CN113213041A - 一种多面避障叉车式仓储物流搬运小车 - Google Patents

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郭红戈
邵杨
张春美
白维松
何世康
刘源
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Abstract

本发明属于仓储物流运输工具技术领域，具体涉及一种应用于仓储物流的高效运输车；具体技术方案为：一种多面避障叉车式仓储物流搬运小车，包括平行布置的顶板和底板，顶板与底板之间通过三套起升机构支撑，三套起升机构围绕顶板的中心等角度间隔布置，三套起升机构均能够承载货物，底板上装有三套驱动机构，三套驱动机构围绕底板的中心等角度间隔布置，驱动机构置于相邻的起升机构之间，货物的重量在三套驱动机构上均分，本发明构思新颖，采用三面承重设计，外形美观大方，三面承重结构的车辆小巧灵活，在同等承载量的前提下，占用空间小，能够适应窄间隔仓储空间的物流需求，空间利用率高，具有很高的实用性。

Description

一种多面避障叉车式仓储物流搬运小车
技术领域
本发明属于仓储物流运输工具技术领域，具体涉及一种应用于仓储物流的高效运输车。
背景技术
仓储物流管理的智能化和自动化，在降低企业的相关管理成本的同时，提高了企业仓储的物流供应效率。如何快速准确的将目标物体从仓库一侧移动至另一侧是仓储小车一直在研究的一个重点问题。目前在搬运方式上，当搬运多个物体时，车身都会相对应增大，在障碍物比较多的场合，会出现转向不灵活，甚至有时无法过弯避障的情况。
发明内容
为解决现有技术存在的技术问题，本发明设计了一种三面载物的运输小车，车身小巧灵活，可同时搬运多个物体，可在障碍物较多的情况下，以较小的转向角度绕过障碍物，提高搬运效率。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种多面避障叉车式仓储物流搬运小车，包括平行布置的顶板和底板，顶板与底板之间通过三套起升机构支撑，三套起升机构围绕顶板的中心等角度间隔布置，三套起升机构均能够承载货物，三角型的布局结构，受力平衡，稳定性好。
起升机构包括第一定位基台、第二定位基台、第一撑杆、第二撑杆、货叉和起升电机，第一定位基台与第二定位基台通过自攻螺钉固定在顶板上，第一撑杆与第二撑杆平行布置，起升电机固定在底板上，起升电机不影响货叉的上下运行。
第一定位基台固定在顶板的底部，第一定位基台内开有通孔，第一定位基台的通孔内穿装有轴，轴上通过轴承装有第一从动滚轮，第一从动滚轮可绕轴滚动。
第一撑杆竖直布置，第一撑杆的底部通过底座固定在底板上，底座能够增大受力面积，第一撑杆的顶部固定在第一定位基台的底部。
起升电机的第一输出轴通过第一齿轮组与第一齿轮杆相连，第一齿轮杆与第一主动滚轮相连，第一主动滚轮与第一从动滚轮通过第一皮带相连，第一齿轮杆的通过两个轴承座支撑在底座上，起升电机的动力依次通过第一输出轴、第一齿轮组、第一齿轮杆传递至第一主动滚轮，第一主动滚轮转动，进而带动缠绕在第一主动滚轮上的第一皮带运动。
第二定位基台固定在顶板的底部，第二定位基台内开有通孔，第二定位基台的通孔内穿装有轴，轴上通过轴承装有第二从动滚轮，第二从动滚轮可绕轴转动。
第二撑杆竖直布置，第二撑杆的底部通过底座固定在底板上，底座能够增大受力面积，第二撑杆的顶部固定在第二定位基台的底部。
起升电机的第二输出轴通过第二齿轮组与第二齿轮杆相连，第二齿轮杆与第二主动滚轮相连，第二主动滚轮与第二从动滚轮通过第二皮带相连，第二齿轮杆的通过两个轴承座支撑在底座上，起升电机的动力依次通过第二输出轴、第二齿轮组、第二齿轮杆传递至第二主动滚轮，第二主动滚轮转动，进而带动缠绕在第二主动滚轮上的第二皮带运动。
货叉包括主架体，主架体的一侧设有第一滑台和第二滑台，主架体的另一侧设有叉架，第一滑台穿过第一撑杆并可沿第一撑杆上下滑动，第一滑台穿过第一皮带，第一皮带上固定有第一锁钉，第一滑台的底部通过第一锁钉定位在第一皮带上；第二滑台穿过第二撑杆并可沿第二撑杆上下滑动，第二滑台穿过第二皮带，第二皮带上固定有第二锁钉，第二滑台的底部通过第二锁钉定位在第二皮带上；
起升电机内的第一输出轴与第二输出轴同步、同速运动，起升电机带动第一皮带、第二皮带同步运动，第一皮带上的第一锁钉顶在第一滑台的底部，第一皮带带动第一滑台上下往复运动，第二皮带上的第二锁钉顶在第二滑台的底部，第二皮带带动第二滑台上下往复运动，第一滑台与第二滑台同步运动，进而带动货叉上下往复运动，运行平稳。
底板上装有三套驱动机构，三套驱动机构围绕底板的中心等角度间隔布置，驱动机构置于相邻的起升机构之间，货物的重量在三套驱动机构上均分，保证小车的行进稳定性。
驱动机构包括驱动电机，驱动电机通过电机支架固定在底板上，驱动电机的输出轴与全向轮相连，通过主程序控制三个驱动电机的运行，进而控制小车的行进方向及行进速度。
顶板上开有第一开口槽，第一从动滚轮延伸至第一开口槽外，这种设计结构方便安装，也有利于第一从动滚轮维护。
顶板上开有第二开口槽，第二从动滚轮延伸至第二开口槽外，这种设计结构方便安装，也有利于第二从动滚轮维护。
其中，作为优选的，第一齿轮组包括第一主动齿轮和第一从动齿轮，起升电机的第一输出轴与第一主动齿轮同轴心相连，第一主动齿轮与第一从动齿轮啮合，第一从动齿轮与第一齿轮杆的一端相连，第一齿轮杆的另一端与第一主动滚轮同轴心相连。
其中，作为优选的，第二齿轮组包括第二主动齿轮和第二从动齿轮，起升电机的第二输出轴与第二主动齿轮同轴心相连，第二主动齿轮与第二从动齿轮啮合，第二从动齿轮与第二齿轮杆的一端相连，第二齿轮杆的另一端与第二主动滚轮同轴心相连。
其中，叉架上装有弹性缓冲件，弹性缓冲件适应承载货物的形状而设，既能够保证货物的稳定运输，同时也能够减少对承载货物的损伤。
本发明与现有技术相比，具体有益效果体现在：
一、本发明构思新颖，采用三面承重设计，外形美观大方，三面承重结构的小车小巧灵活，在同等承载量的前提下，占用空间小，能够适应窄间隔仓储空间的物流需求，空间利用率更高，具有很高的实用性。
二、本发明通过布置三套驱动机构，通过三套驱动机构控制正常的行进方向及行进速度，保证了整车的高机动性；另外，整车能够在多障碍物的环境下仍然行驶自如，适应性强，效率高。
三、在结构方面，三面承重设计的车身具有更高的稳定性，由于整个车架采用碳纤维复合材料与PLA打印件加工而成，在保证车辆结构强度的前提下，最大限度地降低了车体的自重。
四、本发明的底盘离地面较低，可以保证车辆自身的稳定性，提升了车辆过障的机动性能。
五、本发明通过STM32单片机控制整车运行，可以使其具有更多变的运行轨迹，用来满足不同的物流需求。
六、在过障碍物时，不管小车是什么样的方向，都只需要根据三个坐标系来选择一个，判断转动最小的角度来从侧边绕过障碍物，转动角度大，运送效率高。
附图说明
图1为本发明承载货物时的立体图。
图2为本发明未承载货物时的立体图。
图3为本发明未承载货物时的仰视图。
图4为在场地坐标系中，全向轮的受力分析图。
图5为全向轮在标准方向上的受力分析图。
图中，1为顶板，11为第一开口槽，12为第二开口槽，2为底板，3为起升机构，301为第一定位基台，302为第二定位基台，303为第一撑杆，304为第二撑杆，305为起升电机，306为第一从动滚轮，307为第一齿轮组，308为第一齿轮杆，309第一主动滚轮，310为第一皮带，311为第二从动滚轮，312为第二齿轮组，313为第二齿轮杆，314为第二皮带，4为货叉，41为第一滑台，42为第二滑台，43为叉架，44为主架体，45为弹性缓冲件，5为驱动机构，51为驱动电机，52为电机支架，53为全向轮。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-3所示，一种多面避障叉车式仓储物流搬运小车，车架整体采用碳纤维复合材料与PLA打印件加工而成，在保证车辆结构强度的前提下，最大限度地降低了车体的自重。
小车包括平行布置的顶板1和底板2，顶板1与底板2之间通过三套起升机构3支撑，三套起升机构3围绕顶板1的中心等角度间隔布置，三套起升机构3均能够承载货物，三角型的布局结构，受力平衡，稳定性好。
起升机构3包括第一定位基台301、第二定位基台302、第一撑杆303、第二撑杆304、货叉4和起升电机305，第一定位基台301与第二定位基台302通过自攻螺钉固定在顶板1上，第一撑杆303与第二撑杆304平行布置，起升电机305固定在底板2上，起升电机305不影响货叉4的上下运行。
第一定位基台301固定在顶板1的底部，第一定位基台301内开有通孔，第一定位基台301的通孔内穿装有轴，轴上通过轴承装有第一从动滚轮306，第一从动滚轮306可绕轴滚动。
第一撑杆303竖直布置，第一撑杆303的底部通过底座固定在底板2上，底座能够增大受力面积，第一撑杆303的顶部固定在第一定位基台301的底部。
起升电机305的第一输出轴通过第一齿轮组307与第一齿轮杆308相连，第一齿轮杆308与第一主动滚轮309相连，第一主动滚轮309与第一从动滚轮306通过第一皮带310相连，第一齿轮杆308的通过两个轴承座支撑在底座上，起升电机305的动力依次通过第一输出轴、第一齿轮组307、第一齿轮杆308传递至第一主动滚轮309，第一主动滚轮309转动，进而带动缠绕在第一主动滚轮309上的第一皮带310运动。
其中，第一齿轮组307包括第一主动齿轮和第一从动齿轮，起升电机305的第一输出轴与第一主动齿轮同轴心相连，第一主动齿轮与第一从动齿轮啮合，第一从动齿轮与第一齿轮杆308的一端相连，第一齿轮杆308的另一端与第一主动滚轮309同轴心相连。
第二定位基台302固定在顶板1的底部，第二定位基台302内开有通孔，第二定位基台302的通孔内穿装有轴，轴上通过轴承装有第二从动滚轮311，第二从动滚轮311可绕轴转动。顶板1上开有第一开口槽11，第一从动滚轮306延伸至第一开口槽11外，这种设计结构方便安装，也有利于第一从动滚轮306维护。
第二撑杆304竖直布置，第二撑杆304的底部通过底座固定在底板2上，底座能够增大受力面积，第二撑杆304的顶部固定在第二定位基台302的底部。顶板1上开有第二开口槽12，第二从动滚轮311延伸至第二开口槽12外，这种设计结构方便安装，也有利于第二从动滚轮311维护。
起升电机305的第二输出轴通过第二齿轮组312与第二齿轮杆313相连，第二齿轮杆313与第二主动滚轮相连，第二主动滚轮与第二从动滚轮311通过第二皮带314相连，第二齿轮杆313的通过两个轴承座支撑在底座上，起升电机305的动力依次通过第二输出轴、第二齿轮组312、第二齿轮杆313传递至第二主动滚轮，第二主动滚轮转动，进而带动缠绕在第二主动滚轮上的第二皮带314运动。
其中，第二齿轮组312包括第二主动齿轮和第二从动齿轮，起升电机305的第二输出轴与第二主动齿轮同轴心相连，第二主动齿轮与第二从动齿轮啮合，第二从动齿轮与第二齿轮杆313的一端相连，第二齿轮杆313的另一端与第二主动滚轮同轴心相连。
货叉4包括主架体44，主架体44的一侧设有第一滑台41和第二滑台42，主架体44的另一侧设有叉架43，第一滑台41穿过第一撑杆303并可沿第一撑杆303上下滑动，第一滑台41穿过第一皮带310，第一皮带310上固定有第一锁钉，第一滑台41的底部通过第一锁钉定位在第一皮带310上；第二滑台42穿过第二撑杆304并可沿第二撑杆304上下滑动，第二滑台42穿过第二皮带314，第二皮带314上固定有第二锁钉，第二滑台42的底部通过第二锁钉定位在第二皮带314上。
叉架43上装有弹性缓冲件45，弹性缓冲件45适应承载货物的形状而设，既能够保证货物的稳定运输，同时也能够减少对承载货物的损伤。
起升电机305内的第一输出轴与第二输出轴同步、同速运动，起升电机305带动第一皮带310、第二皮带314同步运动，第一皮带310上的第一锁钉顶在第一滑台41的底部，第一皮带310带动第一滑台41上下往复运动，第二皮带314上的第二锁钉顶在第二滑台42的底部，第二皮带314带动第二滑台42上下往复运动，第一滑台41与第二滑台42同步运动，进而带动货叉4上下往复运动，运行平稳。
底板2上装有三套驱动机构5，三套驱动机构5围绕底板2的中心等角度间隔布置，驱动机构5置于相邻的起升机构3之间，货物的重量在三套驱动机构5上均分，保证小车的行进稳定性。
驱动机构5包括驱动电机51，驱动电机51通过电机支架52固定在底板2上，驱动电机51的输出轴与全向轮53相连，通过主程序控制三个驱动电机51的运行，进而控制小车的行进方向及行进速度。
全向轮53能够多方向移动，前后移动、左右移动和斜侧移动等，适应能力强，全方位车轮能够提供完善的运行方式，全方位轮使用58mm双层结构，圆形底盘。
小车有三个面组成，在每个前进方向上都定义一个坐标系，用来适应各种专项行走轨迹。
下面，分析下3个全向轮53的受力情况，在分解受力情况之前，简化下运动学数学模型，做几种理想化假设：
(1)全向轮53不与地面打滑，同时具有足够的摩擦力；
(2)驱动电机51轴线中心是底盘重心；
(3)3个全向轮53交于同一中心；
在以上条件都确定的情况下，全向轮53运动分析如图4所示；
在场地坐标系中，具体计算公式如下：
Figure BDA0003068331760000071
场地坐标系为X，Y，vx为小车运动时，场地坐标系下x轴方向的速度；vy为小车运动时，场地坐标系下y轴方向的速度；w为小车自身旋转角速度。
以逆时针方向为车轮旋转的正方向，角θ是机器人坐标系的x1轴正方向与场地坐标系X轴正方向的夹角，最终，θ所带值为与陀螺仪偏航角有关的一个变量，无论定位系统如何布置，上述公式均不会变化。
第二个公式，以3号车轮与X轴平行为例，小车坐标系与机械结构关系如图5所示；
将vx,vy分别分解到轮子方向速度，规定轮子的正方向如图4中的箭头所指，分解速度的时候一定朝着规定的轮子正方向分解。
计算v1：
v1＝vx+vy+L1w；(L1为三轮底盘中心到轮中心距离)
v1＝-vxsinα-vycosα+L1w
其中，α是轮子与小车坐标系的y轴之间的夹角。
同理可求v2：
v2＝vx+vy+L2w；(L2为三轮底盘中心到轮中心距离)
v2＝-vxsinα+vycosα+L2w
因为v3与X轴平行，所以：
v3＝vx+L3w；
第二个矩阵具体表达如下：
Figure BDA0003068331760000081
将第一个矩阵带入第二个矩阵中得解，之后通过三角公式进行化简，这里将30度转化为v1，具体公式如下：
Figure BDA0003068331760000082
上述公式简化如下：
Figure BDA0003068331760000083
所得结果如下：
v1＝-sin(α+θ)*vx-cos(α+θ)*vy+L1w
v2＝-sin(α+θ)*vx+cos(α+θ)*vy+L2w
v3＝cosθ*vx+sinθ*vy+L3w
L1，L2，L3分别是三轮底盘中心到轮中心距离，由于三轮对称，L1，L2，L3的值均为L。
只考虑车体其中一个轮子与X轴或Y轴重合，车体在X或Y轴上前进、后退、左移、右移。所以，以图5的方式来安放车架，并且X、Y轴与场地坐标重合，并且角速度w为0，角θ与X轴重合为0度。
车架呈三边形，为间隔120度的正三角形，此时α角度为30度，根据公式即可计算出v1、v2、v3的值，即：
v1＝-sin30*vx-cos30*vy
v2＝-sin30*vx+cos30*vy
v3＝cos0*vx+sin0*vy
最终计算结果为：
Figure BDA0003068331760000091
v3＝vx
以上为单个坐标系的计算步骤，为了使小车更具有灵活性，我们为小车设置了三个坐标系，互为120度，可以使小车在避障时以尽可能小的转弯角度前行，具体前进方向由单片机控制。
在运行过程中，在主程序的控制下，起升电机305反向驱动，起升电机305带动第一皮带310、第二皮带314运动，在第一锁钉、第二锁钉的带动下，货叉4移动到指定高度，同时，三个驱动机构5运作，小车移动在货物附近，货叉4插入到货物的底部，通过起升机构3和驱动机构5的同步协作，在主程序的控制下，小车在避障时，以尽量小的转完角度前行，及时将货物运送至目的地，运输效率高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包在本发明范围内。

Claims (5)

1.一种多面避障叉车式仓储物流搬运小车，其特征在于，包括平行布置的顶板(1)和底板(2)，所述顶板(1)与底板(2)之间通过三套起升机构(3)支撑，三套起升机构(3)围绕顶板(1)的中心等角度间隔布置；
所述起升机构(3)包括第一定位基台(301)、第二定位基台(302)、第一撑杆(303)、第二撑杆(304)、货叉(4)和起升电机(305)，所述第一定位基台(301)与第二定位基台(302)固定在顶板(1)上，所述第一撑杆(303)与第二撑杆(304)平行布置，所述起升电机(305)固定在底板(2)上；
所述第一定位基台(301)固定在顶板(1)的底部，所述第一定位基台(301)内通过轴安装有第一从动滚轮(306)；
所述第一撑杆(303)竖直布置，所述第一撑杆(303)的底部固定在底板(2)上，所述第一撑杆(303)的顶部固定在第一定位基台(301)的底部；
所述起升电机(305)的第一输出轴通过第一齿轮组(307)与第一齿轮杆(308)相连，所述第一齿轮杆(308)与第一主动滚轮(309)相连，所述第一主动滚轮(309)与第一从动滚轮(306)通过第一皮带(310)相连；
所述第二定位基台(302)固定在顶板(1)的底部，所述第二定位基台(302)内通过轴安装有第二从动滚轮(311)；
所述第二撑杆(304)竖直布置，所述第二撑杆(304)的底部固定在底板(2)上，所述第二撑杆(304)的顶部固定在第二定位基台(302)的底部；
所述起升电机(305)的第二输出轴通过第二齿轮组(312)与第二齿轮杆(313)相连，所述第二齿轮杆(313)与第二主动滚轮相连，所述第二主动滚轮与第二从动滚轮(311)通过第二皮带(314)相连；
所述货叉(4)包括主架体(44)，所述主架体(44)的一侧设有第一滑台(41)和第二滑台(42)，所述主架体(44)的另一侧设有叉架(43)，所述第一滑台(41)穿过第一撑杆(303)并可沿第一撑杆(303)上下滑动，所述第一滑台(41)穿过第一皮带(310)，所述第一皮带(310)上固定有第一锁钉，所述第一滑台(41)的底部通过第一锁钉定位在第一皮带(310)上；所述第二滑台(42)穿过第二撑杆(304)并可沿第二撑杆(304)上下滑动，所述第二滑台(42)穿过第二皮带(314)，所述第二皮带(314)上固定有第二锁钉，所述第二滑台(42)的底部通过第二锁钉定位在第二皮带(314)上；
所述底板(2)上装有三套驱动机构(5)，三套驱动机构(5)围绕底板(2)的中心等角度间隔布置，所述驱动机构(5)包括驱动电机(51)，驱动电机(51)通过电机支架(52)固定在底板(2)上，所述驱动电机(51)的输出轴与全向轮(53)相连。
2.根据权利要求1所述的一种多面避障叉车式仓储物流搬运小车，其特征在于，所述顶板(1)上开有第一开口槽(11)，所述第一从动滚轮(306)延伸至第一开口槽(11)外；所述顶板(1)上开有第二开口槽(12)，所述第二从动滚轮(311)延伸至第二开口槽(12)外。
3.根据权利要求2所述的一种多面避障叉车式仓储物流搬运小车，其特征在于，所述第一齿轮组(307)包括第一主动齿轮和第一从动齿轮，所述起升电机(305)的第一输出轴与第一主动齿轮同轴心相连，第一主动齿轮与第一从动齿轮啮合，第一从动齿轮与第一齿轮杆(308)的一端相连，第一齿轮杆(308)的另一端与第一主动滚轮(309)同轴心相连。
4.根据权利要求3所述的一种多面避障叉车式仓储物流搬运小车，其特征在于，所述第二齿轮组(312)包括第二主动齿轮和第二从动齿轮，所述起升电机(305)的第二输出轴与第二主动齿轮同轴心相连，第二主动齿轮与第二从动齿轮啮合，第二从动齿轮与第二齿轮杆(313)的一端相连，第二齿轮杆(313)的另一端与第二主动滚轮同轴心相连。
5.根据权利要求4所述的一种多面避障叉车式仓储物流搬运小车，其特征在于，所述叉架(43)上装有弹性缓冲件(45)。
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