全方位移动运输平台的结构设计

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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 [3]。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 [4]。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 Mecanum 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，
设 计 与 研 究
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管道外壁行走机器人研究
胡 艳
（安徽工贸职业技术学院，淮南 232001）
摘 要：管道外壁行走机器人作为新兴的工业生产及设施维护装备，因其自动化程度高而被广泛应用。本文 主要介绍管道外壁行走机器人的研究现状与发展趋势。 关键词：管道外壁 机器人 自动化
引言 管道机器人属于特种机器人的范畴。随着现代经济科 技的迅速发展，它已成为工业机器人研究领域的重要组成 部分。根据管道机器人的使用位置不同，可以将其分为管 内机器人和管外机器人两种。人们对管内机器人已有较为 成熟的研究 [1]，而对管道外壁行走机器人的研究尚处于起 步阶段。 管道外壁机器人工作位置有管道、 电线杆、 缆索等， 在工业作业上有较高的应用价值，故其研究受到了人们的 高度重视。 大多数工业管道中含有高温高压、有毒有辐射等流体 介质，工作条件非常恶劣，容易发生腐蚀、疲劳破坏或使 管道内部的潜在缺陷发展成破损而引起泄漏事故 [2]。 因此， 管道的定期保养和针对裂纹或断裂的检测必不可少。作为 管道在线检测技术，漏磁检测如今已被广泛应用于传输管 道检测中，如用于在线检测判断腐蚀缺陷、机械损伤和裂 缝等。从目前的使用情况来看，漏磁检测技术多应用于冶 金、石油、化工以及城市供应等部门的大管径管道系统中。 这些应用场合多是采用将检测装置布置于管道内部，但是 对于那些管径较小的管道，在内部布置检测装置很不方便， 此时管外机器人显示出明显的优越性能和实用价值。 以斜拉桥缆索为例，斜拉桥作为现代桥梁广泛采用的 新型式， 如何对其主要受力部件——缆索进行定期在线检测、 清洗和涂装等维护工作成为急需解决的课题 [3]。缆索维护方 法主要有两种：一是利用液压升降平台对小型斜拉桥缆索进 行维护；二是利用预先装在塔顶的吊点，用钢丝绳拖动吊篮 搭载工作人员沿缆索进行维护 [4]。但是，第一种方法工作范 围有限，第二种人工方法效率低、成本高、安全性较差。 综上可知，随着经济科技迅猛发展，多功能管道外壁 行走机器人可广泛应用于工业管道的保养、除锈、检测和 喷漆等工作。 １ 管道外壁行走机器人研究中的关键技术 根据现有管外机器人的研究过程与成果，管道外壁行 走机器人研究中的关键技术包括： （1）调心机构的设计。运动过程中，调心机构可以调 节装置与管道保持一定的同轴度，来保证装置的平稳运动 和工作机工作可靠性。同时，调心机构还可以实现装置对 不同直径管道的适应性。 （2）工作目标的识别与定位。利用机器搭载的传感器 等装置，将信号传递给 PLC，找到作业位置并准确定位，启 动搭载的功能装置完成工作。 （3）PLC 人机交互界面。将传感器的检测信息传递给 PLC，利用 PLC 来控制执行装置进行修补与喷涂。因此， PLC 人机交互界面的设计与构建在实现管道外壁机器人的自 动控制中显得尤为重要。 （4）故障自诊断与处理。当工业机器人出现运行故障 时，系统可以及时准确地进行故障发现、故障原因诊断， 并发出报警，从而使机器人安全可靠地工作，降低损失， 便于发现和排除故障。 ２ 国内外管道外壁行走机器人的研究与发展现状 近年来，管道外壁行走机器人的研究得到了长足进步， 取得了许多研究成果。 研究成果中， 典型装置可分为以下几种。 ２．１ 气动蠕动式 ［５］ 此类装置运动采用蠕动方式。通过气缸与夹紧机构动作 配合及先后顺序，可实现机构的往复运动，且过程中保证至 少有一对手爪夹紧管道。此种机构结构简单，易于操作，但 爬升高度受供气源管道的限制， 且运动速度受夹紧时间限制。 部分简易爬管本体部分采用自锁原理，利用弹簧、橡胶球、 斜面等基本特性使机构保持静止。 此类装置只适合直管爬行。 ２．２ 内框螺旋式 ［６］ 此类装置由圆柱框架和三台均布的相同小车组成。车 轮抱紧管壁后，通过驱动车轮实现装置螺旋上升或下降。 通过调节螺母，调整装置初始抱紧力，装置随着管道外径 的改变可自动调整。此装置负荷量大，运行平稳，适合不 同直径管件，但只能应用于连续型管件。 �
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现代制造技术与装备
２０１７ 第 ６ 期 总第 ２４７ 期
全方位移动运输平台的结构设计
胡 聪 贾 茜 许海生 顾 城 景炜婷
（南京工程学院工业中心，南京 211167）
摘 要：本文分析了 Mecanum 轮式全方位移动机器人的运动原理，设计了包含全方位移动机构和剪式举升 机构的运输平台。该平台可以实现遥控方式下的前后、左右、原地旋转等运动以及升降运动，对于狭小空间和拥 挤环境中的作业具有良好的应用前景。 关键词：Mecanum 轮 全方位移动平台 剪式举升机构 结构设计
图 １ 全方位移动运输平台实物图 图 ２ 移动机构三维模型
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、 （下转第40页）
[2]
−1 vx R v = y 4 1 ω 1 z L+l
1 1 1 − L+l

−1 1 1 − L+l
ϕ 1 1 ϕ 1 2 ϕ 1 3 ϕ4 L+l
（1）
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。
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 [1]。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
(ϕ1 , ϕ2 , ϕ3 , ϕ4 ) 为 4 个 Mecanum 轮的转速，(v x,v y, ωz) 为运输 平台的速度，辊子与车轮轴线的夹角为 α =45 °，车轮半
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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 l 和 L。
基金项目：江苏省高校自然科学研究面上项目（１４ＫＪＤ４６０００２）；江苏省大学生创新创业训练项目（２０１６１１２７６０７８Ｈ）；江苏省先进数控技术重点实验 室开放基金项目（ＳＹＫＪ２０１６０５）。