CN110155138A - 一种可在复杂地形应用的多功能货物运载装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可在复杂地形应用的多功能货物运载装置，包括：驱动轴，其固定设置在车架上，并且由驱动电机驱动；载物台，其通过升降机构连接在车架上；把手部，其固定连接在车架上；两个行进机构，其分别安装在驱动轴的两端；行进机构包括：行进机构安装架，其可旋转的支撑在驱动轴上；多个行进轮，行进轮可旋转的安装在安装架上；多个第一链轮，其可旋转的安装在安装架上；其中，第一链轮的中心轴与行进轮的中心固定连接；链条，其设置在多个第一链轮的外侧；多个第二链轮，其设置在链条外侧，并位于相邻的两个第一链轮之间；太阳轮，其固定安装在驱动轴上；多个行星轮，其与太阳轮啮合传动；其中，行星轮的中心轴与第二链轮的中心固定连接。

Description

一种可在复杂地形应用的多功能货物运载装置及其控制方法

技术领域

本发明属于货物运载装置技术领域，特别涉及一种可在复杂地形应用的多功能货物运载装置及其控制方法。

背景技术

随着人民生活水平的提高以及国民经济的发展，物流行业与普通人的生活联系更加密切。人们通过网络购物，使用物流的几率也大大提高。由于目前科技水平的提高，货物可以很便捷的通过公路、铁路等方式进行运输。当商品运送到城市内，也可以通过汽车等方式来进行城市中转运。但是目前在类似“多楼梯”、“多台阶”等城市复杂环境下，许多货物的运输还是靠人抗肩背，十分低效且不便利，这种环境是物流运输环节中的短板，极大地拖慢了速度、降低了效率。

目前市场上存在的可应用于楼梯环境的货物运载装置大致分为两种：其中一种自身无动力，其通过自身的结构从而转变操作员施力方式，并不能为操作员省力，且自重大，操作不便。另一种是自身携带动力的装置，可通过机械结构反复支撑装置移动，进而达到越障或爬楼的目的。但是此种装置结构复杂，并且在使用时无法自动识别障碍物，始终需要操作员适应机构工作频率，手动控制机构位置，对于运输重物的过程中，操作员工作强度依然很大。

发明内容

本发明提供了一种可在复杂地形应用的多功能货物运载装置，其目的是通过链轮及行星轮系实现行进机构的自动行走和越过障碍的功能，并且在载物台上连接有升降机构，能够根据需要改变载物台的位置，减小越过障碍时操作员的工作强度。

本发明提供了一种可在复杂地形应用的多功能货物运载装置的控制方法，能够根据货物重量及货物运载装置的角度调节载物台的位置，其目的是根据实际使用情况改变货物运载装置的质心位置，从而在不同情况下有效减小操作员的工作强度。

本发明提供的技术方案为：

一种可在复杂地形应用的多功能货物运载装置，包括：

驱动电机；

驱动轴，其固定设置在车架上，并且通过减速机构与所述驱动电机的输出轴连接；

载物台，其通过升降机构连接在所述车架上；

把手部，其固定连接在所述车架上；

两个行进机构，其对称安装在所述驱动轴的两端；

其中，所述行进机构包括：

行进机构安装架，其可旋转的支撑在所述驱动轴上；

多个行进轮，所述行进轮可旋转的安装在所述安装架上，并且所述行进轮围绕所述驱动轴均匀分布；

多个第一链轮，其可旋转的安装在所述安装架上；

其中，所述第一链轮的中心轴与所述行进轮的中心固定连接；

链条，其设置在所述多个第一链轮的外侧；

多个第二链轮，其设置在所述链条外侧，并位于相邻的两个第一链轮之间；

其中，所述第一链轮和所述第二链轮分别于所述链条啮合传动；

太阳轮，其固定安装在所述驱动轴上；

多个行星轮，其与所述太阳轮啮合传动；

其中，所述行星轮的中心轴与所述第二链轮的中心固定连接。

优选的是，所述升降机构包括：

两个剪叉臂，其对称设置在所述载物台和所述车架之间；

其中，所述剪叉臂具有第一顶部支撑端和第二顶部支撑端，所述第一顶部支撑端与所述载物台铰接，所述第二顶部支撑端可移动的抵靠在所述载物台上；

所述剪叉臂具有第一底部支撑端和第二底部支撑端，所述第一底部支撑端与所述车架铰接，所述第二底部支撑端可移动的抵靠在所述车架上；

螺母丝杠机构，其安装在所述剪叉臂上，用于驱动所述剪叉臂运动；

举升电机，其用于驱动所述丝杠机构。

优选的是，所述剪叉臂包括铰接的第一支臂和第二支臂；以及

所述升降机构还包括：

第一支撑杆，其两端分别固定连接在两个第一支臂之间；

第二支撑杆，其两端分别固定连接在两个第二支臂之间；

所述螺母丝杠机构连接在所述第一支撑杆及所述第二支撑杆之间；

其中，所述螺母丝杠机构中的丝杠一端固定连接在所述第一支撑杆上，所述螺母丝杠机构中的螺母可旋转的连接在所述第二支撑杆上，所述螺母的外缘固定安装有第一齿轮；

所述驱动电机的输出轴上固定连接有第二齿轮，所述第二齿轮与所述第一齿轮啮合传动。

优选的是，所述第二顶部支撑端及所述第二底部支撑端上分别安装有滚轮。

优选的是，两个所述第一顶部支撑端之间和两个所述第二顶部支撑端之间分别连接有加强梁；

两个所述第一底部支撑端之间和两个所述第二底部支撑端之间分别连接有加强梁。

优选的是，所述可在复杂地形应用的多功能货物运载装置还包括：辅助行进轮，其可旋转的安装在所述车架上。

优选的是，所述可在复杂地形应用的多功能货物运载装置还包括：

驱动电机控制器，其安装在所述车架上，用于控制所述驱动电机；

安全开关，其安装在所述把手部上，并通过电路连接所述电机控制器。

优选的是，所述可在复杂地形应用的多功能货物运载装置还包括：

第一应力传感器，其安装在驱动轴与所述行进机构连接处，用于检测车架与货物的总重量；

第二应力传感器，其安装在所述把手部，用于检测把手部对操作员手部的压力。

一种可在复杂地形应用的多功能货物运载装置的控制方法，用于控制所述的可在复杂地形应用的多功能货物运载装置，当所述货物运载装置需要越过障碍物时，通过升降机构调整载物台的位置，使所述载物台在垂直于载物台的方向上移动的距离为：

式中，r为行进轮的中心与驱动轴的中心之间的距离，G₁为车架与货物的总重量；G₀为太阳轮和行星轮的总重量，i₀为驱动电机与减速机构之间的传动比，α为调整载物台的位置之前载物台与水平地面之间的夹角。

优选的是，所述可在复杂地形应用的多功能货物运载装置的控制方法，还包括：

调整载物台位置的过程中，检测把手部对操作员手部的压力，直到操作员手部对所述把手部的压力为F_h时，调整结束；

式中，r为行进轮的中心与驱动轴的中心之间的距离，G₁为车架与货物的总重量；G₀为行星轮系的重量，i₀为驱动电机与减速机构之间的传动比，L₀为把手部至驱动轴中心的距离。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的可在复杂地形应用的多功能货物运载装置，通过链轮及行星轮系实现行进机构的自动行走和越过障碍的功能，并且在载物台上连接有升降机构，能够根据需要改变载物台的位置，减小越过障碍时操作员的工作强度；

2、本发明提供的可在复杂地形应用的多功能货物运载装置的控制方法，能够根据货物重量及货物运载装置的角度调节载物台的位置，实现根据实际使用情况改变货物运载装置的质心位置，从而在不同情况下有效减小操作员的工作强度；

3、本发明提供的可在复杂地形应用的多功能货物运载装置的控制方法，根据静止状态下把手部对操作员手部的压力来判断载物台是否调节到位，能够更为准确的调整载物台的位置，以提高调整效果，从而最大程度的减小操作员的工作强度。

附图说明

图1为本发明所述的车载显示装置总体结构示意图。

图2为本发明所述的多功能货物运载装置载物台下降时的示意图。

图3为本发明所述的行进机构结构示意图。

图4为本发明所述的链轮组与行进轮连接关系示意图。

图5为本发明所述的性行星轮系结构示意图。

图6为本发明所述的升降机构左侧示意图。

图7为本发明所述的升降机构右侧示意图。

图8为本发明所述的螺母丝杠机构示意图。

图9为本发明所述为货物运载装置的行星轮系自转和公转的临界角度示意图。

图10为本发明所述的质心位置改变的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1-2所示，本发明提供了一种可在复杂地形应用的多功能货物运载装置，包括：车架110，驱动轴120，驱动电机130，减速机构140，两个行进机构150、160，载物台170，以及升降机构180。

车架110包括：水平设置的底板111，固定连接在底板111一端的立杆112，以及一对固定挡板113和114。其中，所述立杆112竖直设置；一对固定挡板113和114分别设置在底板111的两侧，并固定连接在底板111和立杆112之间。

如图3所示，驱动轴120安装在两个固定挡板113和114之间，并且由驱动电机130驱动。驱动电机130通过电机固定座安装在固定挡板113上。减速机构140包括齿轮141及齿轮142，齿轮141固定安装在驱动电机130的输出轴上，齿轮142固定安装在驱动轴120上，齿轮141和齿轮142啮合传动，使驱动电机130输出的动力经齿轮141传递到齿轮142上，从而带动驱动轴120转动。

两个行进机构150和160对称安装在驱动轴120的两端。行进机构150的160的结构完全相同，下面以行进机构150为例作进一步说明。

行进机构150包括：行进机构安装架151、多个行进轮152、链轮组153和行星轮系154。行进机构安装架151，其内侧中心处固定连接有空心轴，空心轴可旋转的穿过固定挡板113，并且通过轴承安装驱动轴120上。多个行进轮152可旋转的安装在行进机构安装架151的外侧(左侧)，并且多个行进轮152围绕所述驱动轴120的轴向均匀分布。在本实施例中，行进轮152的数量为3个。

如图4所示，链轮组153设置在行进轮152的内侧(右侧)，链轮组153包括多个第一链轮153a，第一链轮153a的数量与行进轮152的数量相同。第一链轮153a可旋转的安装在行进机构安装架151上；并且第一链轮153a的中心轴与行进轮152的中心固定连接，使行进轮152能够随第一链轮153a同步转动。链条153b，其围绕设置在多个第一链轮153a的外侧；多个第二链轮153c，其设置在链条153b的外侧，并位于相邻的两个第一链轮153a之间的链条153b的中心位置处。第一链轮153a和第二链轮153c分别于链条153b啮合传动。在本实施例中，第二链轮153c的数量为3个。

如图5所示，行星轮系154设置在链轮组153的内侧(右侧)，行星轮系154包括太阳轮154a和多个行星轮154b。太阳轮154a固定安装在驱动轴120上；多个行星轮154b与太阳轮154a啮合传动；其中，行星轮154b的中心轴与第二链轮153c的中心固定连接，第二链轮153c与行星轮154b同步转动。

行进机构工作时动力由驱动轴120传递至两侧的行星系中的太阳轮154a。平地行进时，太阳轮154a将动力传递给行星轮154b，进而带动第二链轮153c转动，从而驱动链条153b运动，带动第一链轮153a转动；第一链轮153a转动带动行进轮152转动前进。在遇到障碍物时，行进轮152被障碍物抱死，进而导致链轮组153以及行星轮系154的中行星轮154b无法自转，行星轮154b与太阳轮154a近似为刚性连接，太阳轮154a将直接驱动行星轮系公转，翻越障碍物。

如图6-8所示，载物台170水平设置在底板111的上方，并且通过升降机构180连接在车架110上。升降机构180包括：两个剪叉臂181和182，对称设置在载物台170和底板111之间；并且两个剪叉臂181和182分别靠近载物台170的左右两侧。两个剪叉臂181和182的结构完全相同，剪叉臂181具有两个顶部支撑端181a和181b，以及两个底部支撑端181c和181d。剪叉臂182具有两个顶部支撑端182a和182b，以及两个底部支撑端182c和182d。

两个剪叉臂中的一组对称的顶部支撑端181a和182a分别与载物台170靠近立杆112的一端铰接，另一组对称的顶部支撑端181b和182b分别可移动的抵靠在载物台170上。两个剪叉臂中一组对称的底部支撑端181c和182c分别与分别车架的底板111铰接，另一组对称的底部支撑端181d和182d分别可移动的抵靠在车架的底板111上。两个剪叉臂分别包括中心位置铰接的第一支臂和第二支臂；第一支撑杆183，其两端分别固定连接在两个第一支臂181e和182e之间；第二支撑杆184，其两端分别固定连接在两个第二支臂181f和182f之间，第一支撑杆183和第二支撑杆184分别水平设置，并且第一支撑杆183和第二支撑杆184分别位于剪叉臂中心铰接点的两侧。本实施例中采用举升电机185配合螺母丝杠机构186驱动剪叉臂运动，丝杠与螺母之间可以自锁，防止货物自行坠落。

螺母丝杠机构186中的丝杠186a的下端固定连接在第一支撑杆183上；螺母186b可旋转的安装在连接块186c上，连接块186c固定安装第二支撑杆184上；其中，连接块186c为中空结构，丝杠186a与螺母186匹配安装，丝杠186a的上端延伸至连接块186c内部，同时，螺母186b的外缘固定安装有齿轮。相应的，举升电机185的输出轴上固定连接有齿轮，螺母186b上的齿轮与举升电机185输出轴上的齿轮啮合传动，举升电机185的输出轴转动时带动螺母186b转动，从而使螺母186b和丝杠186a相对运动，进而带动剪叉臂升降运动。

作为优选，两个可移动的顶部支撑端181b和182b，以及两个可移动的底部支撑端181d和182d上分别安装有滚轮，以减小支撑端滑动时产生的阻力，使剪叉臂活动更加顺畅。两个顶部支撑端181a和182a之间连接有加强梁、两个顶部支撑端181b和182b之间连接有加强梁，两个底部支撑端181c和182c之间连接有加强梁、底部支撑端181d和182d之间连接有加强梁，所述的加强梁均水平设置，用于增加举升机构的强度。

升降机构180可以举升货物，方便卸载、装载货物，同时也可以调节货物重心位置，从而可以利用部分装置重力来克服工作时装置对操作员手产生的反作用力，减轻操作员工作强度。

在本实施例中，采用锂电池(图中未示出)作为所述可在复杂地形应用的多功能货物运载装置的电源。并且本实施例中采用的锂电池为常规电池，在此不做进一步说明。

作为进一步的优选，所述可在复杂地形应用的多功能货物运载装置还包括2个辅助行进轮190，辅助行进轮190可旋转的安装在所述车架的底板111下侧，辅助行进轮190对底板起到支撑作用，并与行进机构150、160配合行走。

在另一实施例中，所述可在复杂地形应用的多功能货物运载装置还包括把手部210，把手部210的下端固定连接在底板111上，上端固定连接在立杆121的横梁上。

所述可在复杂地形应用的多功能货物运载装置还包括：驱动电机控制器，其安装在所述车架上，用于控制驱动电机130；通过驱动电机控制器可实现驱动电机130的正转、反转、停转、缓启动和调速等功能。安全开关220安装在把手部210上，并通过电路连接所述电机控制器，通过安全开关220控制可以控制驱动电机控制器的开启或关闭。

所述可在复杂地形应用的多功能货物运载装置还包括：第一应力传感器，其安装在驱动轴120与行进机构连接处，用于检测车架与货物的总重量；第二应力传感器，其安装在把手部210上，用于检测把手部对操作员手部的压力；以及倾角传感器，器安装在载物台170上，用于检测载物台170与水平地面之间的倾斜角度。其中，第一应力传感器、第二应力传感器及倾角传感器分别与举升电机的控制器电联。

本发明还提供了一种可在复杂地形应用的多功能货物运载装置的控制方法，用于控制所述的可在复杂地形应用的多功能货物运载装置，当所述货物运载装置需要越过障碍物时，通过升降机构调整载物台的位置，即改变车架的质心位置，是操作员更加省力。举升电机控制器通过对比分析安装于车架与行星轮系连接处轴承上的应力传感器的信号，判断质心位置，从而控制举升电机。

当货物与车架的质心位置在行星轮系垂直上方时，若行星轮系自转、装置处于平地运输状态，此时装置前进速度v为：

其中，n为驱动电机输出轴转速；i₀为驱动电机与减速机构之间的传动比；i_g为行星轮系传动比；i_s为链轮组传动比；d为行进轮直径。

如图9所示，理论上，通过行进轮自转，即货物运载装置以平地行进状态可以通过角度为的上坡路面，要满足以下关系式：

其中，r为行进轮公转半径。

因此，若道上坡角度大于行星轮系会发生公转。即为货物运载装置的行星轮系自转和公转的临界角度。

当装置遇到障碍物后，若使行星轮系能正常公转，装置能够成功越障，则地面摩擦系数f需要满足：

其中，θ为接地行进轮轮圆心与行星轮系中心的直线与地面间的夹角。

行星轮系公转时，当车架两侧各只有一个行进轮接地时，驱动电机输出转矩M为：

其中，G₁为车架与货物的总重量；G₀为行星轮系的重量。

此时，行星轮系的公转转速为n_p：

车架受到的来自电机固定座的反作用转矩M′为：

平均反作用力矩为：

如图10所示，故若想减轻操作员劳动强度，需要将车架及货物的质心位置通过举升装置向下调整，使车架有向后翻转趋势从而抵消来自电机的反作用转矩，其在车架立杆的方向上的调整距离L为：

一般情况下，运载货物的重量会远大于车架的重量，所述质心改变的距离与载物台改变的距离近似相等。所以控制载物台在垂直于载物台的方向(立杆方向)上移动的距离为：

其中，r为行进轮的中心与驱动轴的中心之间的距离，G₁为车架与货物的总重量，通过第一应力传感器测得；G₀为行星轮系的重量，i₀为驱动电机与减速机构之间的传动比，α为调整载物台的位置之前载物台与水平地面之间的夹角，α由楼梯的倾角和操作员身高决定，α通过倾角传感器测得。采用伺服电机作为驱动电机，即可以精确计算并检测L，从而控制载物台的升降位置。

其中，r、G₀、i₀可预先存储在举升电机控制器的存储模块中。

通过改变在载物台的位置即可实现改变质心的位置，从而减轻操作员的劳动强度。

在另一实施例中，还包括在调节载物台位置的过程中通过计算在静止状态下把手部对操作员手部的压力来判断载物台是否调整到位。即当车架把手对操作员手部的压力F_h为以下情况时：

判断质心位置满足要求，式中，r为行进轮的中心与驱动轴的中心之间的距离，G₁为车架与货物的总重量；G₀为行星轮系的重量，i₀为驱动电机与减速机构之间的传动比，L₀为把手部至驱动轴中心的距离。

另外，在举升电机没有采用伺服电机，很难精确控制并检测L的值的情况下，也可以通过检测车架把手对操作员手部的压力F_h，来确定载物台的调整位置，同样的，当满足时，即为载物台调整到位。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种可在复杂地形应用的多功能货物运载装置，其特征在于，包括：

驱动电机；

驱动轴，其固定设置在车架上，并且通过减速机构与所述驱动电机的输出轴连接；

载物台，其通过升降机构连接在所述车架上；

把手部，其固定连接在所述车架上；

两个行进机构，其对称安装在所述驱动轴的两端；

其中，所述行进机构包括：

行进机构安装架，其可旋转的支撑在所述驱动轴上；

多个行进轮，所述行进轮可旋转的安装在所述安装架上，并且所述行进轮围绕所述驱动轴均匀分布；

多个第一链轮，其可旋转的安装在所述安装架上；

其中，所述第一链轮的中心轴与所述行进轮的中心固定连接；

链条，其设置在所述多个第一链轮的外侧；

多个第二链轮，其设置在所述链条外侧，并位于相邻的两个第一链轮之间；

其中，所述第一链轮和所述第二链轮分别于所述链条啮合传动；

太阳轮，其固定安装在所述驱动轴上；

多个行星轮，其与所述太阳轮啮合传动；

其中，所述行星轮的中心轴与所述第二链轮的中心固定连接。

2.根据权利要求1所述的可在复杂地形应用的多功能货物运载装置，其特征在于，所述升降机构包括：

两个剪叉臂，其对称设置在所述载物台和所述车架之间；

其中，所述剪叉臂具有第一顶部支撑端和第二顶部支撑端，所述第一顶部支撑端与所述载物台铰接，所述第二顶部支撑端可移动的抵靠在所述载物台上；

所述剪叉臂具有第一底部支撑端和第二底部支撑端，所述第一底部支撑端与所述车架铰接，所述第二底部支撑端可移动的抵靠在所述车架上；

螺母丝杠机构，其安装在所述剪叉臂上，用于驱动所述剪叉臂运动；

举升电机，其用于驱动所述丝杠机构。

3.根据权利要求2所述的可在复杂地形应用的多功能货物运载装置，其特征在于，所述剪叉臂包括铰接的第一支臂和第二支臂；以及

所述升降机构还包括：

第一支撑杆，其两端分别固定连接在两个第一支臂之间；

第二支撑杆，其两端分别固定连接在两个第二支臂之间；

所述螺母丝杠机构连接在所述第一支撑杆及所述第二支撑杆之间；

其中，所述螺母丝杠机构中的丝杠一端固定连接在所述第一支撑杆上，所述螺母丝杠机构中的螺母可旋转的连接在所述第二支撑杆上，所述螺母的外缘固定安装有第一齿轮；

所述驱动电机的输出轴上固定连接有第二齿轮，所述第二齿轮与所述第一齿轮啮合传动。

4.根据权利要求3所述的可在复杂地形应用的多功能货物运载装置，其特征在于，所述第二顶部支撑端及所述第二底部支撑端上分别安装有滚轮。

5.根据权利要求4所述的可在复杂地形应用的多功能货物运载装置，其特征在于，两个所述第一顶部支撑端之间和两个所述第二顶部支撑端之间分别连接有加强梁；

两个所述第一底部支撑端之间和两个所述第二底部支撑端之间分别连接有加强梁。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的可在复杂地形应用的多功能货物运载装置，其特征在于，还包括：辅助行进轮，其可旋转的安装在所述车架上。

7.根据权利要求6任意一项所述的可在复杂地形应用的多功能货物运载装置，其特征在于，还包括：

驱动电机控制器，其安装在所述车架上，用于控制所述驱动电机；

安全开关，其安装在所述把手部上，并通过电路连接所述电机控制器。

8.根据权利要求7任意一项所述的可在复杂地形应用的多功能货物运载装置，其特征在于，还包括：

第一应力传感器，其安装在驱动轴与所述行进机构连接处，用于检测车架与货物的总重量；

第二应力传感器，其安装在所述把手部，用于检测把手部对操作员手部的压力。

9.一种可在复杂地形应用的多功能货物运载装置的控制方法，用于控制如权利要求1-8任意一项所述的可在复杂地形应用的多功能货物运载装置，其特征在于，当所述货物运载装置需要越过障碍物时，通过升降机构调整载物台的位置，使所述载物台在垂直于载物台的方向上移动的距离为：

式中，r为行进轮的中心与驱动轴的中心之间的距离，G₁为车架与货物的总重量；G₀为太阳轮和行星轮的总重量，i₀为驱动电机与减速机构之间的传动比，α为调整载物台的位置之前载物台与水平地面之间的夹角。

10.根据权利要求9所述的可在复杂地形应用的多功能货物运载装置的控制方法，其特征在于，还包括：

调整载物台位置的过程中，检测把手部对操作员手部的压力，直到操作员手部对所述把手部的压力为F_h时，调整结束；

式中，r为行进轮的中心与驱动轴的中心之间的距离，G₁为车架与货物的总重量；G₀为行星轮系的重量，i₀为驱动电机与减速机构之间的传动比，L₀为把手部至驱动轴中心的距离。