全輪動力和轉向驅動的輕量化特種移動平臺設計

鮑明松　趙林萍　段立夫　孫洪陽

摘要：針對當前多輪移動平臺的輪系上動力驅動和轉向驅動需要單獨設置動力源而導致驅動機構數量過多、體積和重量大、控制精度差等問題，設計了一種全輪動力和轉向驅動的輕量化特種移動平臺，可實現對移動平臺的全輪獨立動力驅動和轉向驅動，降低了輪組體積和重量，提升了輪組移動和轉向時的線性度和系統的自動化、智能化水平。

關鍵詞：全輪驅動;驅動轉向;輪式移動平臺;特種機器人

1 設計背景

輪式行走機構因摩擦和阻力小、轉向性能好等被廣泛應用于如全輪驅動的汽車、軍事特種機器人等[1]各類復雜場合。由于需要對每個輪組單獨動力驅動和轉向驅動，輪組上動力驅動電機和轉向電機的重量和尺寸等參數將直接決定全輪移動平臺的運動特性[2]。目前采用每個輪組單獨直連驅動或左右輪組、前后輪組共用驅動電機的方案，存在輪組體積龐大、成本高、控制困難等問題。在全輪轉向驅動方案中，由于動力驅動組件和轉向組件間存在耦合，存在增加驅動輪組體積和成本等難題[3]。為此，本文設計了一種全輪動力和轉向驅動的輕量化特種移動平臺。

2 結構設計與組成

全輪動力和轉向驅動的輕量化特種移動平臺包括全輪驅動組件、全輪轉向組件、車輪組件、平臺骨架。其中，全輪驅動組件實現對車輪組件的全向動力驅動，全輪轉向組件則可實現對車輪組件的全向轉向驅動。該移動平臺結構如圖1所示。

2.1? ? 全輪驅動組件設計

全輪驅動組件包括動力驅動源、動力波箱、動力傳遞組件。其中，動力驅動源為輪組的全向驅動提供動力，連接動力波箱;動力傳遞組件則將動力進行方向、大小轉換和動力分配，實現對輪組的動力傳遞功能。全輪驅動組件結構如圖2所示。

動力驅動源包括第一動力電機、第一動力減速箱、第二動力電機、第二動力減速箱。

動力波箱包括第一動力轉軸、第二動力轉軸、第一動力齒輪、第二動力齒輪、第三動力齒輪、第四動力齒輪、第五動力齒輪、第六動力齒輪、第七動力齒輪、第八動力齒輪、第九動力齒輪、第十動力齒輪、第三動力轉軸、第四動力轉軸、第五動力轉軸、第六動力轉軸。

動力傳遞組件包括動力傳遞第一齒輪、動力傳遞第二齒輪、動力傳遞第一轉軸、動力傳遞第三齒輪、動力傳遞第四齒輪、動力傳遞第二轉軸、動力傳遞第五齒輪、動力傳遞第六齒輪、動力傳遞第三轉軸、動力傳遞萬向節、動力傳遞第七齒輪、動力傳遞第八齒輪。

2.2? ? 全輪轉向組件設計

全輪轉向組件包括轉向驅動源、轉向波箱、轉向傳遞組件。轉向驅動源為輪組的全向回轉提供轉向動力，連接轉向波箱;轉向傳遞組件則將動力進行方向、大小轉換和動力分配，實現對輪組全向回轉驅動的動力傳遞功能。全輪轉向組件結構如圖3所示。

轉向驅動源包括第一轉向電機、第一轉向減速箱、第二轉向電機、第二轉向減速箱。

轉向波箱包括第一轉向轉軸、第二轉向轉軸、第一轉向齒輪、第二轉向齒輪、第三轉向齒輪、第四轉向齒輪、第五轉向齒輪、第六轉向齒輪、第七轉向齒輪、第八轉向齒輪、第九轉向齒輪、第十轉向齒輪、第三轉向轉軸、第四轉向轉軸、第五轉向轉軸、第六轉向轉軸、第十一轉向齒輪、第七轉向轉軸、第十二轉向齒輪、第八轉向轉軸。

轉向傳遞組件包括轉向傳遞第一齒輪、轉向傳遞第二齒輪、轉向傳遞第一轉軸、轉向傳遞第三齒輪、轉向傳遞第四齒輪、轉向傳遞第二轉軸、轉向傳遞第五齒輪、轉向傳遞第六齒輪、轉向傳遞第三轉軸、轉向傳動第七齒輪、轉向傳動第八齒輪、轉向傳遞第四轉軸、轉向傳動第九齒輪、轉向傳動第十齒輪、轉向傳遞第五轉軸、轉向傳動第十一齒輪、轉向傳動第十二齒輪、轉向傳遞第六轉軸。

3 輕量化特種移動平臺驅動原理

3.1? ? 全輪同步前進或后退驅動

當移動平臺全輪前進時：

（1）第一動力電機：不動作。

（2）第二動力電機→第二動力轉軸→第四動力齒輪→第六動力齒輪→第七動力齒輪→第八動力齒輪→第九動力齒輪→第六動力轉軸→第二動力轉軸→第三動力轉軸→第七動力齒輪→第八動力齒輪→車輪正向前進。

（3）第一轉向電機：不動作。

（4）第二轉向電機：不動作。

當移動平臺全輪后退時，過程與上述類似，動作相反。

3.2? ? 全輪同步轉向運動驅動

當移動平臺全輪原地順時針轉向時：

（1）第一動力電機→第一動力轉軸→第十動力齒輪→第一動力齒輪→第四動力齒輪→第三動力轉軸→車輪反向驅動行進。

（2）第二動力電機：不動作。

（3）第一轉向電機→第一轉向轉軸→第五轉向齒輪→第六轉向轉軸→轉向傳遞第六齒輪→轉向傳動第九齒輪→轉向傳遞第六轉軸，左后輪和右前輪反向轉向調整。

（4）第二轉向電機：不動作。

當移動平臺全輪原地逆時針轉向時，過程類似。

4 結語

本文采用動力分布驅動和轉向分散驅動方法，設計了一種全輪動力和回轉驅動的輕量化特種移動平臺，可用于輪式移動的特種、軍事等機器人中。該平臺實現了對輪組的全向動力驅動和轉向控制，有利于促進多輪移動平臺的微型化和輕量化發展。

[參考文獻]

[1] 朱磊磊，陳軍.輪式移動機器人研究綜述[J].機床與液壓，2009，37（8）：242-247.

[2] 王曉蕓，崔培，陳曉.輪式移動機器人文獻綜述[J].石家莊鐵路職業技術學院學報，2019（2）：66-70.

[3] 付宜利，李寒，徐賀，等.輪式全方位移動機器人幾種轉向方式的研究[J].制造業自動化，2005（10）：33-37.

收稿日期：2020-03-04

作者簡介：鮑明松（1969—），男，山東海陽人，高級工程師，研究方向：計算機應用。