淺析全向多能移動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

姚江舟

摘要：該項(xiàng)目由四根伸縮桿、伸縮桿升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和上部固定框架組成，每根伸縮桿下端可固定不同的輪子，伸縮桿自身可做伸縮運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還可以通過伸縮桿升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來升降，從而達(dá)到隨意升降，平臺(tái)也不會(huì)隨著地面的凹凸不平而導(dǎo)致歪斜，使用范圍比較廣;本文的全向多能移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)緊湊穩(wěn)定，模塊化設(shè)計(jì)，安裝拆卸方便簡(jiǎn)單，同時(shí)可方便根據(jù)需求進(jìn)行二次開發(fā)，加導(dǎo)航、人臉識(shí)別、人機(jī)交互等多種功能，可與各類智能機(jī)器人的配套使用或者作為其他設(shè)備的移動(dòng)平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)平臺(tái);模塊化;多功能;二次開發(fā)

1 引言

目前市面上很多設(shè)備或者產(chǎn)品因沒有合適的移動(dòng)底盤，導(dǎo)致使用場(chǎng)景大大減少，即使有類似AGV這樣的移動(dòng)平臺(tái)，也因?yàn)榇蟛糠諥GV對(duì)工作地面的要求較高，只能在平整的室內(nèi)環(huán)境下使用;生產(chǎn)成本和維護(hù)成本高，兼容性也較差，目前還沒有一款“全功能”移動(dòng)平臺(tái);重量較重，便攜性較差、運(yùn)輸不方便;針對(duì)以上痛點(diǎn)，我設(shè)計(jì)了一種全向多能移動(dòng)平臺(tái)，這是一款新型結(jié)構(gòu)的移動(dòng)平臺(tái)，集機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣控制、機(jī)械制造等多門學(xué)科為一體，可以作為其他產(chǎn)品的移動(dòng)平臺(tái)來使用，實(shí)現(xiàn)多種場(chǎng)景、多種工作模式，該結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，可以配合傳感器、電腦等進(jìn)行控制，來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的操控;另外全向多能移動(dòng)平臺(tái)也可以做一些高危、高難度的運(yùn)輸工作，該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，腿部剪刀叉機(jī)構(gòu)自鎖力比較大，負(fù)載的重量較重，本文主要說明結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和一些主要的使用場(chǎng)景。

2 全向多能移動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電控控制

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

全向多能移動(dòng)平臺(tái)包括上端框架和4個(gè)伸縮桿的主體結(jié)構(gòu)，其中前后共四個(gè)伸縮桿，前面兩個(gè)伸縮桿根部裝有全向輪，方便轉(zhuǎn)彎，后面兩個(gè)伸縮桿裝有兩個(gè)動(dòng)力的輪轂電機(jī)，以驅(qū)動(dòng)整個(gè)移動(dòng)平臺(tái)行駛，同時(shí)也可換方向行駛，動(dòng)力輪在前全向輪在后，越障能力加強(qiáng)。

上端框架包含有四周的固定鈑金和內(nèi)部的升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組件，框架左右兩側(cè)的固定板鈑金分別設(shè)有沿前后方向延伸的滑槽;升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動(dòng)伸縮桿的頂端沿滑槽前后方向移動(dòng)、達(dá)到全向移動(dòng)平臺(tái)整體升降;升降驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)組件包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)裝置聯(lián)軸器和升降絲桿，升降絲桿上的螺母與伸縮桿尾端的轉(zhuǎn)軸連接，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)絲桿上的螺母沿著滑槽前后移動(dòng)時(shí)，也帶動(dòng)伸縮桿的尾端端在所述滑槽內(nèi)移動(dòng)，從而帶動(dòng)整個(gè)全向移動(dòng)平臺(tái)的升高或降低。

伸縮桿包括有旋轉(zhuǎn)支撐桿、伸縮桿自身伸縮驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組件、前后伸縮內(nèi)外管和底部的驅(qū)動(dòng)輪組;伸縮驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動(dòng)伸縮桿伸長(zhǎng)或縮短，以使伸縮桿升高或降低，伸縮桿自身伸縮驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組件里有驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)裝置同步帶輪、同步帶和滾珠絲桿，滾珠絲桿上的螺母與伸縮桿內(nèi)管連接，以驅(qū)動(dòng)伸縮內(nèi)管伸長(zhǎng)或縮短，伸縮內(nèi)管內(nèi)置在伸縮外管的里面，伸縮內(nèi)管的前端固定有驅(qū)動(dòng)輪組，后驅(qū)動(dòng)輪組有輪轂電機(jī)、固定板以及減震彈簧，固定板上裝有減震彈簧，輪轂電機(jī)又固定在固定板上。

前面提到的后伸縮桿裝有輪轂電機(jī)，但是前伸縮桿底部裝有全向輪輪組，在狹小的空間內(nèi)可以自由的做轉(zhuǎn)彎動(dòng)作，更為靈活;或者也可以根據(jù)實(shí)際情況來轉(zhuǎn)換行駛方向，前面行駛的為有動(dòng)力的輪轂電機(jī)，后面為全向輪，這樣在越障礙時(shí)的能力有大幅度提高。

2.2 針對(duì)市場(chǎng)相似產(chǎn)品的改進(jìn)和后期的擴(kuò)展

本全向多能移動(dòng)平臺(tái)不僅可以在平面內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，還具有爬臺(tái)階等越障能力，該多功能移動(dòng)平臺(tái)的升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組件可以驅(qū)動(dòng)伸縮桿伸長(zhǎng)或縮短，當(dāng)伸縮桿縮短時(shí)，伸縮桿帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪組件抬高，能夠?qū)崿F(xiàn)類似‘抬腿的動(dòng)作;另外一組升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組件可以驅(qū)動(dòng)伸縮桿相對(duì)旋轉(zhuǎn)支撐桿交叉轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)伸縮桿與旋轉(zhuǎn)支撐桿的夾角α變大時(shí)，也可以做類似‘抬腿的動(dòng)作;因此本全向多能移動(dòng)平臺(tái)可以爬升臺(tái)階、穿越不平整路面，越障能力顯著提高，使用場(chǎng)景更為廣泛。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，設(shè)計(jì)的主要機(jī)構(gòu)和控制部分包括：

（1）模塊化，目前市面上其他類型的移動(dòng)平臺(tái)車比較笨重，一般的家庭用小轎車進(jìn)行運(yùn)輸比較困難，在整體結(jié)構(gòu)的布局中，本人采用了五個(gè)大模塊，13個(gè)小模塊化拼裝的結(jié)構(gòu);每根伸縮桿均可獨(dú)立拆卸，伸縮桿前端的輪子也可快速拆卸，快速更換想要的各種形式的輪子;外出運(yùn)輸可以把各個(gè)模塊拆分裝到私家車上運(yùn)輸，然后再把模塊裝配成一個(gè)整體，以供其他設(shè)備做移動(dòng)平臺(tái)使用，在全向多能移動(dòng)平臺(tái)外出攜帶時(shí)，只要簡(jiǎn)單的拆分為五個(gè)大部分，或者再運(yùn)載工具空間有限的情況下，還可以進(jìn)一步細(xì)化拆分為13個(gè)小模塊;在拆卸為五個(gè)模塊后，每個(gè)部分的重量都很輕，成年人都能輕松的拿起來，可以輕松的放在汽車后備箱里，讓用戶的體驗(yàn)更好，同時(shí)也給公司的快速部署、批量生產(chǎn)全向多能移動(dòng)平臺(tái)帶來了便利，優(yōu)化產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的成本、研發(fā)、生產(chǎn)、物流、銷售和服務(wù)等環(huán)節(jié)控制產(chǎn)品總成本，取得產(chǎn)品價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

（2）擴(kuò)展性好，在移動(dòng)平臺(tái)初期設(shè)計(jì)階段就已經(jīng)考慮到后期改造或者擴(kuò)展的問題，本人在框架的上方設(shè)計(jì)預(yù)留一整塊固定板，全向多能移動(dòng)平臺(tái)框架上端的鈑金采用多孔且多規(guī)格固定，讓不同的設(shè)備能與其便捷連接;同時(shí)后期可以加裝有快速插拔接頭、快速夾等，方便與其他設(shè)備固定連接，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的使用便利性，以方便固定需要使用的設(shè)備，同時(shí)車體的框架外圍也做了預(yù)留加工安裝孔，方便后期加配使用的各種傳感器，給改造帶來了便利，能在最短的時(shí)間內(nèi)改造出想要的設(shè)備，后期可以加導(dǎo)航、激光雷達(dá)等傳感器，使移動(dòng)平臺(tái)做到真正的全向自動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)，在功能上實(shí)現(xiàn)多個(gè)級(jí)別的跨越，使用的范圍和用途更廣。

（3）負(fù)載率好，可做的動(dòng)作多，移動(dòng)平臺(tái)的腿部為4根伸縮桿交叉分布的結(jié)構(gòu)，這樣設(shè)計(jì)能使各個(gè)單獨(dú)的伸縮桿截面積更小、自重更輕，同時(shí)4根交叉結(jié)構(gòu)的承重負(fù)載更重，不僅可以負(fù)載自身幾倍重量，還可以通過伸縮桿自身的伸縮來實(shí)現(xiàn)整個(gè)移動(dòng)平臺(tái)的各種動(dòng)作和高度的變化，當(dāng)伸縮桿縮短時(shí)，伸縮桿帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪組件抬高，能夠?qū)崿F(xiàn)類似‘抬腿的動(dòng)作;另外一組升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組件可以驅(qū)動(dòng)伸縮桿相對(duì)旋轉(zhuǎn)支撐桿交叉轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)伸縮桿與旋轉(zhuǎn)支撐桿的夾角α變大時(shí)，伸縮桿帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪組件抬高，能夠?qū)崿F(xiàn)類似‘抬腿的動(dòng)作，可操作的動(dòng)作更柔性。

（4）可隨意更換行駛方向，根據(jù)行駛的實(shí)際需要來轉(zhuǎn)換方向，當(dāng)需要快速移動(dòng)時(shí)，可以把有動(dòng)力的輪轂電機(jī)放在前面，全向輪放在后面，在越障的時(shí)候通過性更好;當(dāng)需要在非常狹小的空間內(nèi)做轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作時(shí)，可以全向輪在前，動(dòng)力輪轂電機(jī)在后，這樣設(shè)計(jì)具有滑跑穩(wěn)定性，重心在前后輪之間，當(dāng)車受到橫向擾動(dòng)，比如向左偏離后，前輪是萬(wàn)向輪，是滾動(dòng)摩擦力，可以忽略，后輪是滑動(dòng)摩擦力，合力與前進(jìn)方向相反，對(duì)重心取矩，有一個(gè)向右偏轉(zhuǎn)的恢復(fù)力矩，所以具有滑跑穩(wěn)定性，同時(shí)由于全向輪在前，使轉(zhuǎn)彎半徑大為減少，在類似電梯、窄巷的使用環(huán)境里也能輕松自如地做轉(zhuǎn)彎操作;同時(shí)動(dòng)力輪和全向輪的尺寸選用8寸甚至更大的尺寸，增強(qiáng)全向多能移動(dòng)平臺(tái)的越障能力，動(dòng)力輪轂電機(jī)放在后面這樣行駛，在突然剎車時(shí)的安全性能也能達(dá)到最優(yōu)，不會(huì)因?yàn)榧眲x而翻車;移動(dòng)平臺(tái)車行駛動(dòng)作和方向較好變化。

（5）減重設(shè)計(jì)，大量使用碳纖維和7075鋁合金的材質(zhì)，在大大減輕重量的情況下，還能保持高強(qiáng)度的剛性，同時(shí)在還設(shè)計(jì)有減重孔、3D打印等輕型材料代替金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，既能滿足強(qiáng)度又能照顧到移動(dòng)平臺(tái)的整體重量，總重量比市面上現(xiàn)有的移動(dòng)平臺(tái)車要減輕近一倍，大大提高了移動(dòng)平臺(tái)車的輕便性。

3 總結(jié)

綜上所述，全向多能移動(dòng)平臺(tái)是一個(gè)新型的運(yùn)輸設(shè)備，也可以根據(jù)使用者的需求，來定制所需的產(chǎn)品，該全向多能移動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)讓物料和產(chǎn)品的搬送、裝配牽引、人員的移動(dòng)方便快捷，同時(shí)達(dá)到多功能性、一物多用，有效減少了成本，增加了產(chǎn)品的利用率。

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、物流效率以及勞動(dòng)成本的迫切需要，還需要更豐富不同大小的型號(hào)設(shè)計(jì)，因此本人還需要對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步的細(xì)化工作，使全向移動(dòng)平臺(tái)的大小型號(hào)更加合理，讓消費(fèi)者有更多的型號(hào)供選擇，同時(shí)還可以將其他巧妙的機(jī)械結(jié)構(gòu)放到全向移動(dòng)平臺(tái)上，以便增加移動(dòng)平臺(tái)車更多的輔助功能，讓使用者使用起來更方便簡(jiǎn)單，并且在安全為第一位的前提下減少生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，希望能在未來的移動(dòng)平臺(tái)車領(lǐng)域做出自己的一點(diǎn)貢獻(xiàn)。

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（作者單位：上海尊頤智能科技有限公司）