浅析全向多能移动平台的结构设计

姚江舟

摘要：该项目由四根伸缩杆、伸缩杆升降运动机构和上部固定框架組成，每根伸缩杆下端可固定不同的轮子，伸缩杆自身可做伸缩运动，同时还可以通过伸缩杆升降运动机构来升降，从而达到随意升降，平台也不会随着地面的凹凸不平而导致歪斜，使用范围比较广;本文的全向多能移动平台结构紧凑稳定，模块化设计，安装拆卸方便简单，同时可方便根据需求进行二次开发，加导航、人脸识别、人机交互等多种功能，可与各类智能机器人的配套使用或者作为其他设备的移动平台。

关键词：移动平台;模块化;多功能;二次开发

1 引言

目前市面上很多设备或者产品因没有合适的移动底盘，导致使用场景大大减少，即使有类似AGV这样的移动平台，也因为大部分AGV对工作地面的要求较高，只能在平整的室内环境下使用;生产成本和维护成本高，兼容性也较差，目前还没有一款“全功能”移动平台;重量较重，便携性较差、运输不方便;针对以上痛点，我设计了一种全向多能移动平台，这是一款新型结构的移动平台，集机械设计、电气控制、机械制造等多门学科为一体，可以作为其他产品的移动平台来使用，实现多种场景、多种工作模式，该结构采用模块化设计，可以配合传感器、电脑等进行控制，来实现自动化的操控;另外全向多能移动平台也可以做一些高危、高难度的运输工作，该设计结构简单，腿部剪刀叉机构自锁力比较大，负载的重量较重，本文主要说明结构的设计和一些主要的使用场景。

2 全向多能移动平台的结构设计和电控控制

2.1 总体结构设计

全向多能移动平台包括上端框架和4个伸缩杆的主体结构，其中前后共四个伸缩杆，前面两个伸缩杆根部装有全向轮，方便转弯，后面两个伸缩杆装有两个动力的轮毂电机，以驱动整个移动平台行驶，同时也可换方向行驶，动力轮在前全向轮在后，越障能力加强。

上端框架包含有四周的固定钣金和内部的升降驱动机构组件，框架左右两侧的固定板钣金分别设有沿前后方向延伸的滑槽;升降驱动机构用于驱动伸缩杆的顶端沿滑槽前后方向移动、达到全向移动平台整体升降;升降驱动结构组件包括驱动电机、传动装置联轴器和升降丝杆，升降丝杆上的螺母与伸缩杆尾端的转轴连接，当电机转动带动丝杆上的螺母沿着滑槽前后移动时，也带动伸缩杆的尾端端在所述滑槽内移动，从而带动整个全向移动平台的升高或降低。

伸缩杆包括有旋转支撑杆、伸缩杆自身伸缩驱动机构组件、前后伸缩内外管和底部的驱动轮组;伸缩驱动机构用于驱动伸缩杆伸长或缩短，以使伸缩杆升高或降低，伸缩杆自身伸缩驱动机构组件里有驱动电机、传动装置同步带轮、同步带和滚珠丝杆，滚珠丝杆上的螺母与伸缩杆内管连接，以驱动伸缩内管伸长或缩短，伸缩内管内置在伸缩外管的里面，伸缩内管的前端固定有驱动轮组，后驱动轮组有轮毂电机、固定板以及减震弹簧，固定板上装有减震弹簧，轮毂电机又固定在固定板上。

前面提到的后伸缩杆装有轮毂电机，但是前伸缩杆底部装有全向轮轮组，在狭小的空间内可以自由的做转弯动作，更为灵活;或者也可以根据实际情况来转换行驶方向，前面行驶的为有动力的轮毂电机，后面为全向轮，这样在越障碍时的能力有大幅度提高。

2.2 针对市场相似产品的改进和后期的扩展

本全向多能移动平台不仅可以在平面内自由运动，还具有爬台阶等越障能力，该多功能移动平台的升降驱动机构组件可以驱动伸缩杆伸长或缩短，当伸缩杆缩短时，伸缩杆带动驱动轮组件抬高，能够实现类似‘抬腿的动作;另外一组升降驱动机构组件可以驱动伸缩杆相对旋转支撑杆交叉转动，当伸缩杆与旋转支撑杆的夹角α变大时，也可以做类似‘抬腿的动作;因此本全向多能移动平台可以爬升台阶、穿越不平整路面，越障能力显著提高，使用场景更为广泛。为了实现这些功能，设计的主要机构和控制部分包括：

（1）模块化，目前市面上其他类型的移动平台车比较笨重，一般的家庭用小轿车进行运输比较困难，在整体结构的布局中，本人采用了五个大模块，13个小模块化拼装的结构;每根伸缩杆均可独立拆卸，伸缩杆前端的轮子也可快速拆卸，快速更换想要的各种形式的轮子;外出运输可以把各个模块拆分装到私家车上运输，然后再把模块装配成一个整体，以供其他设备做移动平台使用，在全向多能移动平台外出携带时，只要简单的拆分为五个大部分，或者再运载工具空间有限的情况下，还可以进一步细化拆分为13个小模块;在拆卸为五个模块后，每个部分的重量都很轻，成年人都能轻松的拿起来，可以轻松的放在汽车后备箱里，让用户的体验更好，同时也给公司的快速部署、批量生产全向多能移动平台带来了便利，优化产品全生命周期内的成本、研发、生产、物流、销售和服务等环节控制产品总成本，取得产品价格优势。

（2）扩展性好，在移动平台初期设计阶段就已经考虑到后期改造或者扩展的问题，本人在框架的上方设计预留一整块固定板，全向多能移动平台框架上端的钣金采用多孔且多规格固定，让不同的设备能与其便捷连接;同时后期可以加装有快速插拔接头、快速夹等，方便与其他设备固定连接，进一步提高产品的使用便利性，以方便固定需要使用的设备，同时车体的框架外围也做了预留加工安装孔，方便后期加配使用的各种传感器，给改造带来了便利，能在最短的时间内改造出想要的设备，后期可以加导航、激光雷达等传感器，使移动平台做到真正的全向自动移动平台，在功能上实现多个级别的跨越，使用的范围和用途更广。

（3）负载率好，可做的动作多，移动平台的腿部为4根伸缩杆交叉分布的结构，这样设计能使各个单独的伸缩杆截面积更小、自重更轻，同时4根交叉结构的承重负载更重，不仅可以负载自身几倍重量，还可以通过伸缩杆自身的伸缩来实现整个移动平台的各种动作和高度的变化，当伸缩杆缩短时，伸缩杆带动驱动轮组件抬高，能够实现类似‘抬腿的动作;另外一组升降驱动机构组件可以驱动伸缩杆相对旋转支撑杆交叉转动，当伸缩杆与旋转支撑杆的夹角α变大时，伸缩杆带动驱动轮组件抬高，能够实现类似‘抬腿的动作，可操作的动作更柔性。

（4）可随意更换行驶方向，根据行驶的实际需要来转换方向，当需要快速移动时，可以把有动力的轮毂电机放在前面，全向轮放在后面，在越障的时候通过性更好;当需要在非常狭小的空间内做转弯等动作时，可以全向轮在前，动力轮毂电机在后，这样设计具有滑跑稳定性，重心在前后轮之间，当车受到横向扰动，比如向左偏离后，前轮是万向轮，是滚动摩擦力，可以忽略，后轮是滑动摩擦力，合力与前进方向相反，对重心取矩，有一个向右偏转的恢复力矩，所以具有滑跑稳定性，同时由于全向轮在前，使轉弯半径大为减少，在类似电梯、窄巷的使用环境里也能轻松自如地做转弯操作;同时动力轮和全向轮的尺寸选用8寸甚至更大的尺寸，增强全向多能移动平台的越障能力，动力轮毂电机放在后面这样行驶，在突然刹车时的安全性能也能达到最优，不会因为急刹而翻车;移动平台车行驶动作和方向较好变化。

（5）减重设计，大量使用碳纤维和7075铝合金的材质，在大大减轻重量的情况下，还能保持高强度的刚性，同时在还设计有减重孔、3D打印等轻型材料代替金属结构设计，既能满足强度又能照顾到移动平台的整体重量，总重量比市面上现有的移动平台车要减轻近一倍，大大提高了移动平台车的轻便性。

3 总结

综上所述，全向多能移动平台是一个新型的运输设备，也可以根据使用者的需求，来定制所需的产品，该全向多能移动平台的设计让物料和产品的搬送、装配牵引、人员的移动方便快捷，同时达到多功能性、一物多用，有效减少了成本，增加了产品的利用率。

随着经济发展、物流效率以及劳动成本的迫切需要，还需要更丰富不同大小的型号设计，因此本人还需要对产品的设计结构做进一步的细化工作，使全向移动平台的大小型号更加合理，让消费者有更多的型号供选择，同时还可以将其他巧妙的机械结构放到全向移动平台上，以便增加移动平台车更多的辅助功能，让使用者使用起来更方便简单，并且在安全为第一位的前提下减少生产成本，提高生产效率，希望能在未来的移动平台车领域做出自己的一点贡献。

参考文献：

[1] 成大仙.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，1993.

[2] 杨可桢，程光蕴，李仲生，等.机械设计基础[M].北京：高等教育出版社，2013.

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[4] 张军，周荣晶，陶卫军.小型室内搬运用移动机器人的研制[J].化学工程与装备，2011（11）.

（作者单位：上海尊颐智能科技有限公司）