履带式全方位移动平台 |
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| 申请号 | CN201210347188.8 | 申请日 | 2012-09-19 | 公开(公告)号 | CN102826135B | 公开(公告)日 | 2017-12-08 |
| 申请人 | 张豫南; | 发明人 | 张豫南; 黄涛; 颜南明; 张健; 尚颖辉; 李年裕; 李瀚飞; 王双双; 田鹏; 闫永宝; 赵玉慧; 孙晓雨; 吴中坚; 李辉; 张舒阳; 王恒; | ||||
| 摘要 | 一种 履带 式全方位移动平台，其主要由移动机构、控制子系统、驱动子系统和电源子系统构成，所述移动机构由多个全方位移动履带构成，所述多个全方位移动履带以类似 汽车 的四轮轮组结构排布。所述全方位移动履带主要由主动轮(12)、履带板(13)、辊子(14)、负重轮(15)、拖带轮(16)以及诱导轮(17)构成。所述辊子(14)固定在每个履带板的辊子 支架 (23)上，其转动轴线与所述全方位移动履带的主动轮(12)的轴线设置成一定的夹 角 ，形成所述辊子(14)的偏置角。它是具有越野、爬坡和在不平路面上全方位移动的履带平台。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种履带式全方位移动平台，其主要由移动机构、控制子系统、驱动子系统和电源子系统构成，所述移动机构由多个全方位移动履带构成，所述多个全方位移动履带以汽车的四轮轮组纵向对称结构排布； |
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| 说明书全文 | 履带式全方位移动平台技术领域[0001] 本发明属于移动机械装置技术领域，具体涉及一种具有全方位运动的履带式移动平台。 背景技术[0002] 近年来，移动平台在各行业的应用逐渐深入和拓宽，例如仓储运输、航空航天、军事安全和服务业等领域。其按运动特性可以分为全方位和非全方位两种，但现有的大多数移动平台都是非全方位的。与非全方位相比，全方位移动平台在空间坐标系XYZ下，具有在XY平面上的三个运动自由度，即沿X轴、Y轴的平动和绕Z轴的转动。它具有更加灵活的机动性能，可以朝平面上的任意方向移动而不需要改变平台的姿态，也可实现以任意一点为中心、任意半径的转向运动。因此，全方位移动平台在狭小和拥挤的空间工作时，能够灵活自如地行进，还可对自身的位置和姿态进行细微调整，非常适用于需要精确定位和高精度轨迹跟踪的场合。 [0003] 移动机构是移动平台运动的基础，通常可分为轮式、履带式和腿足式，此外还有适用于特定场合的步进式、蠕动式和蛇形式。目前，绝大多数的全方位移动平台都采用轮式机构，主要有：麦克纳姆轮(Mecanum wheel)、连续切换轮(Alternate wheel)、正交轮(Orthogonal wheel)、球轮(ball wheel)和Rover轮等。轮式全方位移动平台在工程上已得到了广泛的应用。 [0004] 履带式全方位移动平台的发展则相对滞后，直到上世纪90年代初才出现了相关的研究成果。由于现有的履带式全方位移动机构还不够完善、种类也较少，使得履带式全方位移动平台迄今未在工程上得到应用，仍停留在试验平台阶段。 [0005] Mecanum轮是一种典型的轮式全方位移动机构，如图1所示，它主要由轮毂1和固定在轮毂上的一系列均匀分布的鼓形辊子3组成，辊子的外廓包络线2与轮子的理论圆周线相重合，辊子可以绕其轴线自由旋转，辊子轴线和轮毂轴线的夹角为辊子的偏置角，通常为±45°。 [0006] Mecanum轮式全方位移动平台是目前应用最广泛的一种全方位移动平台，它为了实现全方位运动需要三个或三个以上的Mecanum轮，通常采用四个Mecanum轮。对于四轮结构，为使平台运行平稳，支撑结构稳定，一般合理的轮组布局结构形式为纵向对称布局，类似小型汽车的轮组结构形式。但由于Mecanum轮的结构特殊，在实际应用中，为使制造经济合理，一般四个轮结构参数取相同值，在安装时采取正反向两种安装方式，因此平台上轮的辊子偏置角只有±α两种(通常取为±45°)。通过对平台运动学的解析，得到最优的轮组布局方案如图2所示，图中的四个矩形框表示四个轮子，方框中斜线表示各轮接地辊子的轴线方向，即偏置方向。 [0007] 由于Mecanum轮与地面之间为点接触，这就造成整个平台与地面只有4个点接触，接地面积非常小。并且Mecanum轮是一种刚性轮，所以平台在运动过程中容易产生颠簸，在高速情况下尤为明显。Mecanum轮式全方位移动平台的理想工作条件是平坦路面。它在不平路面上难以保证全方位运动的精度和稳定性。因为整个平台与地面之间只有4个点接触，而不平路面上有凹凸和起伏等，所以容易出现某个轮或某几个轮不触地的情况，这样将导致平台无法完成全方位运动。 [0008] “VUTON”Crawler是由日本的Shigeo Hirose教授发明履带式移动机构，他的发明灵感来源于某全方位轮。Hirose教授想通过一连串的自由辊子代替了原有的全方位轮，从而将其演变成一种履带式全方位移动机构。如图3所示，它的结构主要是由一对链条4、5和若干个圆柱形的自由辊子7构成，两条链条之间保持固定的间距，它们之间用矩形框6连接，自由辊子则固定在矩形框上，它们可绕自身轴线转动，但保持始终水平姿态。这种机构的特点是结构平坦、紧凑；相比原有的全方位轮，接地面积增大，载重能力也增强；同时由于与地面之间不发生滑移现象且接地面积较大，所以对地面的破坏程度较小。“VUTON”移动履带(crawler)的实物结构主要由主动轮轴、内侧链条、外侧链条、调速带、矩形框、框支架、辊子及张紧装置构成，其中辊子轴线与主动轮轴线的夹角为90°，即辊子的偏置角为90°。“VUTON”移动履带中的部分结构设计，例如采用90°偏置角辊子和矩形框等，导致其通过具有台阶、槽沟等障碍的路面的能力较差，从而降低了其通过性。 [0009] 对于采用“VUTON”移动履带的移动平台而言，一个全方位移动平台至少需要四条该履带机构。对于四履带结构，通过其的运动解析可知，平台只能采用如图4所示的四履带环绕对称布局方案，而不能采用类似小型汽车的轮组布局方案。图中矩形框代表一条履带，框中一系列的短实线则表示履带上一系列接地辊子的轴线，细虚线表示主动轮轴线。平台上的每条履带由电机独立驱动，通过控制每条履带转速的大小和方向，就可得到不同的运动组合，从而实现平台的全方位移动。“VUTON”Crawler自身的结构以及平台的履带组布局方案，决定了该平台通过台阶、沟槽等障碍的能力差。 发明内容[0010] 为了解决现有的Mecanum轮式全方位移动平台运动颠簸、路面适应能力差，以及为了解决“VUTON”移动履带式全方位移动平台越障能力差的问题，本发明提供了一种履带式全方位移动平台，其主要由移动机构、控制子系统、驱动子系统和电源子系统构成，其特征在于，所述移动机构由多个全方位移动履带构成，所述多个全方位移动履带以类似汽车的四轮轮组结构排布。 [0011] 所述全方位移动履带主要由主动轮12、履带板13、辊子14、负重轮15、拖带轮16以及诱导轮17构成。所述全方位移动履带由多个履带板13拼接而成，所述辊子14固定在每个履带板的辊子支架23上。所述全方位移动履带由多个履带板13拼接而成，所述辊子14固定在所述每个履带板的辊子支架23上； [0012] 所述控制子系统由操纵杆，电机控制器，以及用于计算电机转速及转向并将电机转速及转向指令发送到对应电机控制器的综合控制器构成，其中所述电机控制器根据接收的指令调节每个电机的转速及转向，并反馈给所述综合控制器每个电机当前时刻的实际转速； [0013] 所述辊子14为圆柱形辊子。 [0014] 所述辊子支架23的转动轴线与所述全方位移动履带的主动轮12的轴线设置成一定的夹角，形成所述辊子14的偏置角。 [0015] 另外，在由所述多个全方位移动履带构成在四轮轮组纵向对称结构中，处于一对角线上的两个全方位移动履带的偏置角相同，位于另一与之垂直的对角线上的两个全方位移动履带的偏置角与前述偏置角相反。 [0016] 所述履带板由板体19、导向齿20、啮合轴21、销孔22、以及辊子支架23构成，其中所述啮合轴21与所述主动轮12上的齿圈相互啮合以实现动力的转换，所述销孔22用于将多个履带板拼接成一条完整的履带。 [0017] 所述履带板的辊子支架23的轴线与所述主动轮12轴线成一固定夹角，以使所述履带板13上的多个辊子14形成统一的固定偏置角。所述辊子14的偏置角范围在(0°，90°)或(-90°，0°)之间。优选所述辊子14的偏置角为±45°。 [0018] 进一步，所述控制子系统由操纵杆，电机控制器，以及用于计算电机转速及转向并将电机转速及转向指令发送到对应电机控制器的综合控制器构成。所述驱动子系统由电机和减速器组成，所述电机通过减速器与移动机构相连，并接收所述电机控制器的转速及转向指令以驱动所述移动机构。 [0019] 本发明的履带式全方位移动平台与前述现有技术的移动平台相比，具有如下优点：(1)提高了全方位移动平台运动的平稳性；(2)增强了全方位移动平台的路面适应能力；(3)提升了全方位移动平台的越障能力。 附图说明 [0020] 图1：现有技术中麦克纳姆(Mecanum)轮轴向投影图； [0021] 图2：现有技术中使用麦克纳姆(Mecanum)轮轴的移动平台最优轮组布局方案； [0022] 图3：现有技术中“VUTON”移动履带的结构原理图； [0023] 图4：现有技术中使用“VUTON”移动履带的移动平台四履带环绕对称布局方案； [0024] 图5：本发明的履带式全方位移动平台总体结构示意图； [0025] 图6：本发明的全方位移动履带结构示意图； [0026] 图7：本发明的履带式全方位移动平台的履带组纵向对称布局图； [0027] 图8：本发明的全方位移动履带的主动轮结构示意图； [0028] 图9：本发明的全方位移动履带的履带板结构示意图。 具体实施方式[0029] 图5为本发明履带式全方位移动平台的总体结构示意图。如图5所示，本发明的履带式全方位移动平台，是一种电传动控制平台。它主要由移动机构、控制子系统、驱动子系统和电源子系统等组成的。其中，移动机构是平台的基础，控制子系统是平台的核心。 [0030] 对于移动机构而言，本发明平台的移动机构是由四条“全方位移动履带”组成。“全方位移动履带”是基于履带车辆的移动机构的基本结构，并在其上均匀分布了一定数量的具有固定偏置角的圆柱形辊子，辊子可绕自身轴线自由旋转，偏置角范围为(0°，90°)或(-90°，0°)，通常为±45°。其结构示意图如图6所示，“全方位移动履带”的详细结构和特性，将在后文中作详细说明。 [0031] 本发明的移动平台其主要特点除采用上述“全方位移动履带”作为移动机构外，还在于其平台履带组的布局方式，如图7所示，本发明采用了如图7所示的纵向对称布局，它类似于小汽车的四轮轮组结构。图中小矩形框代表履带，优选是“全方位移动履带”，框中一连串的斜线则表示履带上一连串接地辊子的轴线方向，即偏置方向，四条虚线则表示主动轮的轴线方向。由于“全方位移动履带”的特殊结构，平台上的履带需要采取正反两种安装方式，所以平台上的辊子偏置角有两种，通常为±45°。在由所述多个全方位移动履带构成的四轮轮组结构中，处于一对角线上的两个全方位移动履带的偏置角相同，位于另一与之垂直的对角线上的两个全方位移动履带的偏置角与前述偏置角相反。例如，图7中A和C号履带的辊子偏置角相同，而B和D号的辊子偏置角则刚好与之相反(如A和C号履带的辊子偏置角为45°，则B和D号的辊子偏置角则为-45°)。 [0032] 对于移动平台的控制子系统而言，平台的控制子系统由操纵杆、综合控制器及四个电机控制器组成。控制子系统的工作流程如下：首先综合控制器利用AD转换模块将操纵杆的模拟信号转换为数字信号，并计算出每个电机的转速及转向；接着，综合控制器通过CAN总线将每个电机的转速及转向指令发送对应的电机控制器；最后，电机控制器根据接收的指令调节每个电机的转速及转向，同时也会反馈给综合控制器每个电机当前时刻的实际转速。 [0033] 对于移动平台的驱动子系统而言，平台的驱动子系统由四组电机和减速器组成。电机通过减速器与移动机构相连，接收电机控制器的转速及转向指令，从而驱动移动机构实现全方位运动。另外，由于“全方位移动履带”上的诱导轮也可作为主动轮，所以在需要的情况下，也可采用八组电机和减速器，则每条履带将由两组电机和减速器同时驱动。 [0034] 对于移动平台的电源子系统而言，其电源子系统为平台的控制、驱动等提供电源，通常采用直流电源作为平台的动力电源。这里选用动力电池组。 [0035] 下面将详细描述本发明移动平台所采用的“全方位移动履带”的具体结构及其特点。 [0036] 众所周知，现有履带车辆具有运动平稳、路面适应能力强等优点，本发明方案正是基于现有履带车辆移动机构的基本结构，通过改进设计而研制的一种新型履带机构——全方位移动履带。全方位移动履带既保持了原有履带车辆移动机构运动平稳、路面适应能力强的优点，又具备了实现全方位运动的功能。 [0037] 本发明的全方位移动履带结构示意图如图6所示，该机构主要由主动轮12、履带板13、辊子14、负重轮15、拖带轮16和诱导轮17等六部分组成。 [0038] 其中主动轮12采用双排齿圈结构，如图5所示，其功用是，通过齿圈与履带板13啮合，将电机输出的驱动扭矩转换成履带的拉力，从而带动整个履带运动。主动轮的齿数及尺寸可根据实际需要的履带尺寸来确定。 [0039] 在履带和主动轮的设计中，已经确定了履带板的宽度、节距、啮合方式以及啮合轴的直径。所述履带板13如图9所示，所述每个履带板可分为以下几个部分：板体19、导向齿20、啮合轴21、销孔22及辊子支架23。其中板体19用于支撑负重轮15和托带轮16，相当于移动履带的主要运动的轨道；导向齿20则起到了导向作用，保证了负重轮15及拖带轮16不偏离板体19轨道；啮合轴20与主动轮12上的齿圈相互啮合，实现了动力的转换，由于主动轮12是双齿圈结构，所以一个履带板上具有一对啮合轴；销孔22用于多个履带板之间的连接，最后组成一条完整的履带；辊子支架23位于板体下方，用于固定辊子，它的轴线24与主动轮轴线成一定的夹角，其范围为(0°，90°)或(-90°，0°)，通常优化设计为±45°。 [0040] 本发明所述辊子是履带的接地部分，主要通过它与地面的相互作用来实现全方位运动，其外轮廓为一个圆柱体。其相比前述现有技术中的Mecanum轮式全方位移动平台，全方位移动履带运动的平稳性大大提升。全方位移动履带的接地部分为一连串的圆柱形辊子，它们与地面之间是线接触，这有效地增加了平台的接地面积，且随着履带长度的增加而增大。另外，在运动过程中，全方位履带的辊子在每次接地后，保持一段的接触时间(这段时间取决了履带的长度及主动轮转速)，这样很可能使接地辊子与地面之间达到短暂的静平衡，从而有效减缓颠簸程度，提高了平台运动的平稳性。所述辊子安装于辊子支架上，可绕自身轴线自由转动，由于辊子支架的轴线与主动轮轴线成一定的夹角，所以辊子具有一定的偏置角，其范围为(0°，90°)或(-90°，0°)，通常为±45°。 [0041] 另外本发明全方位履带设置有负重轮，负重轮上设置有导向槽，其与履带板上的导向齿啮合以使负重轮不偏离履带板的板体轨道。负重轮的功用是，支撑车体在履带接地段上滚动，并将平台的重力较均匀地分配在整个履带接地段上。通常，一条履带上具有多个负重轮，增加负重轮的数量，可以使履带支撑面上的压力分布均匀，使该机构在承载能力差的地面上的通过性变好，减小了对地面的破坏程度。负重轮的选材、结构及尺寸可根据实际需求进行设计。 [0042] 另外，本发明的全方位移动履带还包括拖带轮，拖带轮与负重轮结构相似，但尺寸相对较小。它对上支履带段起到支撑作用，这样可以减小上支履带段的摆动，从而减小履带板铰接处的功率损失。一般一条履带上也具有多个拖带轮，具体数量可根据上支履带段的长度来确定。 [0043] 进一步本发明的全方位移动履带还包括诱导轮。通常，诱导轮的功用是用来支撑上支履带段和改变上支履带段的运动方向，它与拖带轮的结构相似，但尺寸较大。然而，如图4中所示的诱导轮虽然与主动轮结构相同，但其不具有主动驱动能力。然而，如果想增大履带的驱动力时，可将该诱导轮直接地变换为主动轮，则整条履带由两个主动轮驱动，这可根据实际需求来确定。 [0044] 本发明的履带式全方位移动平台与现有移动平台相比，具有如下优点： [0045] (1)提高了全方位移动平台运动的平稳性。 [0046] 相比Mecanum轮式全方位移动平台，履带式全方位移动平台运动的平稳性大大提升。因为它的移动机构由四条“全方位移动履带”组成，而“全方位移动履带”的接地部分为一连串的圆柱形辊子，它们与地面之间是线接触，这有效地增加了平台的接地面积，且随着履带长度的增加而增大。另外，在运动过程中，全方位履带的辊子在每次接地后，保持一段的接触时间(这段时间取决了履带的长度及主动轮转速)，这样很可能使接地辊子与地面之间达到短暂的静平衡，从而有效减缓颠簸程度，提高了平台运动的平稳性。 [0047] (2)增强了全方位移动平台的路面适应能力。 [0048] 相比Mecanum轮式全方位移动平台，履带式全方位移动平台能够更好地适应随机不平路面。因为整个平台接地辊子的数目较多，在随机不平路面上运动时，尽管存在凹凸、沟槽或者起伏等，会造成接地履带段上的部分辊子出现悬空的情况，但只要每条履带上至少有一个辊子保持接地，就仍可实现全方位运动。另外，平台的接地面积大，能有效克服不平路面给平台带来的振动激励，从而减缓颠簸程度。可见，履带式全方位移动平台对随机不平路面的适应能力较强，且随履带长度的增加而增强。 [0049] (3)提升了全方位移动平台的越障能力。 |
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