鮑明松　趙林萍　段立夫　孫洪陽

摘要：針對當(dāng)前多輪移動平臺的輪系上動力驅(qū)動和轉(zhuǎn)向驅(qū)動需要單獨(dú)設(shè)置動力源而導(dǎo)致驅(qū)動機(jī)構(gòu)數(shù)量過多、體積和重量大、控制精度差等問題，設(shè)計(jì)了一種全輪動力和轉(zhuǎn)向驅(qū)動的輕量化特種移動平臺，可實(shí)現(xiàn)對移動平臺的全輪獨(dú)立動力驅(qū)動和轉(zhuǎn)向驅(qū)動，降低了輪組體積和重量，提升了輪組移動和轉(zhuǎn)向時(shí)的線性度和系統(tǒng)的自動化、智能化水平。

關(guān)鍵詞：全輪驅(qū)動;驅(qū)動轉(zhuǎn)向;輪式移動平臺;特種機(jī)器人

1 設(shè)計(jì)背景

輪式行走機(jī)構(gòu)因摩擦和阻力小、轉(zhuǎn)向性能好等被廣泛應(yīng)用于如全輪驅(qū)動的汽車、軍事特種機(jī)器人等[1]各類復(fù)雜場合。由于需要對每個(gè)輪組單獨(dú)動力驅(qū)動和轉(zhuǎn)向驅(qū)動，輪組上動力驅(qū)動電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)的重量和尺寸等參數(shù)將直接決定全輪移動平臺的運(yùn)動特性[2]。目前采用每個(gè)輪組單獨(dú)直連驅(qū)動或左右輪組、前后輪組共用驅(qū)動電機(jī)的方案，存在輪組體積龐大、成本高、控制困難等問題。在全輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動方案中，由于動力驅(qū)動組件和轉(zhuǎn)向組件間存在耦合，存在增加驅(qū)動輪組體積和成本等難題[3]。為此，本文設(shè)計(jì)了一種全輪動力和轉(zhuǎn)向驅(qū)動的輕量化特種移動平臺。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與組成

全輪動力和轉(zhuǎn)向驅(qū)動的輕量化特種移動平臺包括全輪驅(qū)動組件、全輪轉(zhuǎn)向組件、車輪組件、平臺骨架。其中，全輪驅(qū)動組件實(shí)現(xiàn)對車輪組件的全向動力驅(qū)動，全輪轉(zhuǎn)向組件則可實(shí)現(xiàn)對車輪組件的全向轉(zhuǎn)向驅(qū)動。該移動平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1? ? 全輪驅(qū)動組件設(shè)計(jì)

全輪驅(qū)動組件包括動力驅(qū)動源、動力波箱、動力傳遞組件。其中，動力驅(qū)動源為輪組的全向驅(qū)動提供動力，連接動力波箱;動力傳遞組件則將動力進(jìn)行方向、大小轉(zhuǎn)換和動力分配，實(shí)現(xiàn)對輪組的動力傳遞功能。全輪驅(qū)動組件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

動力驅(qū)動源包括第一動力電機(jī)、第一動力減速箱、第二動力電機(jī)、第二動力減速箱。

動力波箱包括第一動力轉(zhuǎn)軸、第二動力轉(zhuǎn)軸、第一動力齒輪、第二動力齒輪、第三動力齒輪、第四動力齒輪、第五動力齒輪、第六動力齒輪、第七動力齒輪、第八動力齒輪、第九動力齒輪、第十動力齒輪、第三動力轉(zhuǎn)軸、第四動力轉(zhuǎn)軸、第五動力轉(zhuǎn)軸、第六動力轉(zhuǎn)軸。

動力傳遞組件包括動力傳遞第一齒輪、動力傳遞第二齒輪、動力傳遞第一轉(zhuǎn)軸、動力傳遞第三齒輪、動力傳遞第四齒輪、動力傳遞第二轉(zhuǎn)軸、動力傳遞第五齒輪、動力傳遞第六齒輪、動力傳遞第三轉(zhuǎn)軸、動力傳遞萬向節(jié)、動力傳遞第七齒輪、動力傳遞第八齒輪。

2.2? ? 全輪轉(zhuǎn)向組件設(shè)計(jì)

全輪轉(zhuǎn)向組件包括轉(zhuǎn)向驅(qū)動源、轉(zhuǎn)向波箱、轉(zhuǎn)向傳遞組件。轉(zhuǎn)向驅(qū)動源為輪組的全向回轉(zhuǎn)提供轉(zhuǎn)向動力，連接轉(zhuǎn)向波箱;轉(zhuǎn)向傳遞組件則將動力進(jìn)行方向、大小轉(zhuǎn)換和動力分配，實(shí)現(xiàn)對輪組全向回轉(zhuǎn)驅(qū)動的動力傳遞功能。全輪轉(zhuǎn)向組件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

轉(zhuǎn)向驅(qū)動源包括第一轉(zhuǎn)向電機(jī)、第一轉(zhuǎn)向減速箱、第二轉(zhuǎn)向電機(jī)、第二轉(zhuǎn)向減速箱。

轉(zhuǎn)向波箱包括第一轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)軸、第二轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)軸、第一轉(zhuǎn)向齒輪、第二轉(zhuǎn)向齒輪、第三轉(zhuǎn)向齒輪、第四轉(zhuǎn)向齒輪、第五轉(zhuǎn)向齒輪、第六轉(zhuǎn)向齒輪、第七轉(zhuǎn)向齒輪、第八轉(zhuǎn)向齒輪、第九轉(zhuǎn)向齒輪、第十轉(zhuǎn)向齒輪、第三轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)軸、第四轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)軸、第五轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)軸、第六轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)軸、第十一轉(zhuǎn)向齒輪、第七轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)軸、第十二轉(zhuǎn)向齒輪、第八轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)軸。

轉(zhuǎn)向傳遞組件包括轉(zhuǎn)向傳遞第一齒輪、轉(zhuǎn)向傳遞第二齒輪、轉(zhuǎn)向傳遞第一轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)向傳遞第三齒輪、轉(zhuǎn)向傳遞第四齒輪、轉(zhuǎn)向傳遞第二轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)向傳遞第五齒輪、轉(zhuǎn)向傳遞第六齒輪、轉(zhuǎn)向傳遞第三轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)向傳動第七齒輪、轉(zhuǎn)向傳動第八齒輪、轉(zhuǎn)向傳遞第四轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)向傳動第九齒輪、轉(zhuǎn)向傳動第十齒輪、轉(zhuǎn)向傳遞第五轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)向傳動第十一齒輪、轉(zhuǎn)向傳動第十二齒輪、轉(zhuǎn)向傳遞第六轉(zhuǎn)軸。

3 輕量化特種移動平臺驅(qū)動原理

3.1? ? 全輪同步前進(jìn)或后退驅(qū)動

當(dāng)移動平臺全輪前進(jìn)時(shí)：

（1）第一動力電機(jī)：不動作。

（2）第二動力電機(jī)→第二動力轉(zhuǎn)軸→第四動力齒輪→第六動力齒輪→第七動力齒輪→第八動力齒輪→第九動力齒輪→第六動力轉(zhuǎn)軸→第二動力轉(zhuǎn)軸→第三動力轉(zhuǎn)軸→第七動力齒輪→第八動力齒輪→車輪正向前進(jìn)。

（3）第一轉(zhuǎn)向電機(jī)：不動作。

（4）第二轉(zhuǎn)向電機(jī)：不動作。

當(dāng)移動平臺全輪后退時(shí)，過程與上述類似，動作相反。

3.2? ? 全輪同步轉(zhuǎn)向運(yùn)動驅(qū)動

當(dāng)移動平臺全輪原地順時(shí)針轉(zhuǎn)向時(shí)：

（1）第一動力電機(jī)→第一動力轉(zhuǎn)軸→第十動力齒輪→第一動力齒輪→第四動力齒輪→第三動力轉(zhuǎn)軸→車輪反向驅(qū)動行進(jìn)。

（2）第二動力電機(jī)：不動作。

（3）第一轉(zhuǎn)向電機(jī)→第一轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)軸→第五轉(zhuǎn)向齒輪→第六轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)軸→轉(zhuǎn)向傳遞第六齒輪→轉(zhuǎn)向傳動第九齒輪→轉(zhuǎn)向傳遞第六轉(zhuǎn)軸，左后輪和右前輪反向轉(zhuǎn)向調(diào)整。

（4）第二轉(zhuǎn)向電機(jī)：不動作。

當(dāng)移動平臺全輪原地逆時(shí)針轉(zhuǎn)向時(shí)，過程類似。

4 結(jié)語

本文采用動力分布驅(qū)動和轉(zhuǎn)向分散驅(qū)動方法，設(shè)計(jì)了一種全輪動力和回轉(zhuǎn)驅(qū)動的輕量化特種移動平臺，可用于輪式移動的特種、軍事等機(jī)器人中。該平臺實(shí)現(xiàn)了對輪組的全向動力驅(qū)動和轉(zhuǎn)向控制，有利于促進(jìn)多輪移動平臺的微型化和輕量化發(fā)展。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 朱磊磊，陳軍.輪式移動機(jī)器人研究綜述[J].機(jī)床與液壓，2009，37（8）：242-247.

[2] 王曉蕓，崔培，陳曉.輪式移動機(jī)器人文獻(xiàn)綜述[J].石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2019（2）：66-70.

[3] 付宜利，李寒，徐賀，等.輪式全方位移動機(jī)器人幾種轉(zhuǎn)向方式的研究[J].制造業(yè)自動化，2005（10）：33-37.

收稿日期：2020-03-04

作者簡介：鮑明松（1969—），男，山東海陽人，高級工程師，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用。