文/高 波 賈巨民 高國(guó)強(qiáng)

一、萬(wàn)向移動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)原理

針對(duì)狹小作業(yè)空間，人們開(kāi)發(fā)出了多種行動(dòng)靈活的萬(wàn)向移動(dòng)機(jī)械。該類(lèi)機(jī)械實(shí)現(xiàn)萬(wàn)向移動(dòng)的方式主要有兩種，一種為通過(guò)偏轉(zhuǎn)普通車(chē)輪實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，另一種為基于Mecanum螺旋滾輪的運(yùn)動(dòng)合成實(shí)現(xiàn)整車(chē)的萬(wàn)向移動(dòng)。

Mecanum螺旋滾輪是瑞典人Bengt Ilon在1973年發(fā)明的，因?yàn)樗?dāng)時(shí)為Mecanum AB公司的一名工程師而得此名[1]。

圖1 Mecanum螺旋滾輪

Mecanum螺旋滾輪如圖1所示，由輪轂、滾輪兩部分組成，滾輪可以自由旋轉(zhuǎn)，從車(chē)輪軸向看，所有滾輪的外廓線都在車(chē)輪的圓周上。當(dāng)車(chē)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)相當(dāng)于一個(gè)普通車(chē)輪的純滾動(dòng)，只是車(chē)輪與地面的接觸點(diǎn)在車(chē)輪軸向周期性變化。在車(chē)輪底盤(pán)上按一定規(guī)律布置三個(gè)或四個(gè)Mecanum螺旋滾輪車(chē)輪可以實(shí)現(xiàn)整車(chē)的萬(wàn)向移動(dòng)，現(xiàn)有機(jī)械中大多為四支點(diǎn)結(jié)構(gòu)。

圖2為Mecanum螺旋滾輪車(chē)輪和普通車(chē)輪實(shí)現(xiàn)萬(wàn)向移動(dòng)原理對(duì)比。圖中實(shí)心箭頭方向?yàn)檐?chē)輪與地面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向，空心箭頭方向?yàn)檐?chē)輛運(yùn)動(dòng)方向。

從圖2中可以看出，普通車(chē)輛要實(shí)現(xiàn)萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)，其車(chē)輪必須按照一定的規(guī)律偏轉(zhuǎn)。該類(lèi)機(jī)械主要通過(guò)機(jī)械、液壓系統(tǒng)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、由方向盤(pán)控制方向，操作相對(duì)容易，但傳動(dòng)鏈過(guò)長(zhǎng)，傳動(dòng)精度差，可靠性較低，日后維護(hù)工作量大。

Mecanum螺旋滾輪車(chē)輛由電控系統(tǒng)通過(guò)電機(jī)和減速機(jī)控制各個(gè)車(chē)輪的旋轉(zhuǎn)方向和速度，通過(guò)運(yùn)動(dòng)復(fù)合實(shí)現(xiàn)在平面范圍內(nèi)任意方向的移動(dòng)。具有操控方便，結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊，運(yùn)動(dòng)精度及可靠性較高等特點(diǎn)。

二、國(guó)外萬(wàn)向移動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械運(yùn)用現(xiàn)狀

目前很多廠家針對(duì)場(chǎng)地狹小的倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)領(lǐng)域研發(fā)出多種萬(wàn)向移動(dòng)機(jī)械。其萬(wàn)向移動(dòng)原理按圖2所示分為兩類(lèi)。

圖2 普通車(chē)輪與Mecanum螺旋滾輪萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)原理對(duì)比

圖3 AIRTRAX叉車(chē)

圖4 美軍萬(wàn)向搬運(yùn)平臺(tái)

采用偏轉(zhuǎn)車(chē)輪萬(wàn)向移動(dòng)原理的搬運(yùn)機(jī)械有日本TCM生產(chǎn)的ACROBA叉車(chē)，如圖3所示，其四輪可旋轉(zhuǎn)90度，從而實(shí)現(xiàn)側(cè)向行駛，提高了叉車(chē)的機(jī)動(dòng)性，提高庫(kù)房利用率。此類(lèi)叉車(chē)中還有COMBILIFT公司的四向叉車(chē)，如圖4所示。德國(guó)XELAN公司還生產(chǎn)出一種能夠萬(wàn)向行駛的側(cè)面叉車(chē)，也采用偏轉(zhuǎn)車(chē)輪轉(zhuǎn)向方式。

相對(duì)于偏轉(zhuǎn)車(chē)輪的萬(wàn)向移動(dòng)方式而言，基于Mecanum螺旋滾輪的萬(wàn)向移動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械則有很多種，大體可分為叉車(chē)、搬運(yùn)平臺(tái)、起升平臺(tái)三類(lèi)。

1.叉車(chē)

最早的萬(wàn)向移動(dòng)叉車(chē)在Mecanum螺旋滾輪發(fā)明后就被設(shè)計(jì)出來(lái)。

1997年美國(guó)AIRTRAX公司聯(lián)合其他公司購(gòu)得該專(zhuān)利的使用權(quán)，并研發(fā)出叉車(chē)、手動(dòng)托盤(pán)搬運(yùn)車(chē)、萬(wàn)向移動(dòng)升降平臺(tái)等產(chǎn)品，圖3為AIRTRAX公司生產(chǎn)的SIDEWINDER系列萬(wàn)向叉車(chē)。該叉車(chē)額定載荷3000磅，采用三級(jí)門(mén)架，動(dòng)力源為48V鉛酸蓄電池，最高車(chē)速9.6km/h，采用全交流驅(qū)動(dòng)，通過(guò)手柄控制車(chē)輛行駛方向和速度。

2.搬運(yùn)平臺(tái)

以Mecanum螺旋滾輪作為搬運(yùn)平臺(tái)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)或行走機(jī)構(gòu)，可以使搬運(yùn)平臺(tái)上的物資實(shí)現(xiàn)萬(wàn)向移動(dòng)，或使搬運(yùn)平臺(tái)具備萬(wàn)向移動(dòng)功能。

最早的搬運(yùn)平臺(tái)由美國(guó)海軍研制，其設(shè)計(jì)意圖是提供一種能在航母等大型水面艦船上使用的物資載運(yùn)工具，如圖4所示。

其后，人們利用Mecanum螺旋滾輪的萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)原理研制出來(lái)機(jī)場(chǎng)使用的萬(wàn)向裝卸平臺(tái)，如圖4所示。該平臺(tái)不可以萬(wàn)向移動(dòng)，而平臺(tái)上的物資可以在萬(wàn)向滾輪的支撐下萬(wàn)向移動(dòng)。

3.起升平臺(tái)

圖5 MIAG萬(wàn)向升降平臺(tái)

圖6 軍事交通學(xué)院萬(wàn)向叉車(chē)

圖7 軍事交通學(xué)院萬(wàn)向升降平臺(tái)

起升平臺(tái)是在搬運(yùn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，在保留搬運(yùn)平臺(tái)萬(wàn)向移動(dòng)功能的基礎(chǔ)上，又增加了舉升功能。圖5為德國(guó)MIAG公司制造的萬(wàn)向起升平臺(tái)，該平臺(tái)主要為空客等大型飛機(jī)安裝發(fā)動(dòng)機(jī)等大型零部件，具有移動(dòng)平穩(wěn)、靈活，舉升能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

美國(guó)AIRTRAX公司生產(chǎn)了COBRA萬(wàn)向移動(dòng)起升平臺(tái)，該平臺(tái)最大載荷1000磅，最大起升高度可達(dá)30英尺，在平臺(tái)舉升狀態(tài)下，能夠以0.8km/h的速度緩慢、平穩(wěn)移動(dòng)。

三、國(guó)內(nèi)萬(wàn)向搬運(yùn)機(jī)械現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)針對(duì)萬(wàn)向移動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究始于上世紀(jì)90年代，但大多集中在Mecanum螺旋滾輪在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用研究。進(jìn)入本世紀(jì)，萬(wàn)向移動(dòng)機(jī)構(gòu)在搬運(yùn)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用研究開(kāi)始多了起來(lái)，國(guó)內(nèi)先后有多家科研院所、企業(yè)針對(duì)Mecanum螺旋滾輪在搬運(yùn)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用展開(kāi)研究，并開(kāi)發(fā)出多種產(chǎn)品，有些已經(jīng)推向市場(chǎng)。

圖6為總后軍事交通學(xué)院和安徽江淮銀聯(lián)重型工程機(jī)械有限公司合作開(kāi)發(fā)的萬(wàn)向蓄電池叉車(chē)，該車(chē)行走機(jī)構(gòu)采用Mecanum螺旋滾輪，由手柄控制行走方向與速度，采用全交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力強(qiáng)勁，可靠性高，控制方便。適于箱裝物資在狹窄場(chǎng)所的裝卸搬運(yùn)及拆碼垛作業(yè)，能夠顯著提高庫(kù)房的容積利用率。

圖7為總后軍事交通學(xué)院與浙江美科斯叉車(chē)有限公司合作研發(fā)的萬(wàn)向移動(dòng)升降平臺(tái)[2]。該平臺(tái)在Mecanum螺旋滾輪底盤(pán)的基礎(chǔ)上增加了起升機(jī)構(gòu)，能夠精確行走和定位，可廣泛應(yīng)用于平整場(chǎng)所高空設(shè)備的安裝和維修工作。

解放軍裝甲兵工程學(xué)院與浙江美克斯叉車(chē)有限公司合作研發(fā)出全向叉車(chē)及移動(dòng)平臺(tái)，已經(jīng)多次參加各種物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)械展會(huì)[3]。該車(chē)行走系統(tǒng)和液壓起升系統(tǒng)分別由手柄控制，操縱方便，移動(dòng)靈活。

針對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)空間有限、作業(yè)通道狹窄、路徑復(fù)雜、姿態(tài)調(diào)整頻繁的艦船環(huán)境，鄭州中船重工七一三所研制了采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的Mecanum螺旋滾輪、鉸接式車(chē)架、緊湊的傳動(dòng)系統(tǒng)及全交流驅(qū)動(dòng)方案的全方位叉車(chē)和全方位轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)[4]。

此外，還有青島臺(tái)勵(lì)福叉車(chē)、上海維登叉車(chē)等公司均推出了基于偏轉(zhuǎn)車(chē)輪或Mecanum螺旋滾輪原理的萬(wàn)向移動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械。

四、萬(wàn)向移動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械發(fā)展趨勢(shì)

縱觀國(guó)外、國(guó)內(nèi)萬(wàn)向移動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械的發(fā)展歷程及綜合技術(shù)特點(diǎn)，筆者認(rèn)為有如下幾方面發(fā)展趨勢(shì)：

1.廣泛采用Mecanum螺旋滾輪車(chē)輪

相對(duì)于偏轉(zhuǎn)車(chē)輪轉(zhuǎn)向方式，Mecanum螺旋滾輪車(chē)輪結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)可靠、控制精度高，其應(yīng)用范圍正逐步擴(kuò)大。

2.采用全交流驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)

萬(wàn)向移動(dòng)機(jī)械廣泛采用全交流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，具有動(dòng)力強(qiáng)勁、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、免維護(hù)的特點(diǎn)，符合當(dāng)今蓄電池機(jī)械驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展方向。

3.采用CAN總線技術(shù)

萬(wàn)向移動(dòng)機(jī)械控制手柄、中央控制器、電機(jī)控制器、儀表間采用CAN總線進(jìn)行通信，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，中間環(huán)節(jié)少，可靠性高，精度和實(shí)時(shí)性好。

4.應(yīng)用多種控制及驅(qū)動(dòng)方式

現(xiàn)有萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及相關(guān)技術(shù)不僅能應(yīng)用于倉(cāng)儲(chǔ)裝卸搬運(yùn)機(jī)械領(lǐng)域，還可通過(guò)將手控改為遙控或線控操縱，將電機(jī)驅(qū)動(dòng)改為液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，加裝防爆裝置改進(jìn)設(shè)計(jì)，將該技術(shù)推廣到防爆、排爆、交通、醫(yī)療、玩具等特殊領(lǐng)域中。

5.采用先進(jìn)動(dòng)力源

電源系統(tǒng)可選用鋰電池組，相比于鉛酸蓄電池組，具有重量輕、體積小、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。

[1]賈巨民，關(guān)利贏，郝欣，常力欣.萬(wàn)向電動(dòng)叉車(chē)螺旋滾輪輪體設(shè)計(jì).叉車(chē)技術(shù).2010(2):7～10

[2]周京京，恃才洪，胡軍中，李春卉.全向自行式升降平臺(tái)行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì).起重運(yùn)輸機(jī)械[J].2013(6):51～55

[3]軍力一美科斯全方位移動(dòng)叉車(chē).物流技術(shù)(裝備版) [J].2011(1):78

[4]侯彬，李亞明.麥克納姆輪技術(shù)及其在船用輪式設(shè)備中的應(yīng)用.船舶工程[J].2011(3):84～87