全方位移動(dòng)平臺(tái)發(fā)展現(xiàn)狀綜述

閆猛飛

摘要：全方位移動(dòng)平臺(tái)機(jī)動(dòng)靈活的特性適合工作在空間狹小、對(duì)場(chǎng)地利用率要求高的場(chǎng)合。本文圍繞全方位移動(dòng)平臺(tái)，從行動(dòng)機(jī)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、存在問(wèn)題、應(yīng)用現(xiàn)狀等幾個(gè)方面進(jìn)行了研究討論，最后展望了其發(fā)展趨勢(shì)。

Abstract： The mobility and flexibility of the omni-directional mobile platform is suitable for working in situations where the space is narrow and the site utilization rate is high. In this paper， the omni-directional mobile platform is discussed from the aspects of action mechanism， key technology， existing problems， application status， etc. Finally， the development trend is prospected.

關(guān)鍵詞：全方位移動(dòng)平臺(tái);麥克納姆輪;全方位履帶

Key words： omni-directional mobile platform;mcnamara wheel;omni-directional crawler

中圖分類(lèi)號(hào)：TH113.22 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）24-0252-06

0 ?引言

全方位移動(dòng)平臺(tái)（Omni-directional mobile platform），能夠任意方向進(jìn)行移動(dòng)的平臺(tái)，在二維平面內(nèi)具有3個(gè)自由度，無(wú)需任何轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，便能夠在二維平面內(nèi)進(jìn)行前后（縱向）、左右（橫向）、斜行、零半徑轉(zhuǎn)向等運(yùn)動(dòng)形式[1]。全方位移動(dòng)平臺(tái)的出現(xiàn)，解決了傳統(tǒng)車(chē)輛轉(zhuǎn)彎半徑大、空間利用率低、工作效率不高的弊端[2]，給需要高性能機(jī)動(dòng)能力、在狹窄空間作業(yè)的任務(wù)帶來(lái)了希望。利用全方位移動(dòng)平臺(tái)獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)特性，搭載不同的功能模塊，比如機(jī)械臂、升降機(jī)構(gòu)等，可將全方位運(yùn)動(dòng)性能廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中的各個(gè)領(lǐng)域，提高效率，節(jié)省空間，降低成本。

1 ?行動(dòng)機(jī)構(gòu)研究

全方位移動(dòng)平臺(tái)獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)方式，關(guān)鍵的一點(diǎn)在于全向行動(dòng)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用。典型的全向行動(dòng)機(jī)構(gòu)有：麥克納姆輪、連續(xù)切換輪、正交輪、球輪、偏心輪、全方位履帶等。行動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)平臺(tái)的布局形式有決定作用，不同的行動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)特定的布局才能使平臺(tái)實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng)，比如正三角形、十字交叉形、矩形等等。

1919年，美國(guó)J. Grabowiecki申請(qǐng)了第一個(gè)全向輪的專(zhuān)利（圖1），這一點(diǎn)并不廣為人知[3]。該總成由一個(gè)主輪和橫向滾輪組成，就像大多數(shù)機(jī)器人世界杯球隊(duì)使用的那種。早在1907年，發(fā)明家們就在考慮設(shè)計(jì)一種不需要方向盤(pán)就能向前或橫向移動(dòng)的車(chē)輛。

麥克納姆輪[4]是1973年瑞典工程師Ilon設(shè)計(jì)發(fā)明的（圖2），通過(guò)在輪轂外圍均勻排列一圈特殊形狀的輥輪，所有輥輪的外包絡(luò)線(xiàn)形成一個(gè)圓形，輥輪軸線(xiàn)與輪轂軸線(xiàn)成一定角度，通常為45度，從而達(dá)到將輪子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的徑向力轉(zhuǎn)換至輥輪的軸向力，利用多個(gè)（通常為4個(gè)）輪子的組合驅(qū)動(dòng)達(dá)到平臺(tái)全向移動(dòng)的效果。第一臺(tái)利用麥克納姆輪設(shè)計(jì)的全方位移動(dòng)平臺(tái)是1985年卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研發(fā)的Uranus機(jī)器人[5]。嚴(yán)格意義上說(shuō)，基于麥克納姆輪的全向移動(dòng)平臺(tái)真正開(kāi)始實(shí)現(xiàn)了全方位移動(dòng)的目的，在需要高頻次變換位姿的場(chǎng)景，無(wú)需任何轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，只需要通過(guò)4個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向的配合便能夠到達(dá)任意位置。

1974年，Blumrich發(fā)明了連續(xù)切換輪[6]，并投入生產(chǎn)（圖3）。連續(xù)切換輪延續(xù)了麥克納姆輪在輪轂外圈加裝自由滾子的思路，不同的是連續(xù)切換輪輪轂軸心與滾子軸心相互垂直，當(dāng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)受力方向與輪子前進(jìn)方向一致，驅(qū)動(dòng)效率較麥克納姆輪有所改善。連續(xù)切換輪的缺點(diǎn)在于其輪廓曲線(xiàn)是多邊形，導(dǎo)致輪子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與地面為點(diǎn)接觸，會(huì)產(chǎn)生抖振現(xiàn)象，尤其是轉(zhuǎn)動(dòng)速度較快時(shí)，振動(dòng)尤為強(qiáng)烈[7]。

1980 年，Bradbury 發(fā)明了正交輪（圖4）并取得其專(zhuān)利。正交輪結(jié)構(gòu)主要由兩個(gè)相同大小并切去球冠的，且軸心相互垂直的球型輪子構(gòu)成。運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，兩個(gè)球行輪交替與地面接觸，因此受地面摩擦力變化較大，導(dǎo)致正交輪的速度以及平臺(tái)整體的運(yùn)動(dòng)精度都受到不同程度的影響，因此正交輪的應(yīng)用范圍受到很大局限性。

球輪[8]主要由滾動(dòng)球體、驅(qū)動(dòng)滾子、支撐滾子構(gòu)成（圖5）。來(lái)自伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)滾子，進(jìn)而通過(guò)摩擦力帶動(dòng)滾動(dòng)球體轉(zhuǎn)動(dòng)，以此使球輪運(yùn)動(dòng)。通常利用4個(gè)球輪可以實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng)。但球輪運(yùn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)球輪前進(jìn)的力是來(lái)自地面的摩擦力，受載荷及路面條件的不確定性影響很大，所以球輪的應(yīng)用場(chǎng)景很受限制。

偏心輪（圖6）即所謂的萬(wàn)向輪，也稱(chēng)腳輪，按照驅(qū)動(dòng)方式分為主動(dòng)腳輪，被動(dòng)腳輪。我們常見(jiàn)的旅行箱、醫(yī)療急救床等用的都是被動(dòng)腳輪。Woojin Chung 等設(shè)計(jì)了一款雙偏置主動(dòng)腳輪（有圖），每個(gè)輪子用兩個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)控制，分別控制轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)。主動(dòng)腳輪的優(yōu)點(diǎn)在于行駛平穩(wěn)，路況適應(yīng)性好，不會(huì)像麥克納姆輪一樣產(chǎn)生振動(dòng);缺點(diǎn)是需要協(xié)調(diào)控制轉(zhuǎn)向電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，導(dǎo)致控制難度增大;在做非連續(xù)曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要停下來(lái)調(diào)整輪子偏轉(zhuǎn)角度，在需要高頻次變換平臺(tái)位姿的任務(wù)場(chǎng)景中顯然效率低下;在正常行駛時(shí)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)會(huì)成為額外負(fù)載，降低能量利用效率[9]。

自從發(fā)現(xiàn)全向運(yùn)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)之后，研究人員從未停止對(duì)全向輪系的研究以及改進(jìn)。Olaf Diegel等為避免由兩端支撐滾子的麥克納姆輪在傾斜或不平整路面上輪轂外緣與地面接觸進(jìn)而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)不良的情況，將其改為中間支撐滾子結(jié)構(gòu);為了改善輪子的受力情況進(jìn)而提高平臺(tái)整體的效率，設(shè)計(jì)了可鎖定的滾子以及可旋轉(zhuǎn)的滾子兩種輪子結(jié)構(gòu)[10]。Remirez-Serrano等為了提高平臺(tái)越障性能，提出了一種改進(jìn)的橢圓形雙輪麥克納姆輪結(jié)構(gòu)（圖7），實(shí)驗(yàn)證明平臺(tái)橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)能克服高達(dá)車(chē)輪75%的障礙[11]。

Gfrerrer[12]和賈官帥[13]對(duì)麥克納姆輪滾子母線(xiàn)進(jìn)行研究，分別利用畫(huà)法幾何和解析幾何得出了相同的母線(xiàn)參數(shù)表達(dá)方程。楊銘對(duì)比分析了橢圓弧、圓弧、等速螺旋線(xiàn)的理論母線(xiàn)近似效果[14]，最終得出圓弧是近似效果最佳的平面曲線(xiàn)的結(jié)論。張學(xué)玲在受力分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)仿真計(jì)算研究麥克納姆輪滾子受載變形后導(dǎo)致的運(yùn)行不平穩(wěn)的問(wèn)題，提出對(duì)滾子的外輪廓進(jìn)行合理的補(bǔ)償設(shè)計(jì)[15]。

文獻(xiàn)[16][17]提到了一種改進(jìn)的連續(xù)切換輪（圖8），利用兩種大小不同的輥?zhàn)咏惶媾挪?，這兩種滾子都可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，所有滾子外圈的投影是一個(gè)封閉的圓。由于這種改進(jìn)的連續(xù)切換輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)同地面是連續(xù)接觸的，因此避免了抖振現(xiàn)象的發(fā)生。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所閆國(guó)榮等設(shè)計(jì)了一種新型全方位輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)[18]，其結(jié)構(gòu)類(lèi)似于雙排連續(xù)切換輪，通過(guò)兩層輪轂外緣的滾子交錯(cuò)排布，達(dá)到輪子與地面連續(xù)接觸的目的，從而減輕了輪子的抖振;并且輪子主動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)與滾輪從動(dòng)運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，減小了運(yùn)動(dòng)時(shí)的功率損失。

在全方位輪系發(fā)展的基礎(chǔ)上，有學(xué)者結(jié)合傳統(tǒng)履帶機(jī)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，使之應(yīng)用于全向平臺(tái)的行動(dòng)裝置。

1992年，日本西川等人設(shè)計(jì)了一種球輪履帶，利用兩條履帶的差速驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)球輪的從動(dòng)運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的全方位運(yùn)動(dòng)。

1993年，日本Shigeo Hirose等人借鑒transwheel輪的設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)出VUTON履帶[19]，履帶結(jié)構(gòu)由一對(duì)鏈條和若干滾輪構(gòu)成，滾輪軸線(xiàn)與驅(qū)動(dòng)輪軸線(xiàn)夾角為90度，其特點(diǎn)是與地面接觸面積大，可以承受高強(qiáng)度負(fù)載，但對(duì)路面適應(yīng)性較差，難以通過(guò)臺(tái)階等障礙（圖9）。

2001年，美國(guó)Nitin Chhabra 等人設(shè)計(jì)出一款混合履帶[20]，履帶上的滾輪互相對(duì)稱(chēng)，成人字形布置，通過(guò)控制每條履帶的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，對(duì)力矩進(jìn)行矢量合成，達(dá)到各個(gè)方向移動(dòng)的目的（圖10）?；旌下膸У暮锰幨?，與同等尺寸和規(guī)格的輪式車(chē)輛相比增大了接地面積，減小了對(duì)地面的壓強(qiáng)，越障和通過(guò)性能更好。

2002年，Peng Chen等人利用與VUTON履帶相同的原理設(shè)計(jì)出全方位自由輪履帶[21]，實(shí)現(xiàn)了全方位運(yùn)動(dòng)的同時(shí)提高了平臺(tái)的越障能力。

國(guó)內(nèi)，2012年，湖南農(nóng)大李旭等人申請(qǐng)了一項(xiàng)全方位履帶專(zhuān)利[22]，在履帶兩側(cè)安裝有用橡膠做的可自由轉(zhuǎn)動(dòng)的行走輪，行走輪的中心軸線(xiàn)與履帶中心軸線(xiàn)夾角為0～90度。雖然該履帶具備了全方位運(yùn)動(dòng)的基本條件，但李旭等人在專(zhuān)利中所描述的平臺(tái)并不具備嚴(yán)格意義上的全方位移動(dòng)的性能，平臺(tái)橫向移動(dòng)時(shí)必然伴隨著轉(zhuǎn)動(dòng)（圖11）。

裝甲兵工程學(xué)院張?jiān)ツ系热税l(fā)明了一款全方位移動(dòng)履帶[23]，并申請(qǐng)了專(zhuān)利。該履帶與傳統(tǒng)履帶形式非常相似，具有主動(dòng)輪、負(fù)重輪、誘導(dǎo)輪、拖帶輪等機(jī)構(gòu)，不同的是履帶板表面加裝有帶偏置角的滾輪，滾輪偏置角通常為正負(fù)45度。其優(yōu)點(diǎn)在于將傳統(tǒng)履帶機(jī)構(gòu)行走優(yōu)勢(shì)與全方位運(yùn)動(dòng)優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，提高了全方位運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、運(yùn)動(dòng)精度以及路面適應(yīng)能力（圖12）。

2 ?關(guān)鍵技術(shù)

全方位移動(dòng)平臺(tái)是一個(gè)可擴(kuò)展的應(yīng)用平臺(tái)，涉及多種領(lǐng)域研究，包括運(yùn)動(dòng)控制、導(dǎo)航定位、傳感器信息融合等。

2.1 運(yùn)動(dòng)控制

全方位移動(dòng)平臺(tái)能夠進(jìn)行橫移、斜行、中心轉(zhuǎn)向及以上運(yùn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)等特殊運(yùn)動(dòng)方式，需要協(xié)調(diào)控制各個(gè)行走機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速。傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)及液壓傳動(dòng)等方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)如此復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)方式。所以目前大多數(shù)全向平臺(tái)采用分布式電控的方式，即一個(gè)行走機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)一個(gè)（無(wú)需調(diào)整輪子偏向角）或兩個(gè)（需要調(diào)整輪子偏向角）驅(qū)動(dòng)電機(jī)。其控制算法往往根據(jù)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行確定。對(duì)于典型的三輪組結(jié)構(gòu)和四輪組結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)模型是不相同的，因此其相應(yīng)的控制算法也不盡相同。在一些對(duì)運(yùn)動(dòng)控制精度有要求的場(chǎng)合，往往還需結(jié)合PID控制、模糊控制、自適應(yīng)控制、滑模控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等其中一種或幾種經(jīng)典的控制算法。

2.2 導(dǎo)航系統(tǒng)

導(dǎo)航系統(tǒng)使全方位移動(dòng)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)自主移動(dòng)，是其向智能化發(fā)展的第一步。導(dǎo)航系統(tǒng)需要完成三項(xiàng)工作：①定位，確定自己在哪兒;②確定自己要去哪兒;③路徑規(guī)劃，即如何去或怎么去。目前常用的導(dǎo)航定位技術(shù)有視覺(jué)導(dǎo)航定位、超聲波導(dǎo)航定位、GPS定位、光反射導(dǎo)航定位等，當(dāng)前主流的機(jī)器人定位技術(shù)是SLAM（即時(shí)定位與地圖構(gòu)建）技術(shù)。精確的導(dǎo)航定位系統(tǒng)能夠使全方位移動(dòng)平臺(tái)更精準(zhǔn)可靠地實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)。

2.3 傳感器信息融合

傳感器之于全向移動(dòng)平臺(tái)就像眼、耳、鼻、喉之于人。全方位移動(dòng)平臺(tái)要自主實(shí)現(xiàn)精確導(dǎo)航、定位、控制或者其他更多的決策處理行動(dòng)，依賴(lài)于內(nèi)部及外部多種傳感器獲取的數(shù)據(jù)信息。對(duì)多種傳感器信息的融合處理能夠降低環(huán)境、噪聲等干擾造成的不確定性，提高系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。

3 ?發(fā)展現(xiàn)狀

目前，科研工作者已經(jīng)研發(fā)出了各式各樣的全方位移動(dòng)平臺(tái)，其應(yīng)用涉及醫(yī)療康復(fù)、休閑娛樂(lè)、科研教育、工業(yè)生產(chǎn)、軌道交通、倉(cāng)儲(chǔ)物流、電力、航空航天、國(guó)防軍工等多個(gè)領(lǐng)域。

雖然可以實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng)的行動(dòng)機(jī)構(gòu)多種多樣，但是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛、商業(yè)化最成功的是基于麥克納姆輪的全方位移動(dòng)平臺(tái)。正如很多科學(xué)技術(shù)一經(jīng)發(fā)現(xiàn)便被用于軍事用途一樣，上世紀(jì)80年代，美國(guó)海軍便購(gòu)買(mǎi)了麥克納姆輪的專(zhuān)利，開(kāi)展軍事領(lǐng)域應(yīng)用研究。直至1996年，美國(guó)AIRTRAX公司開(kāi)始將全方位運(yùn)動(dòng)技術(shù)在民用領(lǐng)域推廣應(yīng)用。最初，AIRTRAX公司將全方位運(yùn)動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于叉車(chē)領(lǐng)域，由于其獨(dú)特的移動(dòng)方式迅速給這一行業(yè)帶來(lái)了新的活力。COBRA TM 是Airtrax公司研制的全向移動(dòng)剪刀式升降機(jī)，是該公司將全向移動(dòng)平臺(tái)和升降機(jī)有機(jī)結(jié)合的另一個(gè)創(chuàng)新產(chǎn)品，給高空作業(yè)帶來(lái)了極大的方便。受當(dāng)時(shí)條件的限制，初期的全方位移動(dòng)平臺(tái)功能比較單一，只有簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)、控制等。此后，德國(guó)、日本、韓國(guó)、中國(guó)等國(guó)家眾多科研機(jī)構(gòu)和院校相繼加入了對(duì)全向移動(dòng)平臺(tái)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，加快了全向移動(dòng)平臺(tái)的發(fā)展速度。

德國(guó)庫(kù)卡公司生產(chǎn)研發(fā)的KMP omnimove[24]重載移動(dòng)平臺(tái)是全方位移動(dòng)重載領(lǐng)域里的翹楚（圖13）。內(nèi)部搭載激光掃描儀用于環(huán)境監(jiān)控，結(jié)合內(nèi)置軟件和先進(jìn)的控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的自主導(dǎo)航和移動(dòng);高功率蓄電池和應(yīng)用工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)的自給式電源使其不受任何連接的限制;光學(xué)方向控制、定位輔助和機(jī)械導(dǎo)向元件使得KMP omnimove能夠?qū)崿F(xiàn)最大1mm的定位精度，攻克了重載情況下難以精確調(diào)整的難題。利用無(wú)線(xiàn)遙控技術(shù)可方便的進(jìn)行操縱。作為移動(dòng)式平臺(tái)，其大小、寬度與長(zhǎng)度均可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整;兩個(gè)KMP omnimove進(jìn)行機(jī)械耦合可承載重達(dá)90噸或最長(zhǎng)30米的貨物，能夠在狹窄的空間靈活的變換位姿，可同時(shí)保證機(jī)動(dòng)靈活與工業(yè)安全性能。出于教育與共同研發(fā)的目的，庫(kù)卡公司將其設(shè)計(jì)的youbot移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)開(kāi)放共享。這是一個(gè)利用全方位平臺(tái)搭載一個(gè)五自由度機(jī)械臂和一個(gè)二指加持器的小型機(jī)器人，專(zhuān)門(mén)用于研發(fā)和教育。

我國(guó)對(duì)全方位移動(dòng)平臺(tái)相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)投入較晚，但從目前市場(chǎng)情況來(lái)看有后來(lái)者居上的態(tài)勢(shì)。成都航發(fā)、廣州普華靈動(dòng)、蘇州歐米麥克、武漢漢迪、東莞松靈、上海匯聚自動(dòng)化等機(jī)器人科技有限公司都有自己相應(yīng)的成熟產(chǎn)品，服務(wù)范圍包括軌道交通、航空航天、風(fēng)力發(fā)電、物流倉(cāng)儲(chǔ)、金屬加工等。

成都航發(fā)公司生產(chǎn)的OmniTitan重型全向運(yùn)輸車(chē)[25]，能夠滿(mǎn)足單車(chē)500t以?xún)?nèi)的負(fù)載需求，特別適合大尺寸、大噸位的工件運(yùn)輸，能夠在瀝青、自流平、混凝土、硬土地面上運(yùn)行，路面適應(yīng)能力極強(qiáng)，具有自頂升及多車(chē)聯(lián)動(dòng)功能，對(duì)于一些特殊工件的搬運(yùn)，能夠解決行吊無(wú)法完成的難題。目前，其產(chǎn)品主要面向風(fēng)電設(shè)備制造、列車(chē)總裝，飛機(jī)總裝等（圖14）。

廣州普華靈動(dòng)公司生產(chǎn)的單驅(qū)單向潛入式AGV小車(chē)[26]，其高度只有150mm，相當(dāng)于一個(gè)普通手機(jī)的高度，號(hào)稱(chēng)AGV中的潛水艇（圖15），在某些對(duì)高度要求較高的場(chǎng)合中便能夠發(fā)揮它的作用。目前該產(chǎn)品已廣泛用于汽配廠、電子廠、服裝廠等物流需求企業(yè)。

上海匯聚公司生產(chǎn)的OMV飛機(jī)引擎安裝設(shè)備[27]，配備有高精度直線(xiàn)滑軌、高精度水平滑軌、獨(dú)立四點(diǎn)高精度絲杠以及數(shù)字化控制電腦屏，適用于飛機(jī)制造業(yè)各部件的高精密裝配，在國(guó)際上具有領(lǐng)先地位（圖16）。

北京首都機(jī)場(chǎng)應(yīng)用智能全方位移動(dòng)停車(chē)機(jī)器人[28]，實(shí)現(xiàn)了1分鐘存車(chē)2分鐘取車(chē)的驚人效率，不僅省去了汽車(chē)尋找車(chē)位過(guò)程中的燃油浪費(fèi)，還降低了對(duì)停車(chē)場(chǎng)基建的要求，減少了燈光和通風(fēng)設(shè)備等產(chǎn)生的能源開(kāi)支。該機(jī)器人體積小，載重大，續(xù)航長(zhǎng)時(shí)間，內(nèi)部的感應(yīng)裝置能夠使其自行躲避障礙物，避免車(chē)輛剮蹭。據(jù)了解該機(jī)器人將用于新建的大興機(jī)場(chǎng)，繼續(xù)發(fā)揮其出色的性能。

在軌道交通方面，北京衛(wèi)星制造廠自主研發(fā)了一款列車(chē)車(chē)體轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)，利用兩臺(tái)設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制的形式解決了車(chē)體尺寸長(zhǎng)、重量大造成的轉(zhuǎn)運(yùn)效率低的難題，很大程度上節(jié)省了裝配空間， 提高了裝配效率（圖17）。其研制的全向移動(dòng)自動(dòng)焊接機(jī)器人[29]是我國(guó)首臺(tái)實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。

在倉(cāng)儲(chǔ)物流領(lǐng)域，裝甲兵工程學(xué)院聯(lián)合浙江美科斯叉車(chē)有限公司研制了全方位移動(dòng)叉車(chē)[30]，填補(bǔ)了國(guó)產(chǎn)叉車(chē)在該領(lǐng)域中的空白。中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制的全向AGV[31]應(yīng)用于自動(dòng)立體倉(cāng)庫(kù)的運(yùn)輸，能夠集中調(diào)度、實(shí)時(shí)監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)了整體的柔性控制。

在國(guó)防軍工領(lǐng)域，利用全方位移動(dòng)平臺(tái)搭載升降設(shè)備和調(diào)姿機(jī)構(gòu)可進(jìn)行飛機(jī)彈體及外掛物的快速裝配和拆卸，有效提高部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力[32]。

在生活服務(wù)領(lǐng)域，全方位地面移動(dòng)清掃機(jī)器人[33]可以在家庭和辦公室等場(chǎng)所進(jìn)行清掃作業(yè)，方便人們的居家和辦公生活;全向智能垃圾桶[34]利用WiFi通信與用戶(hù)手機(jī)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)收集垃圾。

在醫(yī)療救護(hù)領(lǐng)域，全方位移動(dòng)輪椅（圖18）能夠解決老年人及殘障人士行動(dòng)不便的困擾，全方位傷員轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人[35]可應(yīng)用于醫(yī)院或家庭傷員轉(zhuǎn)運(yùn)，能夠在傳染病房代替醫(yī)護(hù)人員執(zhí)行相關(guān)工作，結(jié)合機(jī)器人手臂和傳送帶技術(shù)可減少傷員疼痛。

在休閑娛樂(lè)領(lǐng)域，利用網(wǎng)紅手表進(jìn)行手勢(shì)感應(yīng)控制的全方位移動(dòng)玩具車(chē)適合各個(gè)年齡段的人玩，能夠有效緩解工作生活帶來(lái)的壓力（圖19）。

在一些特殊危險(xiǎn)工況條件下，利用全方位移動(dòng)平臺(tái)搭載相關(guān)功能設(shè)備可有效降低安全隱患，如配電變壓器檢測(cè)[36]。

全方位移動(dòng)平臺(tái)經(jīng)過(guò)這么多年的發(fā)展，正以其出色的運(yùn)動(dòng)能力、更加完善的產(chǎn)品功能以及越來(lái)越先進(jìn)的智能化水平，逐步被人們應(yīng)用到生產(chǎn)生活的各個(gè)方面，提高人們的工作效率以及生產(chǎn)生活水平。

4 ?存在問(wèn)題

4.1 全方位運(yùn)動(dòng)對(duì)地面條件要求較高，比較苛刻 ?無(wú)論何種行駛機(jī)構(gòu)，全方位移動(dòng)平臺(tái)是通過(guò)每個(gè)全向輪力矩的矢量合成實(shí)現(xiàn)任意方向移動(dòng)的，其良好實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是各個(gè)全向輪協(xié)調(diào)配合。在平坦、干凈、整潔的路面上，全方位運(yùn)動(dòng)效果越好;當(dāng)?shù)孛鏃l件較差時(shí)，比如凹凸不平、有砂礫、有水等，會(huì)導(dǎo)致其中一個(gè)或者幾個(gè)輪子與地面接觸不良或是摩擦系數(shù)改變，出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，從而無(wú)法提供指定輸出轉(zhuǎn)矩或者部分輸出指定轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致合力矩大小或者方向改變，進(jìn)而使運(yùn)動(dòng)軌跡偏移，運(yùn)動(dòng)性能降低，特別是在某些需要精確定位的任務(wù)場(chǎng)景中，地面條件的好壞決定了全方位運(yùn)動(dòng)性能的發(fā)揮。

4.2 全方位移動(dòng)平臺(tái)對(duì)自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求更高 ?隨著全方位技術(shù)的不斷發(fā)展，在重載領(lǐng)域的需求將會(huì)越來(lái)越大，平臺(tái)的整體布局設(shè)計(jì)應(yīng)該更加緊湊，默認(rèn)呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)幾何特性，整體重心分布盡可能位于其幾何中心位置;負(fù)重載荷盡量均勻布置，以使所有行動(dòng)輪負(fù)載相同，受力狀態(tài)一致，進(jìn)而達(dá)到協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的目的。

4.3 行走機(jī)構(gòu)對(duì)材料耐磨性要求越來(lái)越高 ?在重載工況下由于車(chē)輪承受壓力變大，且制動(dòng)功率相應(yīng)變大，對(duì)車(chē)輪的磨損越來(lái)越嚴(yán)重，導(dǎo)致平臺(tái)運(yùn)行時(shí)行駛狀態(tài)不“連續(xù)”，全方位運(yùn)動(dòng)性能降低。輪系材料磨損性能的提高將使全方位技術(shù)適應(yīng)更加惡劣的工作環(huán)境，進(jìn)一步擴(kuò)大全方位移動(dòng)平臺(tái)的應(yīng)用領(lǐng)域。

5 ?發(fā)展趨勢(shì)

全方位移動(dòng)平臺(tái)已經(jīng)在多領(lǐng)域體現(xiàn)出其不可替代的價(jià)值，隨著時(shí)代的發(fā)展以及技術(shù)手段的進(jìn)步，未來(lái)全方位移動(dòng)平臺(tái)主要呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢(shì)：

5.1 應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)一步擴(kuò)大 ?全方位移動(dòng)平臺(tái)是一個(gè)可擴(kuò)展的應(yīng)用平臺(tái)，自產(chǎn)生以來(lái)，不斷結(jié)合最新的技術(shù)手段，來(lái)拓展自身功能，擴(kuò)大應(yīng)用場(chǎng)景，滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。目前，全方位移動(dòng)平臺(tái)應(yīng)用場(chǎng)景主要是工廠、倉(cāng)庫(kù)、醫(yī)院、超市、地下停車(chē)場(chǎng)等具有結(jié)構(gòu)化路面的室內(nèi)環(huán)境，還未能充分發(fā)揮其潛力優(yōu)勢(shì);未來(lái)，隨著新的執(zhí)行功能系統(tǒng)的附加以及全方位移動(dòng)履帶等新的可適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化路面的行走機(jī)構(gòu)的成熟應(yīng)用，全方位移動(dòng)平臺(tái)將會(huì)出現(xiàn)在更多的任務(wù)場(chǎng)景中，滿(mǎn)足人們的生產(chǎn)生活需求。

5.2 更強(qiáng)的信息獲取及決策處理能力 ?當(dāng)前，全方位平臺(tái)已能夠通過(guò)激光、雷達(dá)、紅外、超聲波、圖像等傳感器實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、自主導(dǎo)航、避障等活動(dòng)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及傳感器技術(shù)的進(jìn)步，基于多傳感器信息的融合及決策處理將是全方位平臺(tái)發(fā)展的新趨勢(shì)。

5.3 智能化程度進(jìn)一步提高 ?當(dāng)前是一個(gè)智能化的時(shí)代，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G、云計(jì)算、人工智能等智能技術(shù)的相互融合推動(dòng)著我們這個(gè)時(shí)代由萬(wàn)物互聯(lián)邁向萬(wàn)物智能。未來(lái)全方位“智能”移動(dòng)平臺(tái)將會(huì)在生產(chǎn)生活中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

6 ?結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)全方位移動(dòng)平臺(tái)做了一個(gè)全面的闡述，對(duì)幾種典型的全向行動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了歸納總結(jié)，簡(jiǎn)要概述了其關(guān)鍵技術(shù)，指出了當(dāng)前存在的問(wèn)題，介紹了全方位移動(dòng)平臺(tái)的應(yīng)用現(xiàn)狀，最后設(shè)想了其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。隨著科技的不斷進(jìn)步，我們有理由相信全方位平臺(tái)的功能將會(huì)更加趨于完善，未來(lái)我上們將會(huì)在越來(lái)越多的應(yīng)用場(chǎng)景中看到各種各樣的集成全方位驅(qū)動(dòng)技術(shù)的產(chǎn)品。

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