CN113353279A - 多体协同全向转运智能机器人牵引系统及方法 - Google Patents

多体协同全向转运智能机器人牵引系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多体协同全向转运智能机器人牵引系统及方法，其特征在于包括三台相互协同工作转运一架飞机的全向智能转运车，三台全向智能转运车呈品字形布局组合且相互之间无硬连接，前车与飞机前起落架机轮对接，后车与主起落架机轮对接；前车设置为主控车接收控制指令，根据动作指令解析出各车的路径信息，然后将指令信息传输给两后车，三车之间无线通信；每台全向智能转运车设置为分别抬升飞机的一个机轮以实现整机托举和全向协同转运。主要应用于飞机地面牵引转运作业，提高飞机牵引转运的灵活性，便于实现飞机的准确牵引入位，突破飞机自身转弯半径等物理限制，实现零回转转运，更好利用有限的转运空间。

Description

多体协同全向转运智能机器人牵引系统及方法
技术领域
本发明属于飞机地面牵引技术领域，主要应用于飞机地面牵引转运作业，涉及一种适用于在机场地面转运飞机的新型全向转运智能牵引车及牵引方法。
背景技术
飞机牵引车是用于转运飞机的专用车辆，利用牵引车牵引转运飞机，较之靠飞机自身动力滑行，能降低飞机发动机的磨耗，节省飞机燃料，减少噪音和排气污染。如附图1所示，目前现有牵引车根据牵引方式的不同可分为有杆和无杆两种，有杆牵引又可分为前轮有杆牵引和后轮有杆牵引。
(1)有杆牵引车：有杆牵引车通过牵引杆来牵引飞机，有杆牵引方式是一种较传统牵引方式。对于前三点式起落架的飞机，有杆牵引中又可分为前轮有杆牵引和后轮有杆牵引，前轮有杆牵引是使用最广泛的有杆牵引方式，后轮有杆牵引从目前的资料看只有俄罗斯的舰船上采用了这种牵引方式。
(2)无杆牵引车：无杆牵引车自身带有一套专门与所要牵引的飞机相作用的装置或称交互接口，根据该装置作用的方式及对象不同，可将无杆牵引车分为两种形式，即夹持驱动式与夹持提升式，目前国内常用的是夹持提升式。
夹持提升式无杆牵引车与飞机的交互接口称为夹持提升装置，该装置作用于飞机前起落架的轮胎上，夹紧并将其提升离开地面。夹持提升装置的使用，完全改变了飞机牵引车与飞机的相对关系，使牵引车辆与被牵引物的关系变为带有动力的附属装置与主机相匹配的关系。无杆牵引车牵引飞机的作业流程和有杆牵引车作业流程类似，区别在于牵引车抱轮流程代替了挂牵引杆的流程。
目前大多数飞机牵引均采用有杆/无杆牵引车完成对飞机的人工牵引转运作业。传统的牵引车牵引飞机方式主要是单轮牵引，该牵引方式飞机只能沿直线或一定夹角范围内的斜线移动。因此飞机牵引方式存在以下问题：
1)自身转弯半径限制了飞机在狭小区域的转运工作；在地面转运空间受限条件下，受飞机自身转弯半径限制，人工牵引操作效率降低；
2)转运效率低，牵引车及其转向空间都会占用转运空间，导致部分拥堵路线无法转运；由于飞机数量逐渐增多，机场停机间距可能缩小，人工牵引操作难度增大；
3)需要大量的牵引车驾驶员及引导员，并且人员作业强度高，精神压力大；连续高强度、超负荷作业条件下的人工牵引作业可能带来一定的安全隐患。
如果能够将飞机整体抬升式转运，像汽车入库一样只需将车停在车库指定区域，由机器人将汽车托起并转运到指定停车位，则可以满足空间需求，提升转运灵活性。
发明内容
针对背景技术中的上述问题，本发明拟在提供一种多体协同全向转运智能机器人牵引系统及方法，提高飞机牵引转运的灵活性，便于实现飞机的准确牵引入位，突破飞机自身转弯半径等物理限制，实现零回转转运，更好利用有限的转运空间。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术问题：
一种多体协同全向转运智能机器人牵引系统，其特征在于包括三台相互协同工作转运一架飞机的全向智能转运车，三台全向智能转运车呈品字形布局组合且相互之间无硬连接，前车与飞机前起落架机轮对接，后车与主起落架机轮对接；前车设置为主控车接收控制指令，根据动作指令解析出各车的路径信息，然后将指令信息传输给两后车，三车之间无线通信；每台全向智能转运车设置为分别抬升飞机的一个机轮以实现整机托举和全向协同转运。
进一步地，三台全向智能转运车均采用模块化设计，均包括车身底盘模块、全向移动模块、抱轮机构、液压泵模块、能源模块、以及控制系统；全向移动模块采用全向轮组，用于使各全向智能转运车行走；抱轮机构设置在车身底盘模块用于抱合机轮并抬升机轮；液压泵模块用于驱动抱轮机构，能源模块采用蓄电池和充电机供电为全车提供动力；控制系统用于控制抱轮机构和全向移动模块。
进一步地，还包括手持控制对接模块，前车手持控制对接模块与手持控制器装置无线信号连接，后车的手持控制对接模块用于接收前车命令并发送给自身控制系统。
进一步地，前车的全向移动模块采用4套全向轮组，左右各2套对称分布；两台后车的全向移动模块均采用8套全向轮组，左右各4套对称分布；各轮组均为能够360度转动的全向轮，均采用独立平衡减振悬挂连接在车身底盘模块上。
进一步地，抱轮机构主体为机轮托架，4组升降油缸上端与车体或底盘模块的框架结构铰接，升降油缸下端与机轮托架连接；机轮托架上还设置两个活动压爪臂，压爪臂末端设置与机轮接触的压爪；两个压爪臂均通过各自的伸缩油缸实现前后方向的伸缩，伸缩油缸铰接在各自的竖向安装柱体上，各竖向安装柱体均设置在机轮托架上。
进一步地，机轮托架底部两侧设置往水平方向外侧突出的限位凸台，限位凸台前后方向均各设置一个前后限位缸、外侧均设置一个左右限位缸；通过主动控制两个限位凸台处的各限位缸改变系统自由度数目，达到前后位移、左右位移自由度释放和限制的目的，使得机轮托架整体可以相对车体或底盘模块前后位移、左右位移以及上下位移。
进一步地，设置压爪升降油缸来调整伸缩油缸的高度以及压爪与机轮的接触角度。
进一步地，设置一个辅助铰接支架对压爪角度进行微调和支撑。
进一步地，在机轮托架底部设置前轮挡板以及可以活动扣合的后轮挡板，后轮挡板通过油缸实现扣合动作。
进一步地，两个对开的后轮挡板通过各自的油缸实现扣合动作。
一种多体协同全向转运智能机器人牵引方法，其特征在于：
地面控制人员通过一个手持控制器装置发控制信号，前车作为主车接收信号，解算得出三车的运动控制指令，再通过无线发送给两个后车；三个车接收指令同时进入飞机底下，然后同时抱轮，之后根据行走命令进行牵引操作。
进一步的，轻型全向智能转运车转运转向时，车体或底盘模块的主框架组件会随着机轮转动，以避免对所搭载的机轮起落架产生附加扭矩。左右两侧的升降油缸之间通过油路互相连接，当位于一侧油缸升至高度时，另一侧油缸会下降相同的高度，达到±5°自适应滚转补偿的目的。
三台轻型全向智能转运车协同转运时，应释放三台轻型全向智能转运车抱轮机构的部分自由度，使机轮能相对转运平台微小运动，以避免三台轻型全向智能转运车过坎越沟时造成牵扯机轮。前车抱轮机构需释放前后左右的位移自由度，其中一个后车抱轮机构需限制前后左右的位移自由度，另外一个后车抱轮机构限制前后位移自由度，释放左右位移自由度。前车抱轮机构应释放滚转自由度，后车抱轮机构应限制滚转自由度，以保证转运安全。
综上，本发明的多体协同全向转运智能机器人牵引系统即由三台轻型全向智能转运车组合拼接形成完成协同转运飞机作业。三台轻型全向智能转运车分别抬升飞机的一个机轮实现整机托举和全向协同转运。该转运方式具有回转半径小、运动灵活、兼容性强的特点。三台轻型全向智能转运车可以协同转运一架飞机，通过设置各车之间的跨距参数，方便兼容大小不同的多型飞机。
当三台轻型全向智能转运车协同转运一架飞机时，前车接收控制指令，根据动作指令解析出各车的路径信息，然后将指令信息传输给两后车，实现系统协同动作，三车采用高可靠数据链路传输技术的通信监控措施，确保系统的可靠性。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)相比现有的有杆/无杆牵引车对飞机的牵引转运方式，多体协同全向转运智能机器人牵引系统突破了飞机自身转弯半径等物理限制，提高了飞机转运的灵活性，更好的利用有限的转运空间，便于实现飞机的准确牵引入位。
(2)实现三车协同转运飞机时的组合控制
当三台轻型全向智能转运车组合拼接形成一个多体协同全向转运智能机器人牵引系统完成牵引飞机作业时，飞机的转运主要通过三车协同组合联动控制技术将飞机的前轮和后支撑轮抱住并举升，实现飞机在地面的零回转转运。三车组合拼接实现全方位移动时，由于三台轻型全向智能转运车的位置分布不同，要实现组合平台的全方位运动时，每个轻型全向智能转运车相对于系统中心的运动轨迹各不相同，并且运动轨迹更加复杂，运动模型也非常复杂，工作过程中，控制器需要根据遥控指令解析出每个车辆平台的运行轨迹，每个平台根据运行轨迹要求再依次解析出每个车辆平台轮系的转速和方向。避免人工参与牵引，对接精度、安全性和效率都得到提高。
(3)实现三车协同转运飞机时的缓冲补偿问题
在三台轻型全向智能转运车进行组合转运飞机时，由于三车之间没有机构实施硬连接，在运动过程中为避免三车之间在一定方向上微小的不同步造成对飞机机轮及起落架的损伤，本发明多体协同全向转运智能机器人牵引系统通过抱轮机构的限位装置引入缓冲补偿机制，大大提高转运的安全可靠性。
附图说明
图1为现有技术中牵引车的现有牵引方式分类图。
图2为根据本发明实施的多体协同全向转运智能机器人牵引系统布局图。
图3为本发明包含的轻型全向智能转运车系统组成框图。
图4为本发明包含的轻型全向智能转运车(前车)布局结构示意图。
图5为本发明包含的轻型全向智能转运车(后车)布局结构示意图。
图6为本发明的抱轮机构结构示意图(一种实施例)。
图7为本发明的抱轮机构结构示意图(另一种实施例抱合机轮状态)。
图8为本发明的抱轮机构立体结构示意图(同图7实施例)。
图9为本发明的抱轮机构工作状态示意图(又一个实施例)。
图10为本发明的手持控制器装置结构示意图。
图11为本发明三车协同转运时抱轮机构的自由度释放示意图。
图12为本发明的八轮驱动原理图。
图13为本发明的三车联动坐标系解析图。
图14为本发明的三车组合拼接状态的工作示意图。
具体实施方式
下面结合附图2-14并举实施例，对本发明的多体协同全向转运智能机器人牵引系统进行详细描述。
如图2，本发明的多体协同全向转运智能机器人牵引系统由三台轻型全向智能转运车(含1台前车1、2台后车(第一后车2和第二后车3)呈品字形布局组合而成，前车1与飞机前起落架机轮对接，后车(第一后车2和第二后车3)与主起落架机轮对接。
多体协同全向转运智能机器人牵引系统中的轻型全向智能转运车的结构基本相同，均包括车体或底盘模块6、全向移动模块4、抱轮机构5、液压泵模块9、能源模块8、控制系统7，手持控制器模块、各组成模块布局示意图如图3所示。
图4为轻型全向智能转运车(前车)组成模块布局示意图，图5为轻型全向智能转运车(后车)组成模块布局示意图。两者的区别仅在于前车的全向移动模块采用4套轮组4，左右各2套对称分布，两台后车(第一后车2和第二后车3)的全向移动模块均采用8套轮组4，左右各4套对称分布。各轮组4均为能够360度转动的全向轮，均采用独立平衡减振悬挂41连接在底盘模块6上(如图4所示)，可实现轮组4的有效触地和车身的振动缓冲，保证各轮组4承载基本保持一致，确保行驶过程中的安全。
图3-图5中，手持控制模块即为手持控制对接模块，与手持控制器装置7.1(如图10所示，包括开关键、启停、升降键、行走键、急停键、加速和减速键、快升、缓升、快降、慢降)无线信号连接，能源模块8采用蓄电池和充电机供电，液压泵模块9驱动抱轮机构5对飞机机轮完成抱轮动作。
如图6-9所示为轻型全向智能转运车包括的抱轮机构平面示意图。4组升降油缸52上端通过固定搭扣521与车体或底盘模块6的框架结构铰接，升降油缸52下端与机轮托架56的安装支座连接，用以提升机轮，使机轮10(各实施例中，机轮10不区别前起和后起)的前后位移、左右位移、滚转自由度均可释放。
机轮托架56上还设置两个活动压爪臂51，压爪臂51末端设置与机轮10接触的压爪512；两个压爪臂51均通过各自的伸缩油缸511实现前后方向的伸缩，伸缩油缸511铰接在各自的竖向安装柱体上，各竖向安装柱体均设置在机轮托架56上。两个压爪512之间距离可根据飞机轮10的左右轮的间距设置。可选的，如图9，还可以设置压爪升降油缸514来调整伸缩油缸511的高度以及压爪512的角度。也可以选择一个辅助铰接支架513对压爪512角度进行微调和支撑。
在机轮托架56底部设置前轮挡板561以及可以活动扣合的后轮挡板55，后轮挡板55通过油缸551实现扣合动作。可以选择的，如图6中实施例，两个对开的后轮挡板55通过各自的油缸551实现扣合动作。可以选择的，根据机轮的大小，前轮挡板561可以固定设置，也可以通过前轮挡伸缩油缸5611实现距离调整。
机轮托架56底部两侧设置往水平方向外侧突出的限位凸台562，限位凸台562前后方向均各设置一个前后限位缸53、外侧均设置一个左右限位缸54；通过主动控制限位凸台562处的6个限位缸(前后限位缸53、左右限位缸54)改变系统自由度数目，达到前后位移、左右位移自由度释放和限制的目的。各限位缸(前后限位缸53、左右限位缸54)均设置在车体或底盘模块6上，由此使得机轮托架56整体可以相对车体或底盘模块6前后位移、左右位移以及上下位移。
轻型全向智能转运车转运转向时，车体或底盘模块6的主框架组件会随着机轮转动，以避免对所搭载的机轮起落架产生附加扭矩。左右两侧的升降油缸之间通过油路互相连接，当位于一侧油缸升至高度时，另一侧油缸会下降相同的高度，达到±5°自适应滚转补偿的目的。
抱轮机构是轻型全向智能转运车上夹持机轮的关键部件，可以借此实现抱轮机构随动缓冲技术。抱轮机构不仅能保证轻型全向转运智能机器人与机轮可靠联接，提高轻型全向转运智能机器人的操纵性，节省人力物力，还能实现机轮与轻型全向转运智能机器人之间在一定方向上微小相对运动，以防止转运平台过坎越沟或转弯时对机轮产生较大附加力,大大提高了转运的安全可靠性，如图11所示为三车协同转运时抱轮机构自由度释放示意图。
三台轻型全向智能转运车协同转运时，应释放三台轻型全向智能转运车抱轮机构的部分自由度，使机轮能相对转运平台微小运动，以避免三台轻型全向智能转运车过坎越沟时造成牵扯机轮。前车抱轮机构需释放前后左右的位移自由度，其中一个后车抱轮机构需限制前后左右的位移自由度，另外一个后车抱轮机构限制前后位移自由度，释放左右位移自由度。前车抱轮机构应释放滚转自由度，后车抱轮机构应限制滚转自由度，以保证转运安全。
多体协同转运组合联动原理如下：
当三台轻型全向智能转运车组合拼接形成多体协同全向转运智能机器人牵引系统完成协同转运飞机作业时，飞机的转运主要通过三车协同控制技术将飞机的前轮和后支撑轮抱住并举升，实现整机在地面的零回转转运。三车组合拼接实现全方位移动时，由于三台轻型全向智能转运车的位置分布不同，要实现组合平台的全方位运动时，每个轻型全向智能转运车相对于系统中心的运动轨迹各不相同，并且运动轨迹更加复杂，运动模型也非常复杂，工作过程中，控制器需要根据遥控指令解析出每个平台的运行轨迹，每个平台根据运行轨迹要求再依次解析出每个平台轮系的转速和方向。
后车的八轮驱动与前车的四轮驱动类似，由单独麦克纳姆轮分析到整体分析，根据如图12驱动布局示意图可推出相应的运动学方程。三车联动时，三车的队形如附图2和13所示。基于图13的三车联动坐标系解析图，得到八轮驱动相应的运动学方程如下：
Figure BDA0003130473450000081
根据图13可知,点O是车1、2、3运动的中心点。点O的设定为车1和车2、3之间的垂直距离的一半，车2和车3相对于车1的垂直中心线对称。三车在进行旋转运动时，车1、2、3围绕着中心点O进行运动分解。车1做行走角度为θ1+原点旋转的组合运动；车2做行走角度为(360°-θ2)+原点旋转的组合运动；车3做行走角度为(180°+θ3)+原点旋转的组合运动。ω1…ω8依次为8个车轮的角速度。vx为车体沿着X方向的线速度，vy为车体沿着y方向的线速度，ωz为车体旋转的绝对角速度。R为O点到三车中心点的距离。
同时，转运过程中还可以采用缓冲补偿机制。三台轻型全向智能转运车之间采用激光扫描传感器可实时监测三车之间的实际间距和偏转角度。如图14所示，当三车协同工作过程中当出现较小范围不同步时，可采用基于主动补偿技术(如基于模糊控制规则，基于前车的后缘边界点A、C、中点B与后车前边界的中点的距离实现模糊控制)，出现偏差的全向智能转运车根据测量所得到的偏差量以降低或加快运动趋势的方式实现偏差量补偿的机制，最终将偏差量降低。
具体牵引方法为：地面控制人员通过一个遥控器，发控制信号，前车作为主车接收信号，解算得出三车的运动控制指令，再通过无线发送给两个后车。三个车接收指令同时进入飞机底下，然后同时抱轮，之后根据行走命令进行牵引操作。

Claims (10)

1.一种多体协同全向转运智能机器人牵引系统，其特征在于包括三台相互协同工作转运一架飞机的全向智能转运车，三台全向智能转运车呈品字形布局组合且相互之间无硬连接，前车与飞机前起落架机轮对接，后车与主起落架机轮对接；前车设置为主控车接收控制指令，根据动作指令解析出各车的路径信息，然后将指令信息传输给两后车，三车之间无线通信；每台全向智能转运车设置为分别抬升飞机的一个机轮以实现整机托举和全向协同转运。
2.根据权利要求1所述的多体协同全向转运智能机器人牵引系统，其特征在于三台全向智能转运车均采用模块化设计，均包括车身底盘模块、全向移动模块、抱轮机构、液压泵模块、能源模块、以及控制系统；全向移动模块采用全向轮组，用于使各全向智能转运车行走；抱轮机构设置在车身底盘模块用于抱合机轮并抬升机轮；液压泵模块用于驱动抱轮机构，能源模块采用蓄电池和充电机供电为全车提供动力；控制系统用于控制抱轮机构和全向移动模块。
3.根据权利要求1所述的多体协同全向转运智能机器人牵引系统，其特征在于还包括手持控制对接模块，前车手持控制对接模块与手持控制器装置无线信号连接，后车的手持控制对接模块用于接收前车命令并发送给自身控制系统。
4.根据权利要求1所述的多体协同全向转运智能机器人牵引系统，其特征在于前车的全向移动模块采用4套全向轮组，左右各2套对称分布；两台后车的全向移动模块均采用8套全向轮组，左右各4套对称分布；各轮组均为能够360度转动的全向轮，均采用独立平衡减振悬挂连接在车身底盘模块上。
5.根据权利要求1所述的多体协同全向转运智能机器人牵引系统，其特征在于抱轮机构主体为机轮托架，4组升降油缸上端与车体或底盘模块的框架结构铰接，升降油缸下端与机轮托架连接；机轮托架上还设置两个活动压爪臂，压爪臂末端设置与机轮接触的压爪；两个压爪臂均通过各自的伸缩油缸实现前后方向的伸缩，伸缩油缸铰接在各自的竖向安装柱体上，各竖向安装柱体均设置在机轮托架上。
6.根据权利要求1所述的多体协同全向转运智能机器人牵引系统，其特征在于机轮托架底部两侧设置往水平方向外侧突出的限位凸台，限位凸台前后方向均各设置一个前后限位缸、外侧均设置一个左右限位缸；通过主动控制两个限位凸台处的各限位缸改变系统自由度数目，达到前后位移、左右位移自由度释放和限制的目的，使得机轮托架整体可以相对车体或底盘模块前后位移、左右位移以及上下位移。
7.根据权利要求1所述的多体协同全向转运智能机器人牵引系统，其特征在于设置压爪升降油缸来调整伸缩油缸的高度以及压爪与机轮的接触角度。
8.根据权利要求1所述的多体协同全向转运智能机器人牵引系统，其特征在于设置一个辅助铰接支架对压爪角度进行微调和支撑。
9.根据权利要求1所述的多体协同全向转运智能机器人牵引系统，其特征在于在机轮托架底部设置前轮挡板以及可以活动扣合的后轮挡板，后轮挡板通过油缸实现扣合动作。
10.一种多体协同全向转运智能机器人牵引方法，其特征在于：
地面控制人员通过一个手持控制器装置发控制信号，前车作为主车接收信号，解算得出三车的运动控制指令，再通过无线发送给两个后车；三个车接收指令同时进入目标飞机底下，然后同时抱轮，之后根据行走命令进行牵引操作该飞机。
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