引言
近年来，随着仓储物流、装备制造、医药、化工等行业中日益迫切的“机器换人”需求，具备移动搬运功能的运输机器人不断出现，以满足上述行业中的灵活作业、柔性调度的需求。为了解决空间狭窄有限机动性要求高场合的物料运输问题，设计和开发了Mecanum轮式全方位移动运输平台。该平台能够实现平面内三自由度的运动，并具有举升功能，适用于仓库、车间、办公室、医院等场所的物料、工具、文件、药品等的运输和分发。
1 Mecanum轮式全方位移动机器人
全方位移动机器人是指满足完整约束条件，具有平面内三个自由度的移动机器人。全方位移动机器人可以实现前行、后退、横移、绕任一点的旋转等运动，可以在机器人所处平面上以任意角度和速度运动[]。与普通轮式机器人相比，这类机器人运动更加灵活，环境适应能力更强。常见的全方位移动机器人包括球轮驱动式、全轮转向式、正交轮式、Mecanum轮式等，其中Mecanum轮式机器人是研究较早、技术较成熟、应用较广泛的一种全方位移动机器人l。
Mecanum轮式机器人通常由3个或4个Mecanum轮构成，没有复杂的换向机构，通过车轮间转速与旋向的配合实现全方位运动。Mecanum轮由轮毂和安装在轮毂外缘上的一组鼓形辊子组成。辊子绕车轮轴线旋转的同时，也能绕自身轴线转动。为了保证运动的平滑性，辊子的形状要保证车轮的侧视图为圆形。本课题所开发的全方位移动运输平台采用的是Wecanum轮式移动机构，具有机械结构简洁、运动控制灵活、通过性好等特点。
2 运动学分析
运输平台的移动机构由4个Mecanum轮组成，每个车轮由1个直流电机独立驱动。利用速度合成与分解原理，可以推导出如式（1）所示的逆运动学方程。其中，（φ1,φ2,φ3,φ4)T为4个Mecanum轮的转速，（Vx，Vy，Vω）T为运输平台的速度，辊子与车轮轴线的夹角为a=45°，车轮半径为R，车轮中心到车体中心沿X轴和Y轴方向的距离分别为1和L。
3 机械结构设计
在分析运动原理的基础上，对全方位移动运输平台进行机械结构设计，主要包括移动机构、剪式升降平台和连接部件3个部分。其中，移动机构可以实现运输平台的全方位移动，剪式升降平台负责平台的举升和降落，连接部件用于连接移动机构与升降平台。运输平台长400mm、宽380mm，平均速度0.8m/s，如图1所示。
3.1 移动机构
移动机构由Mecanum轮、车轮电机、联轴器及支架、减震弹簧、车体框架5部分构成，如图2所示。Mecanum轮直径100mm，由9个辊子构成。辊子轮廓包络线为等速螺线。电机采用12V直流电机，额定转速8000r/m，配减速比51，额定转矩1N·m。车轮与电机通过联轴器相连，配合Mecanum轮上的定位孔进行安装固定，这种设计使车体结构更加紧凑。前后支架分别将2个前轮和2个后轮连接在一起，配合减震弹簧，使4个车轮即使在微有不平的地面上也能与地面保持接触，从而保证运动的准确性。此外，减震弹簧能有效缓解冲击和振动，大大提高了运输平台运动的平稳性。
3.2 剪式举升机构
剪式举升机构是一种升降稳定性好、适用范围广的举升机构。它主要用于具有高度差的生产流水线货物的运送、物料上线和下线、工件装配时调节工件高度、给机械手送料等。本课题设计的举升机构主要由丝杠滑台、剪式升降台、连接件、轴承支座以及升降电机等组成，如图3所示。平台尺寸200mm×200mm，最大高度280mm，最小高度80mm，升降行程为200mm，采用双级剪式结构。
升降电机采用57步进电机，带动滚珠丝杠旋转，进而带动固定在滑台上的剪式机构的活动端运动，从而实现工作台的升降。剪式机构的另一端通过SK8直线滑动轴承座夹紧，并固定在工作台上。丝杠滑台运转精度较高，保证了升降的平稳和可靠。
4 结语
本文分析了Mecanum轮式移动机构的运动原理，设计了具有全方位运动能力和举升功能的多功能运输平台。该运输平台能够在地面上沿任意方向平移和绕任意点旋转，能够适应狭小空间的移动。配合剪式举升机构，运输平台能够完成流水线上下料、机械手送料、药品派发、文件输送等工作，在制造业、服务业、物流等行业和领域具有良好的应用前景。
暂无评论内容