全向移動平臺的結構設計

司文展 朱文亮* 王素紅 馬叢鑫

（1、江蘇海洋大學機械工程學院，江蘇連云港 222005 2、連云港市水利局，江蘇連云港 222006）

傳統(tǒng)的移動平臺僅擁有兩個自由度，轉(zhuǎn)彎時需要適宜的轉(zhuǎn)彎半徑，在狹小空間轉(zhuǎn)彎時，有時需要不停地進行停車再調(diào)整，降低了物流效率。為了適應狹窄的工作環(huán)境和降低倉儲空間成本，全向移動平臺應運而生[1]。本次設計的麥克納姆輪式的全向移動平臺可以在平面內(nèi)克服旋轉(zhuǎn)半徑限制，實現(xiàn)直行、橫移和原地自轉(zhuǎn)。與傳統(tǒng)的移動平臺相比，全向移動平臺運動動態(tài)性好，能在狹窄的空間中零回轉(zhuǎn)半徑工作，節(jié)約倉儲成本[2]。為了適應工廠更加復雜的工作要求，本次設計的全向移動平臺具有升降功能。

1 設計參數(shù)

結合工廠實際使用需求，確定移動平臺的設計參數(shù)（表1）。

表1 移動平臺設計參數(shù)

2 移動平臺輪組設計

2.1 輪組設計方案

移動平臺輪組是移動平臺整車設計中最重要的部分，輪組結構和選型的合理性直接影響整車的運行效果。輪組的設計采用模塊化的思想，主要由麥克納姆輪、減速機、驅(qū)動電機、直線導軌滑塊、模具彈簧等標準件組成，有利于提高互換性，降低機械設計成本和裝配難度[3]。

2.2 減震設計

全向移動平臺運動時，車輪與地面的接觸性能直接影響著整車的平穩(wěn)性和運動控制的精確性，懸掛機構可防止運動過程中產(chǎn)生的振動使產(chǎn)品內(nèi)部零件松動或損壞，也可降低對移動平臺的定位精度產(chǎn)生的影響[4]。圖2 為彈性懸掛結構。

圖1 輪組爆炸圖

圖2 彈性懸掛結構

本次設計的彈性懸掛結構每個輪組配備兩個模具彈簧，依靠彈簧將運動產(chǎn)生的勢能轉(zhuǎn)換為彈性勢能來達到減振的目的，質(zhì)量輕、體積小，而且維護更換簡單方便、成本低、性價比高[2]。懸掛機構的創(chuàng)新設計，有效的解決了地面不平情況下單輪滑移的問題。

2.3 關鍵部件選型

驅(qū)動電機與減速機的選用：

電機與減速器的選型，就是通過計算移動平臺驅(qū)動時所需的驅(qū)動功率及電機的輸出扭矩，來選取滿足整車運輸能力的型號。

移動平臺在運動的過程中必須克服滾動摩擦阻力Ff、坡度阻力Fr與加速阻力Fa，所以移動平臺運動時所需要的總驅(qū)動力Ft可以表示為：

2.3.1 摩擦阻力Ff

摩擦阻力主要分為輪子與地面的摩擦阻力Ff1和輪子與軸承的摩擦阻力Ff2兩部分[5]。移動平臺滿載時加上自身重量約1600kg，在混凝土地面上運動，其地面阻力系數(shù)f=0.018，φ=00。本文選用的軸承摩擦系數(shù)μ 為0.015，軸承軸徑d=58mm,D=72mm。則滾動摩擦阻力可以表示為：

2.3.2 坡道阻力Fr

移動平臺實際行駛的路面并非理想化，而是存在一定的坡度，當移動平臺運動到有坡度的地方時，重力將分解出一個沿著坡度方向的阻力，這個阻力就是坡度阻力Fr[6]。本文設計的工作地面最大坡度為100，則移動平臺受到的坡度阻力Fr：

2.3.3 加速阻力Fa

移動平臺小車加速行駛時，需要克服其質(zhì)量加速運動時產(chǎn)生的慣性力，稱為加速阻力C。車輛的質(zhì)量分為平移質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量兩部分。為了簡化其力學計算過程，一般采用等效的方法將旋轉(zhuǎn)慣性力轉(zhuǎn)換為平移慣性力[7]。初算動力學時，以滿載車輛為對象近似的取δ=1.5。則加速阻力Fa表示為：

移動平臺的最大行駛速度Vmax=0.5m/s，電機的傳動效率ε＝0.85，則電機的功率為：

為選取合適的電機，本文采用輪子轉(zhuǎn)速和電機功率來計算。移動平臺運動的最大速度Vmax=0.5m/s；運動時間t=1min；Mecanum 輪包絡圓的直徑D=254mm，則輪子的轉(zhuǎn)速為：

電機轉(zhuǎn)速經(jīng)過減速機傳遞給輪子，本文選取的減速比i=46，則電機的轉(zhuǎn)速n電：

綜上所述，本文設計的全向移動平臺選用蘇州同毅的低壓直流伺服電機130SV-15030BA，配套驅(qū)動器IXL.II50.100.48.C，額定電壓48V，額定輸出功率1500W，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，額定力矩4.77N·m，峰值力矩為9.54N·m，額定電流39 +-10%。減速器為歐得克PLX120 行星減速機，減速比為46，額定輸出扭矩為245N·m，額定輸入轉(zhuǎn)速為3500r/min，容許徑向力為6700N，效率可達到94 。

3 升降機構設計

升降平臺作為獨立模塊，安裝在驅(qū)動平臺上可以組合成起重機械，將物件送至指定高度。剪叉式升降機構是指在驅(qū)動機構的驅(qū)動下，驅(qū)動執(zhí)行裝置產(chǎn)生小位移行程的同時將驅(qū)動力傳遞給剪叉裝置。剪叉裝置作為剪叉式升降機構的主體具有折疊伸展性能，它受到驅(qū)動執(zhí)行裝置的驅(qū)動并將驅(qū)動執(zhí)行裝置的小位移行程放大成豎直方向的較大行程，具有結構緊湊、易操作、負載大、驅(qū)動裝置多樣等優(yōu)點[8]。

本文設計的剪叉式升降機構由液壓動力單元提供動力，升降平臺自身具備滾輪限位槽、機械限位開關以及防墜落油缸等多級安全防護裝置，保證升降平臺在工作過程中安全可靠。液壓動力單元的選型是本節(jié)的重點。

圖3 升降機構示意圖

上式中：

H- 升降平臺的高度（不包括移動平臺底盤）；

L0-A 點到C 點長度，即機架長度；

L1-A 點到E 點長度，即交叉臂長度；

l- 交叉臂固定鉸支點A 到交叉臂與液壓缸前魚眼鉸接點N 的距離；

S- 液壓缸展開總長度；

α- 交叉臂與水平線夾角；

β- 液壓缸與水平線夾角。

當S 最大時升降機構到達最大高度，根據(jù)已知條件和設計參數(shù)可以求出l 的大小，即鉸接點N 的位置。已知L0=1650mm，L1=1740mm，S=900mm，取l 為1000mm 代入式（10）和（11）中，可以求出H≈601≥600，所以當l=1000mm 時滿足設計要求。結合該剪叉升降平臺的受載工況，建立力學模型，并求解平衡方程，可得到液壓缸活塞推力與夾角θ 與α 的函數(shù)關系：

由幾何關系可以算出Tmax≈2.42Q。升降平臺最大負載800kg，升降平臺自重按照200kg 計算，可以得出液壓動力單元必須提供不小于2.42 噸的推力才能滿足設計要求。

綜上所述，本次設計選用48V 液壓動力單元，活塞桿行程390mm 最大負載3.5 噸，效率可達到95%，完全滿足最大升降高度600mm，最大負載800kg 的設計要求。

4 其他機構結構設計

4.1 主體結構

主梁采用整體焊接、局部加強的原則。移動平臺車架不僅要承載貨物，而且需要便于安裝和承載控制器、電池、驅(qū)動電機以及其他附件，同時在運動的工程中保證各安裝部件之間不會發(fā)生干涉（圖4）。

圖4 主體結構簡圖

4.2 抽拉式電控箱和儲物箱

電控箱和儲物箱安裝在移動平臺兩側(cè)，電控箱的安裝位置直接影響調(diào)試和后期維護的便捷性，因此設計了一種抽拉式電控箱，在電控箱底部安裝滑軌，可以方便快捷的打開電控箱。為了方便操作者放置常用維護工具，在電控箱對稱位置設計了儲物箱（圖5）。

圖5 抽拉式電控箱

5 整車總體裝配

5.1 移動平臺采用模塊化設計，主要由基礎移動平臺、電動升降平臺、電控柜和電池組等組成。

5.2 基礎移動平臺包括：結構梁框架、10 寸4 輪組、彈性懸掛、電池組、充電模塊等。

5.3 升降平臺包括：液壓動力單元、升降行程限位開關、急停開關等組成，圖6。

圖6 全向移動平臺總體方案和樣機圖

6 結論

本文設計了一種四輪對稱結構的Mecanum 全向移動平臺，通過理論計算得出移動平臺運動所需的驅(qū)動力，升降平臺工作所需的推力，并對伺服電機、行星減速器和液壓動力單元等關鍵部件進行選型。運用模塊化設計把移動平臺分為幾個部分，降低了裝配難度和批量生產(chǎn)成本。通過對樣機的實際測試結果表明:

6.1 全向移動平臺的具有裝配簡易，靈活性很強，運動穩(wěn)定等特點，實現(xiàn)了二維平面內(nèi)任意方向的移動功能，包括直行、橫行、斜行、任意曲線移動、零回轉(zhuǎn)半徑轉(zhuǎn)動等全向移動形式[9]。

6.2 所選用的伺服電機和行星減速機滿足驅(qū)動力的要求，滿載情況下整車驅(qū)動性能較好。

6.3 液壓動力單元的選用滿足設計參數(shù)要求，可以舉升設計重量到指定高度并且運行平穩(wěn)。

6.4 懸掛機構的創(chuàng)新設計，有效的解決了地面不平情況下單輪滑移的問題，提高了移動平臺的定位精度。