萬向移動搬運機械現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

文/高 波 賈巨民 高國強

一、萬向移動機械運動原理

針對狹小作業(yè)空間，人們開發(fā)出了多種行動靈活的萬向移動機械。該類機械實現(xiàn)萬向移動的方式主要有兩種，一種為通過偏轉普通車輪實現(xiàn)轉向，另一種為基于Mecanum螺旋滾輪的運動合成實現(xiàn)整車的萬向移動。

Mecanum螺旋滾輪是瑞典人Bengt Ilon在1973年發(fā)明的，因為他當時為Mecanum AB公司的一名工程師而得此名[1]。

圖1 Mecanum螺旋滾輪

Mecanum螺旋滾輪如圖1所示，由輪轂、滾輪兩部分組成，滾輪可以自由旋轉，從車輪軸向看，所有滾輪的外廓線都在車輪的圓周上。當車輪旋轉時相當于一個普通車輪的純滾動，只是車輪與地面的接觸點在車輪軸向周期性變化。在車輪底盤上按一定規(guī)律布置三個或四個Mecanum螺旋滾輪車輪可以實現(xiàn)整車的萬向移動，現(xiàn)有機械中大多為四支點結構。

圖2為Mecanum螺旋滾輪車輪和普通車輪實現(xiàn)萬向移動原理對比。圖中實心箭頭方向為車輪與地面的相對運動方向，空心箭頭方向為車輛運動方向。

從圖2中可以看出，普通車輛要實現(xiàn)萬向運動，其車輪必須按照一定的規(guī)律偏轉。該類機械主要通過機械、液壓系統(tǒng)傳遞運動和動力，結構相對簡單、由方向盤控制方向，操作相對容易，但傳動鏈過長，傳動精度差，可靠性較低，日后維護工作量大。

Mecanum螺旋滾輪車輛由電控系統(tǒng)通過電機和減速機控制各個車輪的旋轉方向和速度，通過運動復合實現(xiàn)在平面范圍內任意方向的移動。具有操控方便，結構相對緊湊，運動精度及可靠性較高等特點。

二、國外萬向移動搬運機械運用現(xiàn)狀

目前很多廠家針對場地狹小的倉儲搬運領域研發(fā)出多種萬向移動機械。其萬向移動原理按圖2所示分為兩類。

圖2 普通車輪與Mecanum螺旋滾輪萬向運動原理對比

圖3 AIRTRAX叉車

圖4 美軍萬向搬運平臺

采用偏轉車輪萬向移動原理的搬運機械有日本TCM生產(chǎn)的ACROBA叉車，如圖3所示，其四輪可旋轉90度，從而實現(xiàn)側向行駛，提高了叉車的機動性，提高庫房利用率。此類叉車中還有COMBILIFT公司的四向叉車，如圖4所示。德國XELAN公司還生產(chǎn)出一種能夠萬向行駛的側面叉車，也采用偏轉車輪轉向方式。

相對于偏轉車輪的萬向移動方式而言，基于Mecanum螺旋滾輪的萬向移動搬運機械則有很多種，大體可分為叉車、搬運平臺、起升平臺三類。

1.叉車

最早的萬向移動叉車在Mecanum螺旋滾輪發(fā)明后就被設計出來。

1997年美國AIRTRAX公司聯(lián)合其他公司購得該專利的使用權，并研發(fā)出叉車、手動托盤搬運車、萬向移動升降平臺等產(chǎn)品，圖3為AIRTRAX公司生產(chǎn)的SIDEWINDER系列萬向叉車。該叉車額定載荷3000磅，采用三級門架，動力源為48V鉛酸蓄電池，最高車速9.6km/h，采用全交流驅動，通過手柄控制車輛行駛方向和速度。

2.搬運平臺

以Mecanum螺旋滾輪作為搬運平臺的傳動機構或行走機構，可以使搬運平臺上的物資實現(xiàn)萬向移動，或使搬運平臺具備萬向移動功能。

最早的搬運平臺由美國海軍研制，其設計意圖是提供一種能在航母等大型水面艦船上使用的物資載運工具，如圖4所示。

其后，人們利用Mecanum螺旋滾輪的萬向運動原理研制出來機場使用的萬向裝卸平臺，如圖4所示。該平臺不可以萬向移動，而平臺上的物資可以在萬向滾輪的支撐下萬向移動。

3.起升平臺

圖5 MIAG萬向升降平臺

圖6 軍事交通學院萬向叉車

圖7 軍事交通學院萬向升降平臺

起升平臺是在搬運平臺的基礎上發(fā)展起來的，在保留搬運平臺萬向移動功能的基礎上，又增加了舉升功能。圖5為德國MIAG公司制造的萬向起升平臺，該平臺主要為空客等大型飛機安裝發(fā)動機等大型零部件，具有移動平穩(wěn)、靈活，舉升能力強等特點。

美國AIRTRAX公司生產(chǎn)了COBRA萬向移動起升平臺，該平臺最大載荷1000磅，最大起升高度可達30英尺，在平臺舉升狀態(tài)下，能夠以0.8km/h的速度緩慢、平穩(wěn)移動。

三、國內萬向搬運機械現(xiàn)狀

國內針對萬向移動機構的研究始于上世紀90年代，但大多集中在Mecanum螺旋滾輪在機器人領域的應用研究。進入本世紀，萬向移動機構在搬運機械領域的應用研究開始多了起來，國內先后有多家科研院所、企業(yè)針對Mecanum螺旋滾輪在搬運機械領域的應用展開研究，并開發(fā)出多種產(chǎn)品，有些已經(jīng)推向市場。

圖6為總后軍事交通學院和安徽江淮銀聯(lián)重型工程機械有限公司合作開發(fā)的萬向蓄電池叉車，該車行走機構采用Mecanum螺旋滾輪，由手柄控制行走方向與速度，采用全交流電機驅動，動力強勁，可靠性高，控制方便。適于箱裝物資在狹窄場所的裝卸搬運及拆碼垛作業(yè)，能夠顯著提高庫房的容積利用率。

圖7為總后軍事交通學院與浙江美科斯叉車有限公司合作研發(fā)的萬向移動升降平臺[2]。該平臺在Mecanum螺旋滾輪底盤的基礎上增加了起升機構，能夠精確行走和定位，可廣泛應用于平整場所高空設備的安裝和維修工作。

解放軍裝甲兵工程學院與浙江美克斯叉車有限公司合作研發(fā)出全向叉車及移動平臺，已經(jīng)多次參加各種物流倉儲機械展會[3]。該車行走系統(tǒng)和液壓起升系統(tǒng)分別由手柄控制，操縱方便，移動靈活。

針對轉運空間有限、作業(yè)通道狹窄、路徑復雜、姿態(tài)調整頻繁的艦船環(huán)境，鄭州中船重工七一三所研制了采用結構優(yōu)化的Mecanum螺旋滾輪、鉸接式車架、緊湊的傳動系統(tǒng)及全交流驅動方案的全方位叉車和全方位轉運車[4]。

此外，還有青島臺勵福叉車、上海維登叉車等公司均推出了基于偏轉車輪或Mecanum螺旋滾輪原理的萬向移動搬運機械。

四、萬向移動搬運機械發(fā)展趨勢

縱觀國外、國內萬向移動搬運機械的發(fā)展歷程及綜合技術特點，筆者認為有如下幾方面發(fā)展趨勢：

1.廣泛采用Mecanum螺旋滾輪車輪

相對于偏轉車輪轉向方式，Mecanum螺旋滾輪車輪結構緊湊、傳動可靠、控制精度高，其應用范圍正逐步擴大。

2.采用全交流驅動控制技術

萬向移動機械廣泛采用全交流電機及其驅動控制技術，具有動力強勁、結構簡單、免維護的特點，符合當今蓄電池機械驅動技術的發(fā)展方向。

3.采用CAN總線技術

萬向移動機械控制手柄、中央控制器、電機控制器、儀表間采用CAN總線進行通信，整體結構簡單，中間環(huán)節(jié)少，可靠性高，精度和實時性好。

4.應用多種控制及驅動方式

現(xiàn)有萬向運動機構及相關技術不僅能應用于倉儲裝卸搬運機械領域，還可通過將手控改為遙控或線控操縱，將電機驅動改為液壓馬達驅動，加裝防爆裝置改進設計，將該技術推廣到防爆、排爆、交通、醫(yī)療、玩具等特殊領域中。

5.采用先進動力源

電源系統(tǒng)可選用鋰電池組，相比于鉛酸蓄電池組，具有重量輕、體積小、壽命長的優(yōu)點。

[1]賈巨民，關利贏，郝欣，常力欣.萬向電動叉車螺旋滾輪輪體設計.叉車技術.2010(2):7～10

[2]周京京，恃才洪，胡軍中，李春卉.全向自行式升降平臺行走機構的設計.起重運輸機械[J].2013(6):51～55

[3]軍力一美科斯全方位移動叉車.物流技術(裝備版) [J].2011(1):78

[4]侯彬，李亞明.麥克納姆輪技術及其在船用輪式設備中的應用.船舶工程[J].2011(3):84～87