專利名稱：：一種麥克納姆輪全向移動車及其工作方法
技術領域：
：本發明屬于車輛工程領域，具體來說，涉及一種設有麥克納姆輪的全方位移動車及其工作方法，該全方位移動車特別適用于在狹小空間內實現車輛的全方位移動。
背景技術：
：麥克納姆輪(MecanumWheel)是一種全方位移動車輪，1973年由瑞士人BengtLion發明，所以也叫Lion輪。麥克納姆輪的特點是在傳統車輪的基礎上，在輪緣上再沿與軸線成45°方向安裝若干可以自由旋轉的小滾子，這樣在車輪滾動時，小滾子就會產生測向運動。通過麥克納姆輪的組合使用和控制，可以使車體產生運動平面內的任意方向移動和轉動。1975年，Lion獲得美國專利，專利號3，746，112，
專利名稱：DirectionallyStableSelfPropelledVehicle(中文翻譯直接穩定自驅動車)。1980年美國海軍買得該專利并進行軍事應用開發，1996年該專利失效后，美國及世界眾多大學、研究機構和公司進行應用開發和再發明，應用領域涉及全方位移動的叉車、搬運車、輪椅、彈藥運輸車、移動機器人等ο采用全方位移動技術后，可以顯著提高搬運效率和靈活性、減小貨物存儲空間20%30%、尤其對于狹小空間移動物體，具有不可取代的作用。目前，成功的應用例子有美國AirTrix公司的Sidewinder全方位移動叉車、COBRA全方位移動升降機、MP2全方位搬運拖車、全方位彈藥轉載機；卡內基梅隆大學的全方位機器人、美國Ominx公司的全方位移動輪椅、噴氣發動機全方位移動托架等產品。包括我國在內的世界眾多大學也開展了麥克納姆輪的應用和控制研究，但是多集中在移動機器人方面的應用研究，形成產品的很少。目前涉及麥克納姆全方位移動機構的專利有I、瑞士Lion的美國專利“直接穩定自驅動車”(U.S.Pat.No.3746112，，^DirectionallyStableSelfPropelledVehicle”)，首先發明了麥可納姆輪。2、美國AirTrix公司的美國專利“低振動全方位輪”(U.S.Pat.No.6340065，和6547340，“LowVibrationOmni-DirectionalWheel”)，美國專利“低振動全方位輪設計方法，，(U.S.Pat.No.6394203，“Methodfordesigninglow-vibrationOmni-DirectionalWheels”)，美國專利“地面搬運設備用全方位自驅動車”(U.S.Pat.No.5701966,“Omni-Directionalself-propelledvehicleforgroundhandlingofequipment，，)在Lion的基礎上，針對載荷作用下，因麥可納姆輪滾子與地面接觸面積變化而導致彈性變形不均勻，引起的車體上下振動，發明了低噪聲全方位輪及其設計方法，并將該技術運用于地面搬運車設計。3、美國專利“全方位武器裝填車”(USPat.No.6668950,^Omni-directionalmunitionshandlingvehicle”)，美國專利“飛機維護裝置和維護方法”(USPat.No.6477730,“Aircraftmaintenanceapparatusandmethodofmaintainingaircraft，，)，正在申請的美國專利“先進武器裝填者”(USPat.App.No.EP20050472003,“Advancedweaponsloader”)，都是將麥可納姆輪運用于各類移動搬運裝備的發明。4、國內全方位車輪相關的專利有哈工大閻國榮；張海兵的“一種全方位輪”(01209535.4)、上海交大冷春濤；曹其新；王美齡；劉偉豪，的“全方位輪”(200610024277.3)和國防科學技術大學海丹；劉玉鵬；鄭志強；柳林；季秀才；劉斐的“全向輪”(200520052595.I)，都是對垂直小滾子全向輪的一種變化，不是麥克納姆輪。申請日2010.12.27.、申請號:201010611789.6、名稱電動全方位移動車的專利技術，公開了一種利用麥克納姆輪作為運動輪的車輛，但在涉及路面不平(有凹凸坑)情況時，如何保證車輛按規定軌跡行駛沒有提供技術手段。本申請人技術人員，在研發全自動麥克納姆輪車時，偶然發現車輛的行駛軌跡經常與設定軌跡之間出現偏差。通過深入的研究發現，原因在于設有麥克納姆輪的移動車輛在移動過程中，由于地面的凹凸不平，導致載荷不均衡，車架容易產生上下震動；最為關鍵的是使車輪不能均勻接觸地面，造成各輪與地面之間的摩擦力不均勻，使得運行軌跡出現偏差。
發明內容本發明針對以上技術問題，提供了一種使四輪均勻著地，進而確保自動運行時軌跡符合設定要求，且能最大限度保持車架水平的麥克納姆輪全向移動車及其工作方法。本發明的技術方案是包括車架、電源、控制器和麥克納姆輪，所述麥克納姆輪通過氣囊懸掛裝置連接于車架底部；所述氣囊懸掛裝置包括阻尼器、氣囊、氣源、氣閥和高度調節裝置；所述阻尼器和氣囊的頂端固定連接于車架底面，所述麥克納姆輪的車軸連接在所述阻尼器和氣囊的底端；所述氣囊通過所述氣閥連接所述氣源。所述高度調節裝置包括縱向懸臂、Z向連桿、Y向連桿、角度可調式連接組件和高度閥；所述麥克納姆輪的車軸是通過所述縱向懸臂連接在所述阻尼器和氣囊的底端，所述縱向懸臂的一端鉸接在所述車架底面上、另一端鉸接在所述阻尼器的底端；所述麥克納姆輪的車軸設在所述縱向懸臂的中段的下部，所述氣囊的底端設在所述阻尼器連接點和所述車軸連接點之間縱向懸臂的上部；所述Z向連桿的底端鉸接在所述車軸連接點和車架連接點之間縱向懸臂的上部；所述Z向連桿的頂端通過所述角度可調式連接組件連接Y向連桿的一端，所述Y向連桿連接所述高度閥，所述高度閥的進氣口連接所述氣源、工作氣口連接所述氣囊、排氣口連通外部空氣。在所述車軸與所述縱向懸臂之間設有壓力傳感器，所述壓力傳感器連接所述控制器。還包括Y向連桿角度傳感器，Y向連桿角度傳感器連接所述控制器。所述角度可調式連接組件包括驅動動力源，所述驅動動力源為伺服電機或電動推桿；使得所述Z向連桿和Y向連桿之間的角度可調。所述高度調節裝置還包括電磁閥；所述電磁閥連接在所述氣源和氣囊之間，所述電磁閥連接所述控制器。所述高度調節裝置還包括氣壓傳感器，所述氣壓傳感器連接所述氣囊，用于接收所述氣囊內的工作氣壓；所述氣壓傳感器連接所述控制器。還包括水平傳感器；所述水平傳感器設在所述車架上，用于接收所述車架的姿態；所述水平傳感器連接控制器。本發明的工作方法，按以下步驟工作進行1)、往控制器中輸入運行軌跡；調整各Y向連桿與水平面夾角為O;2)、往車架上裝載物品，控制器接收水平感應器信息，通過各氣囊使車架調整至水平；為控制車輪與車架間距離在合理范圍內，在調整水平時，保證其中至少一個Y向連桿與水平面夾角為O;3)、控制器記錄各Z向連桿和Y向連桿之間的角度；并通過角度可調式連接組件的驅動動力源鎖定Z向連桿和Y向連桿之間的角度；4)、在運行過程中，其中一只車輪出現升降時，利用高度閥調整該車輪對應氣囊的高度，以恢復車架的水平，同時保證車輪與地面保持接觸。本發明的懸掛機構采用氣浮支撐方式，在麥克納姆輪與車架的接觸處采用可控氣囊，以保證在車體運動中，減少地面凹凸不平引起的車體震動，并保持麥克納姆輪均勻接觸地面，以保證運行軌跡符合設計要求。在一些特定場合，對一些“危險品”需進行點對點的運輸，本案的車輛在錄入點與點之間運行軌跡數據后，利用遙控或手動操作駕駛至裝載點，裝載物品后，由于難以避免出現偏載等因素，需設定、調整初始狀態，以確保車架水平；在行駛過程中，難以避免地面會有凸起、凹坑，遇到這樣的情況，如果不進行處理，會導致車輛運行軌跡出現偏差。此時，車輪的瞬間上升或下降會通過縱向懸臂傳導給Z向連桿，再由Z向連桿傳導給Y向連桿，Y向連桿控制高度閥對氣囊進行放氣或充氣，以調整該車輪與車架之間的高度。但遇有運行過程中，車架上物品發生移動，導致出現新的偏載時，控制器可以指令各驅動動力源接觸鎖定，再指令相關電磁閥調整相關氣囊，使車架恢復水平。本發明對車架的水平、車架與車輪間的距離形成的“閉環”控制，使得本發明的車輪能適應特殊行業的使用需求。圖I是本發明的結構示意圖，圖2是本發明中高度調節裝置的結構原理示意圖一，圖3是本發明中高度調節裝置的結構原理示意圖二，圖4是本發明中氣路控制原理圖，圖5是本發明工作原理框圖中I是車輪一，2是車輪二，3是車輪三，4是車輪四，5是車架，6是電源，7是控制器，8是儲氣罐，9是氣泵，10是阻尼器，11是氣囊，12是車輪驅動電機，13是高度調節裝置，14是聞度閥，15是地面，131是縱向懸臂，132是Z向連桿，133是角度可調式連接組件，134是Y向連桿，135是電動推桿。具體實施例方式本發明如圖1-4所示包括車架5、電源6、控制器7和麥克納姆輪(車輪一I、車輪二2、車輪三3、車輪四4)，所述麥克納姆輪通過氣囊懸掛裝置連接于車架5底部；所述氣囊懸掛裝置包括阻尼器10、氣囊11、氣源(包括氣泵9和儲氣罐8)、氣閥和高度調節裝置；所述阻尼器10和氣囊11的頂端固定連接于車架5底面，所述麥克納姆輪的車軸連接在所述阻尼器10和氣囊11的底端；阻尼器10和氣囊11相當于并聯連接；所述氣囊11通過所述氣閥連接所述氣源。所述高度調節裝置包括縱向懸臂131、Z向連桿132、Y向連桿134、角度可調式連接組件133和高度閥14;所述麥克納姆輪的車軸是通過所述縱向懸臂131連接在所述阻尼器10和氣囊11的底端的，所述縱向懸臂131的一端鉸接在所述車架5底面上(圖2、3中剖面線在橫線之上的，均表示車架底面)、另一端鉸接在所述阻尼器10的底端；所述麥克納姆輪的車軸設在所述縱向懸臂131的中段的下部，所述氣囊11的底端設在所述阻尼器10連接點和所述車軸連接點之間縱向懸臂131的上部；所述Z向連桿132的底端鉸接在所述車軸連接點和車架連接點之間縱向懸臂131的上部；所述Z向連桿132的頂端通過所述角度可調式連接組件131連接Y向連桿134的一端，所述Y向連桿134連接所述高度閥14，所述高度閥14的進氣口連接所述氣源、工作氣口連接所述氣囊11、排氣口連通外部空氣。這里需要說明的是Y向連桿134通過擺動動作控制高度閥14對氣囊11進行充氣、放氣是本領域已有的技術，本文對高度閥14的內部結構以及Y向連桿134對高度閥的控制過程不再贅述。本發明機械式高度閥的優點是，高度差大時，進氣量大；高度差小時，進氣量小，具有實時自動調節充放氣量的能力，適應性強，結構簡單，故障率低。在所述車軸與所述縱向懸臂131之間設有壓力傳感器，所述壓力傳感器連接所述控制器。掌握該位置車輪承受的載荷，對調整起參考作用。還包括Y向連桿角度傳感器，Y向連桿角度傳感器連接所述控制器。該傳感器對初始狀態的設定起重要作用。因為裝載物品后，經常會出現偏載的情況，比如前重后輕、左重右輕等，此時，需要在該種裝載狀態下，使車架5被動調整為水平狀態，調整后，Y向連桿134與水平面的夾角則作為初始數據被記錄。所述角度可調式連接組件包括驅動動力源，所述驅動動力源為伺服電機或電動推桿135;使得所述Z向連桿和Y向連桿之間的角度可調。如圖3中所示，電動推桿135連接在兩連桿之間，當然，此種結構狀態下角度可調式連接組件133則可以僅僅是一個鉸接連接結構。所述高度調節裝置還包括電磁閥；所述電磁閥連接在所述氣源和氣囊11之間，所述電磁閥連接所述控制器。在進行初始狀態調整時對氣囊11進行調整的。當然也可以借用高度閥14實現此功能，但需要對其進行改型，加入電控裝置即可。所述高度調節裝置還包括氣壓傳感器，所述氣壓傳感器連接所述氣囊11，用于接收所述氣囊內的工作氣壓；所述氣壓傳感器連接所述控制器。該特征也出于設定初始狀態的考慮，在調整車架水平后，各氣囊內氣壓可能是不同的，初始氣壓值對后續的工作調整仍有參考作用。該傳感器還可防止氣囊11意外漏氣。還包括水平傳感器；所述水平傳感器設在所述車架5上，用于接收所述車架5的姿態；所述水平傳感器連接控制器。本發明的工作方法，如圖5所示，按以下步驟工作進行1)、往控制器中輸入運行軌跡；調整各Y向連桿與水平面夾角為O;2)、往車架上裝載物品，控制器接收水平感應器信息，通過各氣囊使車架調整至水平；為控制車輪與車架間距離在合理范圍內，在調整水平時，保證其中至少一個Y向連桿與水平面夾角為O3)、控制器記錄各Z向連桿和Y向連桿之間的角度；并通過角度可調式連接組件的驅動動力源鎖定Z向連桿和Y向連桿之間的角度；4)、在運行過程中，其中一只車輪出現升降時，利用高度閥調整該車輪對應氣囊的高度，以恢復車架的水平，同時保證車輪與地面保持接觸。本發明的工作原理是車輪滾動時，小滾子就會產生側向運動，通過麥克納姆輪的組合使用和控制，可以使車架5產生運動平面內的任意方向移動和轉動。當麥克納姆輪行走時，車輪的上升下降帶動Z向連桿上下運動，連桿的上、下運動使高度閥閥門打開或關閉。高度控制閥的閥門的打開或關閉，將對各氣囊進行充氣或者放氣調整，從而達到預定的高度值。氣囊11拉伸或收縮時，車架5將調整到設定的工作高度。阻尼器起到與氣囊拉伸或收縮變化時反向阻尼作用。采用空氣式懸架機構，可使各麥克納姆輪均勻接觸地面，同時也減少因地面不平而引起的車架行駛震動。同時，采用麥克納姆輪可以顯著提高搬運效率和靈活性、減小貨物存儲空間20%30%、尤其對于狹小空間移動物體，具有不可取代的作用。在正常行走時，采用機械高度控制器，根據地面狀況實時調節對氣囊11的充放氣，從而保持車輛恒定的行駛高度。高度閥14會隨著底盤懸掛整體高度降低量的多少，而實時調整打開氣閥的大小。當車架高度低于標準高度值較小量時，高度閥只打開一個小口，只有較小的氣量來補充氣囊，使其恢復到標準高度，不會因充氣量過大，而過充氣囊，使車架的高度高于標準高度的現象；當車架高度有較大的變化時，高度閥會隨著高度差的增大，線性地打開更大的開口，讓較多的氣量來快速補充氣囊，在較短的時間內使其恢復到正常高度，在即將達到標準高度前，按比例減少氣流量降低上升速度，使系統充放氣恰當，避免出現任何過沖現象。同時，此過程不受電子控制部分的影響，不會造成在行走時，因電子系統中任何部件出現問題而造成的高度波動，從而使整個車架產生非正常意愿的傾斜，造成車架上的貨物在行駛中滑落。該結構的全方位移動車中的懸掛機構采用了“可控式空氣彈簧結構”(即氣囊、阻尼器并聯)，其固有頻率范圍低，僅O.5HZ到3.5HZ，再加上空氣作為隔離震動介質，可隔離90%以上的地面震動。由于“可控式空氣彈簧結構”沒有密封件，不會斷裂或磨耗，可延長車架使用年限、降低成本。同時，“可控式空氣彈簧結構”可以長期在惡劣環境下使用，質量穩定、壽命長、維修費用低。該結構的全方位移動車中的機械高度控制回路，在高度差大時，進氣量大；高度差小時，進氣量小，可實時自動調節充放氣量，調節車體平衡。該控制系統適應性強、結構簡單、故障率低。懸架高度固定機構，具有快速達到固定高度并自動鎖定，快速解鎖并恢復行駛高度的能力，穩定性高，故障率低，控制方便。底盤懸掛系統，采用機械電子復合控制的空氣懸架控制模式，即能保證在正常行走時，不受電子信號或其它電信號的干擾，造成過度充氣或放氣的現象；又能在需要特定固定高度時，由電磁閥直接控制主管路，調整整車底盤的高度，達到快速充放氣的目的。電子控制的空氣懸架固定高度控制系統，包括電控單元、電磁閥、傳感器、氣囊等部件組成，它可通過專用CAN接口，與整車信息進行通訊共享，接收和發送所有需要處理的各種信號。高度傳感器負責檢測車輛高度的變化，電控單元將接受輸入信息，判斷當前車輛狀態及操作人員發出的指令，控制電磁閥工作，進而實現對各個氣囊主管路的充放氣的調節。權利要求1.一種麥克納姆輪全向移動車，包括車架、電源、控制器和麥克納姆輪，其特征在于，所述麥克納姆輪通過氣囊懸掛裝置連接于車架底部；所述氣囊懸掛裝置包括阻尼器、氣囊、氣源、氣閥和高度調節裝置；所述阻尼器和氣囊的頂端固定連接于車架底面，所述麥克納姆輪的車軸連接在所述阻尼器和氣囊的底端；所述氣囊通過所述氣閥連接所述氣源。2.根據權利要求I所述的一種麥克納姆輪全向移動車，其特征在于，所述高度調節裝置包括縱向懸臂、Z向連桿、Y向連桿、角度可調式連接組件和高度閥；所述麥克納姆輪的車軸是通過所述縱向懸臂連接在所述阻尼器和氣囊的底端，所述縱向懸臂的一端鉸接在所述車架底面上、另一端鉸接在所述阻尼器的底端；所述麥克納姆輪的車軸設在所述縱向懸臂的中段的下部，所述氣囊的底端設在所述阻尼器連接點和所述車軸連接點之間縱向懸臂的上部；所述Z向連桿的底端鉸接在所述車軸連接點和車架連接點之間縱向懸臂的上部；所述Z向連桿的頂端通過所述角度可調式連接組件連接Y向連桿的一端，所述Y向連桿連接所述高度閥，所述高度閥的進氣口連接所述氣源、工作氣口連接所述氣囊、排氣口連通外部空氣。3.根據權利要求2所述的一種麥克納姆輪全向移動車，其特征在于，在所述車軸與所述縱向懸臂之間設有壓力傳感器，所述壓力傳感器連接所述控制器。4.根據權利要求2所述的一種麥克納姆輪全向移動車，其特征在于，還包括Y向連桿角度傳感器，Y向連桿角度傳感器連接所述控制器。5.根據權利要求2所述的一種麥克納姆輪全向移動車，其特征在于，所述角度可調式連接組件包括驅動動力源，所述驅動動力源為伺服電機或電動推桿；使得所述Z向連桿和Y向連桿之間的角度可調。6.根據權利要求2所述的一種麥克納姆輪全向移動車，其特征在于，所述高度調節裝置還包括電磁閥；所述電磁閥連接在所述氣源和氣囊之間，所述電磁閥連接所述控制器。7.根據權利要求2所述的一種麥克納姆輪全向移動車，其特征在于，所述高度調節裝置還包括氣壓傳感器，所述氣壓傳感器連接所述氣囊，用于接收所述氣囊內的工作氣壓；所述氣壓傳感器連接所述控制器。8.根據權利要求1-7中任一所述的一種麥克納姆輪全向移動車,其特征在于,還包括水平傳感器；所述水平傳感器設在所述車架上，用于接收所述車架的姿態；所述水平傳感器連接控制器。9.一種權利要求I所述麥克納姆輪全向移動車的工作方法，其特征在于，按以下步驟工作進行1)、往控制器中輸入運行軌跡；調整各Y向連桿與水平面夾角為O;2)、往車架上裝載物品，控制器接收水平感應器信息，通過各氣囊使車架調整至水平；為控制車輪與車架間距離在合理范圍內，在調整水平時，保證其中至少一個Y向連桿與水平面夾角為O;3)、控制器記錄各Z向連桿和Y向連桿之間的角度；并通過角度可調式連接組件的驅動動力源鎖定Z向連桿和Y向連桿之間的角度；4)、在運行過程中，其中一只車輪出現升降時，利用高度閥調整該車輪對應氣囊的高度，以恢復車架的水平，同時保證車輪與地面保持接觸。全文摘要一種麥克納姆輪全向移動車及其工作方法。涉及一種設有麥克納姆輪的全方位移動車及其工作方法，特別適用于在狹小空間內實現車輛的全方位移動。提供了一種使四輪均勻著地，且能最大限度保持車架水平的麥克納姆輪全向移動車及其工作方法。包括車架、電源、控制器和麥克納姆輪，所述麥克納姆輪通過氣囊懸掛裝置連接于車架底部；所述氣囊懸掛裝置包括阻尼器、氣囊、氣源、氣閥和高度調節裝置；所述阻尼器和氣囊的頂端固定連接于車架底面，所述麥克納姆輪的車軸連接在所述阻尼器和氣囊的底端；所述氣囊通過所述氣閥連接所述氣源。本發明對車架的水平、車架與車輪間的距離形成的“閉環”控制，使得本發明的車輪能適應特殊行業的使用需求。文檔編號B60G17/015GK102616103SQ201210120438公開日2012年8月1日申請日期2012年4月23日優先權日2012年4月23日發明者周平,姚萬軍,王慶松,錢甦陽申請人:揚州萬方電子技術有限責任公司