[发明专利]履带式全方位移动平台

说明书

技术领域

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特性的履带式移动平台。

背景技术

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。

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。

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。

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°。

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。

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。

“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。