基于三維軟件的麥克納姆輪移動(dòng)平臺(tái)懸架系統(tǒng)研究

盧浩文++謝佳洽++李澤寰++陳燦瓊++高澤軒++曾俊皓

摘要：在過(guò)去的幾年來(lái)，眾多載重能力強(qiáng)的移動(dòng)平臺(tái)爭(zhēng)相出現(xiàn)，而以麥克納姆輪為代表的全向移動(dòng)平臺(tái)以其優(yōu)異的全向移動(dòng)能力及載重能力強(qiáng)出名。由于麥克納姆輪自身結(jié)構(gòu)不足的原因，麥克納姆的懸架系統(tǒng)變得尤為重要。這篇文章就從麥克納姆輪自身結(jié)構(gòu)的角度入手，利用三維軟件SolidWorks進(jìn)行分析，探討麥克納姆輪的懸架系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：麥克納姆輪 全向移動(dòng) SolidWorks 懸架系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）11-0039-01

Abstract：In the past few years， a large number of heavy-duty mobile platforms appear， Mecanum Wheel as the representative of mobile platform is well know with its excellent omnidirectional mobility and strong load capacity. Mecanum's suspension system becomes particularly important because of the Mecanum's own structural weaknesses. This article starts from the Mecanum wheel's own structural. The 3D software SolidWorks for analysis， to explore Mecanum wheel suspension system.

Key Words：Mecanum；Omnidirectional mobility；SolidWorks； Suspension system

1 引言

以麥克納姆輪為主動(dòng)輪的全向移動(dòng)平臺(tái)，可在二維平面內(nèi)向任意方向移動(dòng)的高精度移動(dòng)設(shè)備。當(dāng)若干個(gè)的麥克納姆輪在一定的排列組合下，通過(guò)單獨(dú)控制每個(gè)麥克納姆的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向，即可實(shí)現(xiàn)車的直行、橫移、斜行、原地旋轉(zhuǎn)、各種連續(xù)曲線的移動(dòng)。運(yùn)動(dòng)靈活，通過(guò)位置伺服進(jìn)行細(xì)微調(diào)整可實(shí)現(xiàn)精確定位和軌跡控制。

作為平面高精度移動(dòng)設(shè)備可運(yùn)用于航空航天、船舶、工程機(jī)械、倉(cāng)儲(chǔ)物流、科研教學(xué)等等眾多領(lǐng)域。如KUKA公司推出的全向移動(dòng)平臺(tái)omniMove、上海匯聚自動(dòng)化科技有限公司的HJ575-H8d。國(guó)內(nèi)部分院校及研究單位正在進(jìn)行麥克納姆輪機(jī)器人及相關(guān)設(shè)備的研究。目前，較為熱門(mén)的方向?yàn)閭}(cāng)儲(chǔ)物流，如亞馬遜倉(cāng)庫(kù)機(jī)器人Kiva，其特點(diǎn)為體積小、載重能力強(qiáng)。

由于麥克納姆輪的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為達(dá)到高精度軌跡控制和精確定位需對(duì)將麥克納姆輪與平臺(tái)車架之間的懸架系統(tǒng)進(jìn)行研究，降低因麥克納姆輪自身結(jié)構(gòu)的影響。

2 麥克納姆輪結(jié)構(gòu)

麥克納姆輪由若干個(gè)輥?zhàn)?、輪轂、支撐芯、軸承、螺栓螺母等組成。

麥克納姆輪與普通輪本質(zhì)區(qū)別在于當(dāng)輪繞輪軸軸心旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，普通輪僅有前進(jìn)或后退的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，而麥克納姆輪在二維x-y平面上擁有x和y的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。在三維軟件SolidWorks中容易發(fā)現(xiàn)這一特性。輥?zhàn)釉趦蓚?cè)的輪轂夾持的情況下時(shí)，輥?zhàn)涌梢岳@輥?zhàn)虞S心旋轉(zhuǎn)，同時(shí)輥?zhàn)涌梢岳@輪轂軸心旋轉(zhuǎn)，麥克納姆輪結(jié)構(gòu)爆炸視圖如圖1所示。由于單個(gè)麥克納姆輪的運(yùn)動(dòng)方向不確定性，所以在多個(gè)麥克納姆輪按照一定排列順序以及單獨(dú)控制每個(gè)麥克納姆輪的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速即可使由麥克納姆輪組成的移動(dòng)平臺(tái)達(dá)到全向移動(dòng)的能力。

3 懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

麥克納姆輪的輪緣是不連續(xù)的環(huán)面， 由一系列不連續(xù)的斜置被動(dòng)輥?zhàn)影j(luò)形成，這若干個(gè)在被動(dòng)棍子在輪轂帶動(dòng)下，與地面發(fā)生依次接觸。不連續(xù)的輥?zhàn)訉?dǎo)致麥克納姆輪運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生垂直方向振動(dòng)，這些意外的振動(dòng)會(huì)減少定位精度，以及整體平穩(wěn)性。為保證四輪全向移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)的四輪輸出均能得到有效利用，則需至少在一個(gè)輪上進(jìn)行懸掛，保證四輪同時(shí)著地。為減緩由于麥克納姆輪自身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生垂直振動(dòng)，最優(yōu)方式為四輪均安裝獨(dú)立懸掛。

麥克納姆輪由于其輪緣是不連續(xù)環(huán)面，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通常只有一個(gè)到兩個(gè)輥?zhàn)优c被動(dòng)地面接觸，從圖2（b）可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)麥克納姆輪稍微向輪殼一側(cè)傾斜的話，麥克納姆將會(huì)受力將會(huì)集中在傾斜一側(cè)的輥?zhàn)由?，?dāng)懸掛方式為這種情況的話，麥克納姆輪輥?zhàn)訉?huì)出現(xiàn)輥?zhàn)幽p不一致、輪轂受力不均勻，極大減短麥克納姆輪的壽命。麥克納姆輪的輪轂一旦變形意味著麥克納姆輪報(bào)廢，這極大增加使用成本，綜上來(lái)說(shuō)麥克納姆輪懸掛系統(tǒng)應(yīng)盡可能保持麥克納姆輪垂直于地面。

懸掛的形式大致可以分為兩種：

（1）繞輪軸外一點(diǎn)為鉸接點(diǎn)進(jìn)行懸掛如圖3（a）。

（2）垂直于輪軸的平面上的一點(diǎn)鉸接進(jìn)行懸掛如圖3（b）。

3.2 懸架結(jié)構(gòu)方案對(duì)比分析

由麥克納姆輪組成的全向移動(dòng)平臺(tái)多用于倉(cāng)庫(kù)物流、工程機(jī) 械科研教學(xué)等眾多領(lǐng)域。其相應(yīng)的移動(dòng)平臺(tái)應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)尺寸矮、載重能力強(qiáng)。這有利于裝載或卸載物品，同時(shí)，尺寸較小的全向移動(dòng)平臺(tái)能節(jié)約倉(cāng)庫(kù)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)成本，同時(shí)提高了安全性。

由于麥克納姆輪不同于普通輪，其結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性，導(dǎo)致它只需要控制全向移動(dòng)平臺(tái)上輪轂的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，進(jìn)行復(fù)合運(yùn)動(dòng)即可完成全向移動(dòng)，所以在這一方面，麥克納姆輪懸架系統(tǒng)并不需要轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，只需全程關(guān)注于如何使麥克納姆輪垂直于地面的問(wèn)題。這樣極大的簡(jiǎn)化懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，可以減去轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。同時(shí)，當(dāng)全向移動(dòng)平臺(tái)在橫向或斜線移動(dòng)時(shí)，由于車速較為低速，出于安全以及慣性的考慮，可以忽略側(cè)傾的發(fā)生。

3.3 確定懸架結(jié)構(gòu)方案

（1）四輪全向輪平臺(tái)的設(shè)計(jì)尺寸較小，在選取懸架結(jié)構(gòu)形式時(shí)，應(yīng)盡量選取結(jié)構(gòu)較緊湊、尺寸較小的懸架結(jié)構(gòu)形式。

（2）盡量保持麥克納姆輪垂直，減緩被動(dòng)輥?zhàn)訐p耗。

由此可以確定懸架結(jié)構(gòu)從結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便性以及減緩麥克納姆輪磨損的應(yīng)選用能使每個(gè)麥克納姆輪垂直于地面進(jìn)行跳動(dòng)的懸掛，即垂直于輪軸的平面上的一點(diǎn)進(jìn)行鉸接進(jìn)行懸掛。