运输，所述全向轮包括第一支撑轮毂1-8-1及第二支撑轮毂1-8-2，所述第一支撑轮毂及第二支撑轮毂上均设有五个缺口，第一支撑轮毂及第二支撑轮毂在安装时从轮轴方向看错开60°安装，使第一支撑轮毂及第二支撑轮毂的缺口交错分布，每个缺口处均转动连接有纺锤形的转动轮1-8-3，转动轮不会主动转动，依靠货物运动的摩擦力进行被动旋转，从而起到减小货物运动阻力的作用，第一支撑轮毂及第二支撑轮毂上的转动轮交错分布，使全向轮无论转动至何种位置，均可实现转动轮与货物接触，保证了转动轮发挥其作用。
所述支撑板上设置的开口的四个开口壁上均安装有探测装置，所述探测装置采用红外探测传感器1-9，所述红外探测传感器与模块控制器连接，可检测全向轮上是否有货物，并将检测得到的信息传递给模块控制器。
所述支撑板的中心位置处还设有万向支撑装置，所述万向支撑装置采用牛眼万向轮1-10，所述牛眼万向轮用于对货物进行支撑，并减小货物运行时的阻力。
所述支撑板的外边缘还设有八个安装孔1-11，所述安装孔用于将支撑板与传送系统的支架进行连接。
本发明还公开了一种三轮驱动的全向传送系统的工作方法，包括以下步骤：
步骤1：对待运输的货物运动路径进行规划，设定待运输货物的运输速度V，根据所需的货物姿态设定其转动角速度w。
货物的运动路径规划方法为：
步骤(1)系统总控制器建立栅格地图，所述栅格地图由多个正六边形栅格组成，确定货物进入传送系统位置和离开传送系统位置在栅格地图上的位置，将其标记为起始点和终止点。
步骤(2)构建起始点和终止点的连线作为直线路径，并根据货物的尺寸，确定直线路径所经过的正六边形栅格。
步骤(3)系统总控制器判断直线路径所经过的正六边形栅格所对应全向传送模块的可通过性。
如果直线路径对应的全向传送模块均可通行，系统总控制器根据直线路径的行进方向将所需的运动指令发送给模块控制器，模块控制器控制电机带动全向轮转动，将货物沿设定的直线路径进行运输，如图6所示，五角星所示栅格为货物进入传送系统的位置，三角形所示的栅格为货物离开传送系统的位置，圆形的栅格为货物沿设定的直线路径运输所经过的栅格。
如果直线路径所对应的全向传送模块中含有故障模块或其他原因导致的不可通行的全向传送模块，则利用Dijkstra算法重新规划路径，首先将不可通行的全向传送模块所对应的正六边形栅格确定为不可通行栅格，然后根据货物的结构半径对不可通行栅格进行膨胀，确定不可通行区域，其他区域为可通行区域，在可通行区域中利用Dijkstra算法进行路径规划，如图7所示，五角星所示的栅格为货物进入传送系统的位置，三角形所示栅格为货物离开传送系统的位置，利用黑色填充的栅格为不可通行栅格，不可通行栅格周边利用斜线填充栅格为对不可通行栅格进行膨胀后不可通行区域所覆盖的栅格，圆形所示的栅格为利用Dijkstra算法进行路径规划后货物运输路径所经过的栅格。
采用直线路径或利用Dijkstra算法进行路径规划，可以满足传送系统在任意状态下货物路径的规划要求，能够满足货物可通过性的同时设计出最优的货物运输路径，提升了传送系统的工作效率。Dijkstra算法的工作原理为非常成熟的现有技术，其详细使用方法在此不进行详细说明。
步骤2：根据规划的路径及设定的货物运输速度V及转动角速度w，计算出货物经过每个全向传送模块时，全向传送模块三个全向轮的转动线速度。
每个全向传送模块的全向轮转动线速度的获得方法具体为：如图8所示，以一个全向传送模块中三个全向轮所需的转动线速度为例进行说明，在全向传送模块上建立XY坐标系，其中XY坐标系的X轴与其中一个全向轮的端面平行，Y轴与X轴垂直，XY坐标系的零点位于三个全向轮中心点所在圆的圆心。货物的运输速度V及转动角速度w预先在系统总控制器中进行设定，根据预先规划好的货物的运动路径可得到货物通过全向传送模块时行进方向与X轴的夹角α，与X轴平行的全向轮为第一全向轮5，所需要的转动线速度为Va，沿货物行进方向，位于第一全向轮前侧的全向轮为第二全向轮6，所需的转动线速度为Vb，沿货物行进方向，位于第一全向轮后侧的全向轮为第三全向轮7，所需的转动线速度为Vc。
建立速度平衡方程：
Vx1为货物在X轴方向的运动速度,Vy1为货物在Y轴方向的运动速度，V即为设定的货物运动的速度，w表示设定的货物运动的转动角速度。
其中，
α为货物行进方向与X轴的夹角。
根据公式(1)和公式(2)，可以得到第一全向轮、第二全向轮及第三全向轮所需要的线速度，公式如下：
Va为第一全向轮的转动线速度，Vb为第二全向轮的转动线速度，Vc为第三全向轮的转动线速度，Vx1为货物在X轴方向的运动速度,Vy1为货物在Y轴方向的运动速度，w为设定的货物转动角速度，r为第一全向轮、第二全向轮、第三全向轮中心点所在圆的半径。
步骤3：系统总控制器将计算好的每个全向传送模块的全向轮的转动线速度信息传输给每个全向传送模块的模块控制器，模块控制器控制相应的全向轮进行转动，将货物放置在起始点所在的全向传送模块，货物在每个全向传送模块设定的全向轮转动线速度的控制下，可沿规划好的路径运输至终止点所在的全向传送模块，将货物运出。
本发明的方法，能够实现了货物按照设定的移动速度和转动角速度及路径进行运输，提高了运输效率，满足了实际使用需求。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种三轮驱动的全向传送系统，其特征在于，由多个全向传送模块拼接构成，所述全向传送模块包括正六边形的支撑板，所述支撑板固定有三个驱动机构，所述驱动机构连接有全向轮，相邻全向轮的轴线夹角为120°，全向轮轴线与支撑板的侧端面垂直，与全向轮轴线垂直的支撑板的侧端面为第一侧端面，其余侧端面为第二侧端面，全向轮的中心点分布于一个与支撑板同心的且半径与支撑板边长相等的圆上，全向轮的两个端面的对称面与中心点所在的圆相切，支撑板的第一侧端面与相邻全向传送模块支撑板的第二侧端面接触。
2.如权利要求1所述的一种三轮驱动的全向传送系统，其特征在于，所述驱动机构采用电机，所述电机固定在支撑板的底端面，电机的输出轴与全向轮连接，全向轮上部部分通过支撑板设置的开口伸出至支撑板上方。
3.如权利要求1所述的一种三轮驱动的全向传送系统，其特征在于，所述全向轮包括同心设置的第一支撑轮毂及第二支撑轮毂，所述第一支撑轮毂及第二支撑轮毂的外圆周面设有交错分布的缺口，所述缺口处转动连接有转动轮。
4.如权利要求2所述的一种三轮驱动的全向传送系统，其特征在于，所述开口的开口壁安装有探测装置，用于检测全向轮上方是否有货物。
5.如权利要求1所述的一种三轮驱动的全向传送系统，其特征在于，所述支撑板的中心位置设有万向支撑装置，用于对货物进行支撑并减小货物运动的阻力。
6.如权利要求1所述的一种三轮驱动的全向传送系统，其特征在于，所述支撑板与支撑柱顶端固定连接，所述支撑柱的底端与底板固定连接，所述底板固定有模块控制器，所述模块控制器与驱动机构连接，用于控制驱动机构的运动，所述模块控制器与系统总控制器连接，接收系统总控制器的指令进行工作。
7.一种权利要求1-6任一项所述的三轮驱动的全向传送系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：对待运输的货物运动路径进行规划，设定待运输货物的运输速度，根据所需的货物姿态设定其转动角速度；
步骤2：根据规划的路径及设定的货物运输速度及转动角速度，计算出货物经过每个全向传送模块时，全向传送模块全向轮的转动线速度；
步骤3：货物运动路径所经过的全向传送模块工作，全向轮安装步骤2计算得到的转动线速度转动，对货物进行传送。
8.如权利要求7所述的工作方法，其特征在于，所述步骤1的具体步骤为：
步骤(1)系统总控制器建立栅格地图，所述栅格地图由多个正六边形栅格组成，确定货物进入传送系统位置和离开传送系统位置在栅格地图上的位置，将其标记为起始点和终止点；
步骤(2)构建起始点和终止点的连线作为直线路径，并根据货物的尺寸，确定直线路径所经过的正六边形栅格；
步骤(3)系统总控制器判断直线路径所经过的正六边形栅格所对应全向传送模块的可通过性，如果直线路径对应的全向传送模块均可通行，系统总控制器根据直线路径的行进方向将所需的运动指令发送给模块控制器，如果直线路径所对应的全向传送模块中含有不可通行的全向传送模块，则利用Dijkstra算法重新规划路径。
9.如权利要求8所述的工作方法，其特征在于，所述步骤(3)中，当直线路径所对应的全向传送模块中含有不可通行的全向传送模块时，首先将不可通行的全向传送模块所对应的正六边形栅格确定为不可通行栅格，然后根据货物的结构半径对不可通行栅格进行膨胀，确定不可通行区域，其他区域为可通行区域，在可通行区域中利用Dijkstra算法进行路径规划。
10.如权利要求7所述的工作方法，其特征在于，所述步骤2中的具体方法为：在三个全向轮中心点所在圆的平面上建立XY坐标系，其中XY坐标系的X轴与其中一个全向轮的端面平行，Y轴与X轴垂直，并指向端面与X轴平行的全向轮中心，将货物的运输速度拆分为沿X轴及沿Y轴的两个分速度，建立两个分速度、设定的货物转动角速度与三个全向轮所需转动线速度的速度平衡方程，根据速度平衡方程得到三个全向轮所需的转动线速度。
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