基于某種裝卸機械的三支點全向驅動系統(tǒng)設計

謝義朋?李志鵬?傅金根

摘要：對一種基于某種裝卸機械的三點布置的全向驅動系統(tǒng)進行原理設計、技術指標計算，分析了采用三點布置的優(yōu)點以及必要性，三支點全向驅動系統(tǒng)具有移動靈活、操作方便、行走所需空間小、結構緊湊等特點。同時通過關鍵技術指標的計算為關鍵部件的選型提供了理論依據(jù)。

關鍵詞：三點布置;驅動;全向;設計

隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，現(xiàn)代化倉儲技術和智能設備也迎來了高速發(fā)展，各類自動化設備幾乎遍及了現(xiàn)代倉庫的各個角落，近年來，更是有各類貨物裝卸設備逐步出現(xiàn)在倉庫月臺之上，此類設備通常作業(yè)的區(qū)域為狹小運載工具內部以及擁擠的月臺空間，由此此類設備靈活性越來越重要，配備能夠靈活運動，結構緊湊的萬向行走驅動系統(tǒng)已經(jīng)成為了此類裝卸設備發(fā)展的必然選擇。

1 國內全向驅動系統(tǒng)技術

目前，為滿足設備的全向移動，國內貨物裝卸設備主要采用的是四輪布置的全向驅動系統(tǒng)，行走輪采用四個45°麥克納姆輪，平行鏡像布置，或者是四個90°全向輪十字布置。45°麥克納姆輪是一種可以實現(xiàn)全方位運動的萬向輪，主要由輪轂以及圍繞在周邊的輥子組成，輪轂軸心與輥子軸心通常呈45°夾角。全向輪由一個輪盤和固定在輪盤外周圍的輥子組成，輪盤軸心同輥子軸心垂直。四輪驅動的方式通常對于四輪的平面性要求較高，需要懸掛安裝，而采用懸掛通常又會帶來底盤剛度不足、耗費電機資源、占用空間增大、結構復雜等問題。

2 主要結構

本文討論的是一個由兩個麥克納姆輪與一個全向輪組合呈T型布置的三支點全向驅動系統(tǒng)，如圖1所示，該驅動系統(tǒng)三輪均帶有驅動電機。

3 運動原理

該三支點全向驅動系統(tǒng)采用三個驅動電機進行獨立控制，根據(jù)麥克納姆輪和全向輪結構特性以及運動原理，可以通過控制單個電機正反轉，并多輪組合來實現(xiàn)全向三支點行走驅動系統(tǒng)不同的運動，具體組合方式及運動情況結果如下：a：當1號輪、2號輪均正轉，3號輪不轉動時，可實現(xiàn)前進運動;b：當1號輪、2號輪均反轉，3號輪不轉時，可實現(xiàn)后退運動;c：當1號輪、2號輪、3號輪均正轉時，可實現(xiàn)左斜移運動;d：當1號輪、2號輪正轉，3號輪反轉時，可實現(xiàn)右上斜移運動;e：當1號輪、2號輪反轉，3號輪正轉時，可實現(xiàn)左下斜移運動;f：當1號輪、2號輪、3號輪均反轉時，可實現(xiàn)右下斜移運動;g：當1號輪正轉，2號輪、3號輪反轉時，可實現(xiàn)順時針旋轉運動;h：當1號輪反轉，2號輪、3號輪正轉，可實現(xiàn)逆時針旋轉運動。

4 技術指標計算

4.1斜移能力計算

根據(jù)運動原理，以及麥克納姆輪及全向輪的運動特性，當進行斜移運動時，三輪均需提供動力，考慮到前后輪質量分布不均勻，兩前麥克納姆輪每個輪載荷為M1，輪子半徑為r，地面與其輪面間的滾動摩擦系數(shù)為μ1;后方全向輪輪載荷為M2，加速度為a，則此時兩輪所受的阻力在斜移時所受的阻力F阻為：

F阻=μ1FN+ma（1）

又：

τ=F-r（2）

根據(jù)麥克納姆輪運動特性，所受驅動力F1麥應為：

（3）

可求得麥克納姆輪應該提供的最小扭矩τ1麥，同時根據(jù)式（2）則全向輪應該提供的最小扭矩τ1萬。當要求斜移速度為V時，β為斜移速度方向與全向輪速度方向的夾角，麥克納姆輪與全向輪電機速比分別為i麥以及i萬，電機轉速分別為：

（4）

（5）

又：

（6）

分別求得麥克納姆輪與萬向輪電機的功率分別為P1麥與P1萬。

4.2 爬坡能力計算

此處考慮以直線工況上坡，根據(jù)運動原理可知后輪無動力，此時回轉阻力為靜摩擦力的1/4。爬坡時，最大加速度為a2。這種工況下爬坡時的總阻力為F1。

（7）

式中：μ2：輪與地面的靜摩擦系數(shù)

那么，前方兩個麥克納姆輪每個輪應提供的最小扭矩τ2可以根據(jù)式（2）求得

當要求爬坡速度為V時，電機速比為i，則麥克納姆輪轉速則應不小于：

（8）

電機至輪的傳動效率為η2，麥克納姆輪輸出功率p'可根據(jù)式（6）求得：

輪面與坡面的附著系數(shù)為μ3，則附著力為：

（9）

當Fr1>F1時，輪胎不會打滑，爬坡能力滿足要求。

4.3 原地轉向能力計算

原地旋轉時，麥克納姆輪與全向輪的所受阻力可由式（1）求得，又根據(jù)麥克納姆輪結構特點可得麥輪的驅動扭矩為：

（10）

聯(lián)合式（1）（10）可求得麥克納姆輪的最小扭矩τ'1。

全向輪的驅動扭矩τ3可由式（2）求得，當要求旋轉速度為ω'時，R為旋轉半徑：

ω·r=ω'·R（11）

根據(jù)：

ω=2πn（12）

可分別求得麥克納姆輪電機轉速n'1與全向輪電機轉速n'2，可通過式（6）分別求得麥克納姆輪電機功率P'1以及全向輪電機功率P'3。通過比較P1麥、P'以及P'1的大小，取最大值最為麥克納姆輪電機最小功率P麥min，通過比較P1萬以及P3大小，選取最大值作為全向輪電機最小功率P萬min。

5 結論

三支點全向驅動優(yōu)化設計解決了因底架平面性不足導致四麥克納姆輪方式無法實現(xiàn)既定運動的問題，省去懸掛系統(tǒng)，充分發(fā)揮了三支點的可靠性，以及結構的緊湊型，為底架節(jié)約了更多的空間。同時通過計算為系統(tǒng)設計的提供了理論的基礎。

參考文獻：

[1]陳博翁，范傳康，賀驥.基于麥克納姆輪的全方位移動平臺關鍵技術研究[J].2013，27（4）：7-11.

[2]儲鍵，王仲民，邴志剛，崔世剛.全向移動機器人輪系的運動參數(shù)計算，天津：天津科技大學學報，2004，6（19）.

作者簡介：謝義朋（1995年8月-），男，漢族，湖南寧鄉(xiāng)人，中車株洲車輛有限公司，助理工程師，本科，主要從事：結構設計。