全輪動(dòng)力和轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)的輕量化特種移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

鮑明松　趙林萍　段立夫　孫洪陽(yáng)

摘要：針對(duì)當(dāng)前多輪移動(dòng)平臺(tái)的輪系上動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)需要單獨(dú)設(shè)置動(dòng)力源而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)數(shù)量過(guò)多、體積和重量大、控制精度差等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種全輪動(dòng)力和轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)的輕量化特種移動(dòng)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的全輪獨(dú)立動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)，降低了輪組體積和重量，提升了輪組移動(dòng)和轉(zhuǎn)向時(shí)的線性度和系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化水平。

關(guān)鍵詞：全輪驅(qū)動(dòng);驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向;輪式移動(dòng)平臺(tái);特種機(jī)器人

1 設(shè)計(jì)背景

輪式行走機(jī)構(gòu)因摩擦和阻力小、轉(zhuǎn)向性能好等被廣泛應(yīng)用于如全輪驅(qū)動(dòng)的汽車、軍事特種機(jī)器人等[1]各類復(fù)雜場(chǎng)合。由于需要對(duì)每個(gè)輪組單獨(dú)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)，輪組上動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)的重量和尺寸等參數(shù)將直接決定全輪移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性[2]。目前采用每個(gè)輪組單獨(dú)直連驅(qū)動(dòng)或左右輪組、前后輪組共用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的方案，存在輪組體積龐大、成本高、控制困難等問(wèn)題。在全輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)方案中，由于動(dòng)力驅(qū)動(dòng)組件和轉(zhuǎn)向組件間存在耦合，存在增加驅(qū)動(dòng)輪組體積和成本等難題[3]。為此，本文設(shè)計(jì)了一種全輪動(dòng)力和轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)的輕量化特種移動(dòng)平臺(tái)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與組成

全輪動(dòng)力和轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)的輕量化特種移動(dòng)平臺(tái)包括全輪驅(qū)動(dòng)組件、全輪轉(zhuǎn)向組件、車輪組件、平臺(tái)骨架。其中，全輪驅(qū)動(dòng)組件實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪組件的全向動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，全輪轉(zhuǎn)向組件則可實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪組件的全向轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)。該移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1? ? 全輪驅(qū)動(dòng)組件設(shè)計(jì)

全輪驅(qū)動(dòng)組件包括動(dòng)力驅(qū)動(dòng)源、動(dòng)力波箱、動(dòng)力傳遞組件。其中，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)源為輪組的全向驅(qū)動(dòng)提供動(dòng)力，連接動(dòng)力波箱;動(dòng)力傳遞組件則將動(dòng)力進(jìn)行方向、大小轉(zhuǎn)換和動(dòng)力分配，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪組的動(dòng)力傳遞功能。全輪驅(qū)動(dòng)組件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

動(dòng)力驅(qū)動(dòng)源包括第一動(dòng)力電機(jī)、第一動(dòng)力減速箱、第二動(dòng)力電機(jī)、第二動(dòng)力減速箱。

動(dòng)力波箱包括第一動(dòng)力轉(zhuǎn)軸、第二動(dòng)力轉(zhuǎn)軸、第一動(dòng)力齒輪、第二動(dòng)力齒輪、第三動(dòng)力齒輪、第四動(dòng)力齒輪、第五動(dòng)力齒輪、第六動(dòng)力齒輪、第七動(dòng)力齒輪、第八動(dòng)力齒輪、第九動(dòng)力齒輪、第十動(dòng)力齒輪、第三動(dòng)力轉(zhuǎn)軸、第四動(dòng)力轉(zhuǎn)軸、第五動(dòng)力轉(zhuǎn)軸、第六動(dòng)力轉(zhuǎn)軸。

動(dòng)力傳遞組件包括動(dòng)力傳遞第一齒輪、動(dòng)力傳遞第二齒輪、動(dòng)力傳遞第一轉(zhuǎn)軸、動(dòng)力傳遞第三齒輪、動(dòng)力傳遞第四齒輪、動(dòng)力傳遞第二轉(zhuǎn)軸、動(dòng)力傳遞第五齒輪、動(dòng)力傳遞第六齒輪、動(dòng)力傳遞第三轉(zhuǎn)軸、動(dòng)力傳遞萬(wàn)向節(jié)、動(dòng)力傳遞第七齒輪、動(dòng)力傳遞第八齒輪。

2.2? ? 全輪轉(zhuǎn)向組件設(shè)計(jì)

全輪轉(zhuǎn)向組件包括轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)源、轉(zhuǎn)向波箱、轉(zhuǎn)向傳遞組件。轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)源為輪組的全向回轉(zhuǎn)提供轉(zhuǎn)向動(dòng)力，連接轉(zhuǎn)向波箱;轉(zhuǎn)向傳遞組件則將動(dòng)力進(jìn)行方向、大小轉(zhuǎn)換和動(dòng)力分配，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪組全向回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力傳遞功能。全輪轉(zhuǎn)向組件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)源包括第一轉(zhuǎn)向電機(jī)、第一轉(zhuǎn)向減速箱、第二轉(zhuǎn)向電機(jī)、第二轉(zhuǎn)向減速箱。

轉(zhuǎn)向波箱包括第一轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)軸、第二轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)軸、第一轉(zhuǎn)向齒輪、第二轉(zhuǎn)向齒輪、第三轉(zhuǎn)向齒輪、第四轉(zhuǎn)向齒輪、第五轉(zhuǎn)向齒輪、第六轉(zhuǎn)向齒輪、第七轉(zhuǎn)向齒輪、第八轉(zhuǎn)向齒輪、第九轉(zhuǎn)向齒輪、第十轉(zhuǎn)向齒輪、第三轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)軸、第四轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)軸、第五轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)軸、第六轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)軸、第十一轉(zhuǎn)向齒輪、第七轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)軸、第十二轉(zhuǎn)向齒輪、第八轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)軸。

轉(zhuǎn)向傳遞組件包括轉(zhuǎn)向傳遞第一齒輪、轉(zhuǎn)向傳遞第二齒輪、轉(zhuǎn)向傳遞第一轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)向傳遞第三齒輪、轉(zhuǎn)向傳遞第四齒輪、轉(zhuǎn)向傳遞第二轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)向傳遞第五齒輪、轉(zhuǎn)向傳遞第六齒輪、轉(zhuǎn)向傳遞第三轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)第七齒輪、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)第八齒輪、轉(zhuǎn)向傳遞第四轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)第九齒輪、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)第十齒輪、轉(zhuǎn)向傳遞第五轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)第十一齒輪、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)第十二齒輪、轉(zhuǎn)向傳遞第六轉(zhuǎn)軸。

3 輕量化特種移動(dòng)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)原理

3.1? ? 全輪同步前進(jìn)或后退驅(qū)動(dòng)

當(dāng)移動(dòng)平臺(tái)全輪前進(jìn)時(shí)：

（1）第一動(dòng)力電機(jī)：不動(dòng)作。

（2）第二動(dòng)力電機(jī)→第二動(dòng)力轉(zhuǎn)軸→第四動(dòng)力齒輪→第六動(dòng)力齒輪→第七動(dòng)力齒輪→第八動(dòng)力齒輪→第九動(dòng)力齒輪→第六動(dòng)力轉(zhuǎn)軸→第二動(dòng)力轉(zhuǎn)軸→第三動(dòng)力轉(zhuǎn)軸→第七動(dòng)力齒輪→第八動(dòng)力齒輪→車輪正向前進(jìn)。

（3）第一轉(zhuǎn)向電機(jī)：不動(dòng)作。

（4）第二轉(zhuǎn)向電機(jī)：不動(dòng)作。

當(dāng)移動(dòng)平臺(tái)全輪后退時(shí)，過(guò)程與上述類似，動(dòng)作相反。

3.2? ? 全輪同步轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)

當(dāng)移動(dòng)平臺(tái)全輪原地順時(shí)針轉(zhuǎn)向時(shí)：

（1）第一動(dòng)力電機(jī)→第一動(dòng)力轉(zhuǎn)軸→第十動(dòng)力齒輪→第一動(dòng)力齒輪→第四動(dòng)力齒輪→第三動(dòng)力轉(zhuǎn)軸→車輪反向驅(qū)動(dòng)行進(jìn)。

（2）第二動(dòng)力電機(jī)：不動(dòng)作。

（3）第一轉(zhuǎn)向電機(jī)→第一轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)軸→第五轉(zhuǎn)向齒輪→第六轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)軸→轉(zhuǎn)向傳遞第六齒輪→轉(zhuǎn)向傳動(dòng)第九齒輪→轉(zhuǎn)向傳遞第六轉(zhuǎn)軸，左后輪和右前輪反向轉(zhuǎn)向調(diào)整。

（4）第二轉(zhuǎn)向電機(jī)：不動(dòng)作。

當(dāng)移動(dòng)平臺(tái)全輪原地逆時(shí)針轉(zhuǎn)向時(shí)，過(guò)程類似。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用動(dòng)力分布驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向分散驅(qū)動(dòng)方法，設(shè)計(jì)了一種全輪動(dòng)力和回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的輕量化特種移動(dòng)平臺(tái)，可用于輪式移動(dòng)的特種、軍事等機(jī)器人中。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)輪組的全向動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向控制，有利于促進(jìn)多輪移動(dòng)平臺(tái)的微型化和輕量化發(fā)展。

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收稿日期：2020-03-04

作者簡(jiǎn)介：鮑明松（1969—），男，山東海陽(yáng)人，高級(jí)工程師，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用。