本发明涉及一种叉车。

背景技术

全方位驱动是可以直接朝任意方向移动的一种 驱动方式， 全方位轮是一种在一个轮毂的周围均匀分布 若干辊轮的机构， 动力通过轮毂传动， 为主动轮， 辊轮安装在轮毂的外圆端面， 它的结构允许水平 360度 旋转。 全方位轮是实现全方位行走的基础。 全方位轮具有荷重范围广、 耐磨损、 耐冲击、 耐高 /低温、 防静 电、 抗老化、 避震、 抗腐蚀、 噪音小的优点。 将全方位轮与叉车结合起来， 改善了现有叉车移动不灵活、 效率低的不足。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足， 提供了一种全方位移动叉车。

为了解决上述技术问题， 本发明通过下述技术方案得以解决：

全方位移动叉车， 包括车架， 车架上设有四个驱动箱体和四个全方位轮， 车架上安装动力电池组和配 重。

作为优选， 车架上安装驾驶室， 车架前端悬挂有门架， 还包括综合控制器、 电机控制器、 驱动电机、 减速器、 CAN总线系统、 传感器以及信号输入端。

作为优选， 信号输入端与综合控制器相连， 综合控制器通过电缆与动力电池组相连， 动力电池组与四 个电机控制器相连， 电机控制器与驱动电机相连， 驱动电机与减速器相连， 减速器与全方位轮相连； 综合 控制器完成综合控制算法， 通过 CAN总线与电机控制器和传感器相连。 全方位移动平台应用 X-BY-Wire技 术， 提高平台的可靠性。 平台具有操纵杆直接控制和人机界面遥控两种 控制模式， 动力电池组通过电缆与 综合控制器及多个电机控制器相连， 为其提供电能； CAN总线将综合控制器、 电机控制器连在一起， 形成 信号控制网络； 综合控制器完成综合控制算法， 通过 CAN总线与电机控制器相连； 电机控制器通过三相电 缆、 传感器信号线与电机相连； 电机通过减速器驱动全方位轮转动。

作为优选， 所述综合控制器采用 DSP ( Di gi tal S i gnal Processing ) 包括 DSP主控单元， 完成综合控 制计算， 实施 4 X 4电驱动综合协调控制。 综合控制器采用 TMS320LF28XX系列的 DSP。 综合控制策略是利 用一种模型或算法对驾驶员输入的控制指令信 号进行解算， 求解出平台中四个驱动电机的速度， 实现平台 的全方位运动。 由于平台的每一种工况和运动方向需要四个全 方位轮具有相应的运动方向和速度组合， 因 此综合控制策略是一个复杂的解算过程， 采用神经网络方法实现综合控制策略的解算。 综合控制器在计算 出的各个驱动电机的速度后， 通过 CAN总线通信接口发送到电机控制器中， 由电机控制器完成电机的转速 控制， 从而实现多个全方位轮的协调运动。

作为优选， 所述综合控制器包括 PID ( Proport ion Integration Different iat ion ) 控制单元， 所述 驱动电机的控制系统采用速度环和电流环控制 模式。

Ae(k) = e(k) - e(k - l) _{( 1 )}

式中， 为实际轮速与指令轮速的偏差；

(3) 当 'Δ <υ， 'Δ τ_1)>υ时， 偏差绝对值朝减小的方向变化， 系统趋于稳定， 控制器 输出应不变。

(4) 当^ ^^^^， ^^^^-^^时， 偏差处于极值。

如果 > Μ ₂ ， 应实施较强控制作用：

u{k) = u{k-l) + k _l -k _p -e _m {k) ₍₄₎

如果 ( |<M ₂ ， 输出为：

u{k) = u{k-l) + k ₂ -k _p -e _m {k) ₍₅₎

(5)当 l ^e (^ ^≤f l时， 偏差很小， 此时加入积分， 减小稳态偏差。式（1)〜(5)中， 为偏差的第 个 极值； 为 PID控制的比例、积分、微分系数； 为增益放大系数， ^〉 ¹ ; 为抑制系数， ^{0< t2 <1} _;

^Ml 、 ^M2 为设定的偏差阈值； ^f 为较小的正实数， 以上参数均由专家经验取得。

作为优选， 所述综合控制器的综合控制策略采用神经网络 模型实现综合控制策略的解算， 所述神经网 络模型为单输入四输出的神经网络模型， 至少设有两层径向基。 控制器中信号输入接口电路对驾驶员给定 的方位信号进行滤波、 整形和转换； 转换后的方位信号送到运算单元经由神经网络 模型进行解算， 得到全 方位移动平台的移动方向与各全方位轮速度的 对应关系。

模型给定是这么规定的， 车辆向前为正方向， 行驶方向角逆时针为正方向， 给定为行驶方位角， 经过 模型计算后得到四个轮子的速度比值。

由神经网络模型对驾驶员的指令信号进行解算 ， 得到与指令信号相应的多个全方位轮驱动电机 的运动 方向和速度。

通过 CAN总线将四轮速度传送给电机控制器，控制电 机运行到期望的工作状态，实现平台的准确运 动。 全方位轮， 全方位轮包括轮毂和辊轮， 轮毂上设有辊轮支撑架， 辊轮支撑架中部安装在轮毂上， 辊轮 通过辊轮轴由两端支撑在辊轮支撑架上， 辊轮的辊轮轴线和轮毂的轮毂轴线呈 45° 夹角， 辊轮的外沿为渐 开线曲面。

作为优选， 轮毂上安装有八个辊轮支撑架， 定义与轮毂轴线相垂直的面为投影面， 八个辊轮支撑架上 的八个辊轮的外轮廓在所定义的投影面上的正 投影的外轮廓为一个整圆。 以平台的载荷能力、 全方位轮的 安装尺寸为基础， 以选用轴承的安装尺寸为约束条件， 利用 Mecanum轮的相关知识， 确定辊轮轴的尺寸以 及辊轮的外形轮廓图形， 并在由控加工中心中加工而成。 为了便于加工， 通过计算， 采用圆形， 其直径大 小在旋转 45度后与其在全方位轮上侧面投影基本吻合， 即投影为圆形， 这种设计方式改变了全方位轮原 理所要求的等速螺旋线方式， 其加工工艺性有了极大的改善， 保证了加工精度。 辊子表面 "渐开线"是在 辊子上逐渐展开的一种特殊的曲线， 它形成全方位轮外缘， 这个外缘是个圆， 它的准确计算是全方位平台 平稳行走的关键。

原来几种设计方法中， 有的将辊子的轮廓线用圆周的弧线代替， 或几个不同直径的圆弧连接代替。 采 用上述方法计算生成的辊子， 对其进行三维建模， 得到的全方位轮的轴向投影不是理论圆周， 辊子的末端 存在明显的 "凸起"， 造成了运动过程中轮子的颠簸， 这种全方位移动平台很难在工程中应用。

从轮毂轴向投影， 全方位轮外缘应该是一个圆， 即全方位轮的辊子的外表面必须包络形成一个 半径等 于轮半径的完整圆。 据此， 提出了综合设计的方法：

1.根据实际承重、 使用和安装要求， 确定轮子的半径和辊子的末端半径；

2.然后根据不干涉的原则计算辊子的数目；

3.兼顾考虑到辊子的承重性能和重合度， 计算得到辊子的轴长；

4.最后根据投影为理论圆周的要求， 设计辊子的中端半径， 并计算出构成圆的非线性渐开线。

在选取辊子数目时， 需要兼顾运动的连续性和不发生运动干涉， 选取辊子个数 ， 如果轮子运动连续 性比率系数 ， 则可以通过程序得到辊子的轮廓线， 在三维软件中得到轮子的整体图， 此时可以观察辊子 是否发生干涉。 若有的条件不满足， 则需要变换 ， 直至两个条件都满足要求， 设计的全方位轮基本参数 如表 1所示。

表 1 全方位轮的基本几何参数

按照本发明的技术方案， 全方位移动叉车能快速进行任意方向的准确移 它突破了传统车辆的运动方 式， 可在狭小的空间内进行卓有成效的工作， 搬运效率高， 单位时间内的吞吐量大， 仓库、 货舱有效存放 量高， 经济效益巨大。 更大的动力和机动性采用 4 x4电驱动技术， 全方位移动叉车能提供更大的动力， 承载更大的负荷， 行驶稳定性。

附图说明

图 1 为本发明的全方位移动叉车的结构示意图。

图 2 为本发明的总体结构图。

图 3为驱动电机及控制系统框图。

图 4 为综合控制方法神经网络模型。

图 5 为控制程序流程图。

图 6 为本发明的全方位轮的主视图。

图 7 为本发明的全方位轮的左视图。

图 8为本发明的轮毂的立体图。

图 9为本发明的辊轮支撑架的剖视图。

图 10为本发明的辊轮支撑架的立体图。

图 11为本发明的辊轮支撑架的底面立体图。

图 12 为本发明的辊轮的安装的剖视图。

图 13 为本发明的辊轮的剖视图。

图 14 为本发明辊轮轴的剖视图。

图 15 为本发明辊轮轴的安装右视图。

具体实施方式

下面结合附图 1-15与具体实施方式对本发明作进一步详细描� �：

全方位移动叉车， 使用全方位移动平台， 车架 509上侧安装驾驶室 505， 车架 509前端悬挂门架 508， 车架 509下方设有四个驱动箱体 504和四个全方位轮 117， 车架 509中间安装动力电池组 113， 车架 509 后方设有配重 502， 全方位移动平台包括综合控制器 112、 电机控制器 114、 驱动电机 115、 减速器 116、 全方位轮 117、 动力电池组 113、 CAN总线系统、 传感器 118以及信号输入端。

根据附图 2、 3、 4、 5， 信号输入端与综合控制器 112相连， 综合控制器 112通过电缆 121与动力电池 组 113相连， 动力电池组 113与四个电机控制器 114相连， 电机控制器 114与驱动电机 115相连， 驱动电 机 115与减速器 116相连，减速器 116与全方位轮 117相连；综合控制器 112完成综合控制算法，通过 CAN 总线与电机控制器 114和传感器 118相连。 全方位移动平台应用 X-BY-Wire技术， 提高平台的可靠性。 平 台具有操纵杆 119直接控制和人机界面 120遥控两种控制模式， 动力电池组 113通过电缆 121与综合控制 器 112及多个电机控制器 114相连， 为其提供电能； CAN总线将综合控制器 112、 电机控制器 114连在一 起， 形成信号控制网络； 综合控制器 112完成综合控制算法， 通过 CAN总线与电机控制器 114相连； 电机 控制器 114通过三相电缆 121、 传感器 118信号线与电机相连； 电机通过减速器 116驱动全方位轮 117转 动。 驱动电机 115的控制系统参见图 3所示。采用速度环和电流环控制模式。虚线� �围为综合控制器 112， 综合控制器 112内部的小回路为电流环控制模式； 整个外部大回路为速度环控制模式， 整个平台在综合控 制器 112的控制下， 依据驾驶员的意图， 平台在运动中实时调整 4个电机的转速和方向， 完成全方位移动 平台三自由度运动控制。

由于平台实时性要求很高， 因此采用专家 PID控制。

根据图 4， 综合控制策略是利用一种模型或算法对驾驶员 输入的控制指令信号进行解算， 求解出平台 中四个驱动电机 115的速度， 实现平台的全方位运动。 由于平台的每一种工况和运动方向需要四个全 方位 轮 117具有相应的运动方向和速度组合， 因此综合控制策略是一个复杂的解算过程， 采用神经网络方法实 现综合控制策略的解算。 综合控制器 112在计算出的各个驱动电机 115的速度后， 通过 CAN总线通信接口 发送到电机控制器 114中， 由电机控制器 114完成电机的转速控制， 从而实现多个全方位轮 117的协调运 动。 具体步骤如下：

( 1 ) 控制器中信号输入接口电路对驾驶员给定的方 位信号进行滤波、 整形和转换；

( 2 ) 转换后的方位信号送到运算单元经由本发明设 计的神经网络模型进行解算， 得到全方位移动平 台的移动方向与各全方位轮 117速度的对应关系。 该神经网络模型是本发明设计的单输入四输出 的三层径 向基神经网络模型。 模型第一层和第二层网络的权值和阈值是这样 设计的。

第一层： Weight RW1=0, RW2=20, RW3=40, RW4=80。

Bias= [0. 00023； 0. 00023； 0. 00023； 0. 00023]

第二层： Weight

W1S1=-52148808563 _; W1S2=150732646096 _; W1S3=- 121803923690; W1S4=23222322274 ₀

W2S1=-73434522019 _; W2S2=201294755608 _; W2S3=-155078462620 _; W2S4=27219282882。

W3S1=-52148808563 _; W3S2=150732646096 _; W3S3=- 121803923690; W3S4=23222322274。

W4S1=-73434522019 _; W4S2=201294755608 _; W4S3=-155078462620 _; W4S4=27219282882。

Bias= [-1490438； -703903 ; -1490438； -703903]。

模型给定是这么规定的， 车辆向前为正方向， 行驶方向角逆时针为正方向， 给定为行驶方位角， 经过 模型计算后得到四个轮子的速度比值。

( 3 ) 由神经网络模型对驾驶员的指令信号进行解算 ， 得到与指令信号相应的多个全方位轮 117驱动 电机 115的运动方向和速度。

( 4 )通过 CAN总线将四轮速度传送给电机控制器 114， 控制电机运行到期望的工作状态， 实现平台的 准确运动。

通过综合控制策略解算得到全方位行驶四轮速 度， 表 1为第一象限行驶速度表， 数值为四轮转速比例 值， 规定车辆向前和向右为正方向， 行驶方向角逆时针为正方向。

1 0 1 0 45 °

1 0. 087489 1 0. 087489 50。

1 0. 26795 1 0. 26795 60。

1 0. 46631 1 0. 46631 70。

1 0. 70021 1 0. 70021 80。 前进 1 1 1 1 90。

表 1

图 5所示为将控制算法转化成控制程序的流程。

新型全方位移动平台， 融合了全方位轮 117设计与制造、全方位移动计算机分布式控制 系统、 电驱动、 全方位运动控制、 平台底盘摇臂和整车设计等技术， 解决了大型工程机械应用全方位移动平台运行 振动、 操控性和全方位轮辊轮使用寿命等重大技术难 题。

全方位轮 117设计计算软件和工程化全方位轮 117。 研发了一套的轮毂直径、 辊轮个数、 辊轮外口直 径、 辊轮渐开线等多约束条件下的全方位轮 117设计计算软件， 解决了不同承重、 尺寸要求下， 全方位轮 117中辊轮组合后外缘精确成圆的设计难题， 在全方位轮 117设计计算的基础上， 进行了两端固定辊轮支 撑结构、 挂胶硬度、 组合轴承综合工程化设计， 解决了全方位轮 117行走振动、 承重、 耐磨的实际工程应 用的难题。

全方位移动平台的计算机分布式控制系统。研 制了基于 CAN总线的全方位移动平台分布式计算机控制 系统， 在综合控制器的控制下， 4个下位机对 4个全方位轮驱动电机分别进行双环伺服速度� �制， 解决了 每个全方位运动速度准确性的问题， 确保全方位移动平台精确运动和定位。

设计了适合全方位轮 117的底盘摆臂机构。进行了适合全方位轮 117的底盘摆臂机构及两端的平衡阻 尼器研制， 它可以使每个全方位轮 117在不平地面上始终处于着地状态， 解决了整个平台运行失控的且操 控性不好的问题， 摆动平衡阻尼器可以减少摆臂机构的摆动引起 的平台振动。

根绝附图 6、 7， 全方位轮 117， 包括轮毂 1和辊轮 3， 轮毂 1的外圆周均匀设有 8个安装斜槽 11， 安 装斜槽 11的方向和轮毂 1的轮毂轴线 100呈 45 ° 夹角。 安装斜槽 11上安装有辊轮支撑架 2， 全部辊轮支 撑架 2上的辊轮 3在全方位轮上侧面的投影形成一个整圆 334。 辊轮支撑架 2采用中间支撑方式安装在轮 毂 1上， 辊轮 3通过辊轮轴 4采用两端支撑方式安装在辊轮支撑架 2上， 辊轮 3的辊轮轴线 300和轮毂 1 的轮毂轴线 100呈 45 ° 夹角， 所述的辊轮 3的外沿 333为渐开线曲面。

根据附图 8， 轮毂 1采用铜铝合金加工， 并进行局部热处理以提高强度。 轮毂 1外圆周处均匀分布 8 个安装斜槽 11， 安装斜槽 11的斜槽底面 110设有至少一个安装孔 111， 安装斜槽 11对应轮毂 1的侧面也 设有至少一个安装孔 12， 安装斜槽 11的方向和轮毂 1的轮毂轴线 100构成 45 ° ， 使得万向轮更容易的转 换方向， 实现多方位的运动。 轮毂 1内侧有定位孔， 使其与电机减速器密切安装， 并通过螺栓连接紧固。 轮毂 1内侧为安装面， 外侧有加强筋， 从而在减少轮毂重量的同时提高其强度和韧性 。 辊轮支撑架 2与轮 毂中截面的交点均匀地分布在一个圆周上。

根据附图 9、 10、 11， 辊轮支撑架 2通过凹槽 24和螺钉和轮毂 1连接， 固定在安装斜槽 11上。 辊轮 支撑架 2的底板 21为圆弧状， 和辊轮 3的形状相配合， 底板 21两侧竖直设有两支撑臂 22， 支撑臂 22上 设有轴孔 23， 轴孔 23和辊子轴配合安装， 底板 21下方设有底槽 25， 底槽 25和安装斜槽 11的方向一致， 底槽 25的两侧设有筋板 26。 底板 21的底槽 25和辊轮主体 32的安装斜槽 11相配合安装。 安装的时候， 底槽 25和安装斜槽 11相嵌合， 底槽侧面 251的安装孔 252和轮毂 1侧面的安装孔 12配合连接， 底槽顶 面 253的安装孔 254和安装斜槽底面 110的安装孔 111配合连接， 这样， 将辊轮支撑架 2固定在辊轮主体 32上。 辊轮支撑架 2的内表面 241对应底槽 25的部分设有一个凹槽 24。 此凹槽 24深度与螺钉外露的头 的高度一致， 保证螺钉在安装孔 254上紧固后， 不会因为高出螺钉头的高度影响辊轮的转动， 对辊子的转 动产生干涉。

根据附图 12、 13、 14、 15， 辊轮 3外沿采用渐开线轨迹， 这样辊轮在轮毂侧面投影轮廓线为一正圆。 辊轮 3为一个整体， 中部的直径大于两边的直径， 辊轮 3包括辊轮主体 32和辊轮外套 31。 辊轮主体 32的 外廓以辊轮外套 31为依据， 均匀减小一定尺寸， 增加与辊轮外套 31配合的紧密性， 可以增加一定的镶嵌 槽。 辊轮主体 32各部分的厚度一致， 辊轮主体 32外层为辊轮外套 31， 辊轮外套 31的内外表面通过开模 完成， 其材质为浇注型聚氨酯弹性体， 也可以采用橡胶制成。 辊轮主体 32内部设有空腔 33， 空腔 33的设 置即节约了材料又增加了辊轮的弹性。 辊轮主体 32两端对称有轴承腔 34， 轴承腔 34内设有内凸台 321， 内凸台 321上设有轴孔 322。两端的轴承腔 34内置有轴承 5，辊轮轴 4穿过轴承 5和内凸台 321的轴孔 322 支承辊轮。 用于支撑辊子的辊轮轴 4一端设有凸台 41， 凸台 41包括第一凸台 401和第二凸台 402， 另一 端设有沉头螺紋孔 42。辊轮轴 4上的第一凸台 401与辊轮支撑架 2配合定位， 第二凸台 402与轴承 5配合 定位。 另一端的沉头螺紋孔 42和螺钉 6配合固定锁片 7。 锁片 7中部设有螺钉孔， 对应螺钉孔的大小设有 螺钉槽 71， 锁片 7上还设有至少两个小螺钉孔， 锁片 7内表面还设有突出的内圆环 72。 辊轮轴 4支撑在 辊轮支撑架 2上面， 设有沉头螺紋孔 42的辊轮轴 4端与内圆环 72配合， 内圆环 72与辊轮支撑架 2接触， 通过螺钉 6将锁片 7固定在辊轮支撑架 2上， 同时固定辊轮轴 4。 螺钉孔卡住螺钉 6， 防止螺钉 6旋转、 松动， 再通过小螺钉 61固定紧固， 保证辊轮轴 4的安全使用， 将辊轮轴 4固定起来， 防止辊轮轴 4松动 而导致辊轮 3脱落造成事故。 辊轮主体 32厚度均匀一致， 保证辊轮 3使用受力的时候各处所受的应力一 致， 不会导致受力不均而产生破裂， 因不平衡而产生辊轮 3滚动跳动， 导致使用万向轮的设备晃动。

辊轮 3的外形轮廓图形以及辊轮轴 4的尺寸， 以平台的载荷能力、 全方位轮 117的安装尺寸为基础， 以选用轴承的安装尺寸为约束条件， 利用 Mecanum轮的相关知识， 确定并在机械加工绘图软件中用若干段 圆弧近似等速螺旋线， 并在数控加工中心中加工而成。 为了便于加工， 通过计算， 采用圆形， 其直径大小 在旋转 45度后与其在全方位轮 117上侧面投影基本吻合， 即投影为圆形， 这种设计方式改变了全方位轮 117原理所要求的等速螺旋线方式， 其加工工艺性有了极大的改善， 保证了加工精度。

根据附图 1， 全方位移动叉车， 包括四个驱动箱体 504， 及四个全方位轮 117， 控制器 503安装在配重 502后内侧， 车身中间安装动力电池组 113， 上侧安装驾驶室 505， 驾驶室 505内设有座椅 501， 座椅 501 右手柄 507为万向控制手柄， 通过右手柄 507可以控制车体前后行走， 左、 右、 横向及斜 45 ° 行走等。 由 动力电池组 113作为动力源， 车架 509前端悬挂门架 508， 通过左手柄 506可以实现叉车起升、 下降、 倾 斜等动作。

配备全方位轮 117实现叉车横向移动， 对搬运物料非常方便。 经综合控制器 112传输信号给四个电机 控制器 114， 以达到控制四电机动作， 实现叉车原地旋转。 叉车斜 45 ° 行走， 通过万向控制手柄， 经综合 控制器 112传输信号给四个电机控制器 114， 以达到控制四电机动作， 实现叉车斜 45 ° 行走。

全方位移动叉车采用后摆臂、 悬挂式， 使得斜坡行走时其操控性更好， 防止打滑及操控失灵。 后车架 510 整体， 通过轴头 511与车架 509连接， 当全向车在颠簸路面上行驶， 后车架 510整体以轴头 511为支点上 下摆动， 以达到整车与地面接触更多， 在上下摆动时， 补偿垫 512被压缩， 增加车辆的平稳性，， 使其整 车稳定性加强。