一种全方位移动集装箱搬运物流车的制作方法

本发明涉及一种集装箱的搬运车，尤其是涉及一种全方位移动集装箱搬运物流车。

背景技术：

目前集装箱的码垛作业一般由传统叉车完成，而传统叉车包括货叉和车体，目前叉车的主要结构类型为货叉位于车体的前方致使叉车系整体长度偏长，对于大型集装箱搬运时转弯不方便。另一方面，悬臂梁结构的货叉单端受力，而货叉一般又较长，会在货叉的受力处出现较大的应力集中，减少货叉寿命。且目前集装箱叉车堆码层数较低，使堆场面积和高度的利用率低。

技术实现要素：

本发明以集装箱搬运为背景，针对传统的集装箱叉车存在转弯半径大、运动灵活性差、货叉寿命低和空间利用率低等问题，本发明的目的在于提供一种可实现全方位移动的适应多种型号集装箱搬运的支撑臂式叉车，采用采用四个独立驱动的杯形滚子全向轮，实现叉车的全向运动，结合带有可伸缩式货叉的多级叉车门架系统，实现四层集装箱的搬运。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明包括靠板、支撑臂、多级起升叉车门架和独驱全向轮部件；左右两个支撑臂分别连接在靠板的两侧并分别从靠板左右两侧向车前方延伸，每个支撑臂内侧面开设有竖直的条形凹槽，多级起升叉车门架安装于支撑臂条形凹槽中；集装箱位于靠板前方并位于左右两个支撑臂之间，被多级起升叉车门架支承抬升；支撑臂底部均安装有全向轮部件，全向轮部件将支撑臂支撑连接于地面；每个支撑臂包括固定支撑臂、支撑臂伸缩杆和可动支撑臂；可动支撑臂通过支撑臂伸缩杆与固定支撑臂一端可伸缩地连接，两个支撑臂的固定支撑臂另一端分别固定安装于靠板左右对称两侧，两个支撑臂的可动支撑臂向车前方延伸，通过支撑臂伸缩杆的伸缩来调节支撑臂整体长度以适应不同尺寸的集装箱。

所述的多级起升叉车门架包括门架底座、外门架、二级液压伸缩缸、中门架、起升链条、货叉、叉架、起升链轮、内门架和侧向滚轮；外门架固定于支撑臂的条形凹槽中，中门架通过滚轮滑道机构安装在外门架中并上下相对自由移动，内门架通过滚轮滑道机构安装在中门架中并上下相对自由移动，叉架通过滚轮滑道机构安装在内门架中并上下相对自由移动；所述的滚轮滑道机构包括侧向滚轮和条形滑槽，叉架、内门架、和中门架两侧均安装有侧向滚轮；内门架、中门架和外门架内侧米开设有条形滑槽；起升链轮安装于内门架顶部，起升链轮上绕有起升链条，起升链条一端固定在中门架顶部，另一端固定在叉架顶部，货叉安装在叉架底部并可水平伸缩移动。

所述的独驱全向轮部件包括四个轮轴均朝向车身底座中心的独立驱动的全向轮，每个独立驱动的全向轮主要由全向轮滚子、滚子轴承、滚子短轴、夹环、滚子支架、阻尼器、减震弹簧、编码器、无刷直流电机、l形减速器、全向轮叉架构成，夹环沿圆周方向开有环形凹槽，滚子支架内端设有与环形凹槽弯曲弧度相匹配的凸台，多个滚子支架沿夹环的完整圆周依次通过各自的凸台嵌在夹环的环形凹槽内形成全向轮的轮毂，多个滚子支架的外端沿同一周向方向弯折并以螺旋形式均匀排列在夹环的周围，滚子支架外端弯折处的末端均固定连接滚子短轴的一端，每个滚子短轴外通过一对滚子轴承转动连接有全向轮滚子；相邻的滚子支架的外端之间具有间隙，全向轮滚子的内圈位于相邻两个滚子支架外端之间的间隙处，每个滚子短轴的另一端嵌入与自身所连接的全向轮滚子相邻的全向轮滚子端面的槽中，多个全向轮滚子的端部依次首尾相互嵌装使得所有全向轮滚子组成的外轮廓线包络成一个完整的圆，全向轮通过轴与全向轮叉架转动连接，全向轮叉架的一侧面依次竖直固定有l形减速器、无刷直流电机及编码器，无刷直流电机的输出轴经l形减速器和全向轮通过轴连接，全向轮通过轴和独驱全向轮部件的夹环同轴固定连接，全向轮叉架上方固定安装有减震轴，减震轴外套有减震弹簧，减震轴的四周设有四个相互平行的阻尼器，阻尼器的上端和减震轴的上端共同连接到支撑臂的下表面。

所述的固定支撑臂和可动支撑臂内侧面中央均开设有竖直的条形凹槽，每个条形凹槽均安装有一个多级起升叉车门架。

所述的固定支撑臂和可动支撑臂底部均安装有一个全向轮部件，四个全向轮部件独立驱动且轴向与车前方方向成45°。

所述的叉架底部设有滑槽，货叉通过电磁机构安装在滑槽中，货叉通过电磁控制实现在叉架中的伸缩滑动。

所述的全向轮滚子为具有大小端的杯体结构，杯体结构的大小端之间的外轮廓线为弧线。

所述靠板上设有驾驶操作室，驾驶操作室朝向前方的一侧设置视窗。

所述物流车用于承载搬运集装箱。

本发明用于承载搬运目标集装箱。支撑臂为可伸缩式，实现不同型号集装箱的搬运；多级起升叉车门架可以实现集装箱的四层堆码；四个杯状滚子全向轮轴向与车身方向成45°对角安装，实现叉车的全方位移动。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明相比于传统叉车，能够在当前位置沿着任意方向的路径移动，具有零转弯半径、运动灵活及空间利用率高等优点。

2、本发明通过带有可伸缩式货叉的多级叉车门架系统，可以实现集装箱的四层堆码，提高空间利用率；且减少货叉应力集中，提高货叉寿命。

3、本发明的杯状全向轮设计巧妙，结构简单，制造简单，易于工程实现。

附图说明

图1是本发明的叉车三维图。

图2是本发明的叉车支撑臂展开示意图。

图3是本发明的多级叉车门架位于最低处三维爆炸图。

图4是本发明的多级叉车门架位于最低处的侧视图。

图5是本发明的多级叉车门架起升到最高处三维爆炸图。

图6是本发明的多级叉车门架起升到最高处的侧视图。

图7是本发明的全向轮剖视图。

图8是本发明的独驱全向轮三维图。

图9是本发明的俯视图。

图10是多级叉车门架系统的工作过程状态图。

图11是轮系表示示意图(车体中心与轮子中心的速度关系)。

图12是具体实施中四轮排列不具方式的示意结构图。

图中：1、靠板，2、支撑臂，3、多级起升叉车门架，4、独驱全向轮部件，1.1、驾驶操作室，1.2、视窗，2.1、固定支撑臂，2.2、支撑臂伸缩杆，2.3、可动支撑臂，3.1、门架底座，3.2、外门架，3.3、二级液压伸缩缸，3.4、中门架，3.5、起升链条，3.6、货叉，3.7、叉架，3.8、起升链轮，3.9、内门架，3.10、侧向滚轮，4.1、全向轮滚子，4.2、滚子轴承，4.3、滚子短轴，4.4、夹环，4.5、滚子支架，4.6、阻尼器，4.7、减震弹簧，4.8、编码器，4.9、无刷直流电机，4.10、l形减速器，4.11全向轮叉架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括靠板1、支撑臂2、多级起升叉车门架3和独驱全向轮部件4；左右两个支撑臂2分别连接在靠板1的两侧并分别从靠板1左右两侧向车前方延伸，每个支撑臂2内侧面开设有竖直的条形凹槽，多级起升叉车门架3安装于支撑臂2条形凹槽中；集装箱位于靠板1前方并位于左右两个支撑臂2之间，被多级起升叉车门架3支承抬升。

如图1所示，靠板1上设有驾驶操作室1.1，驾驶操作室1.1朝向前方的一侧设置视窗1.2，驾驶员在驾驶操作室1.1中通过视窗1.2看到两支撑臂2中间的空间。视窗1.2为透明材料制成。

如图2所示，支撑臂2底部均安装有全向轮部件4，全向轮部件4将支撑臂2支撑连接于地面；每个支撑臂2包括固定支撑臂2.1、支撑臂伸缩杆2.2和可动支撑臂2.3；可动支撑臂2.3通过支撑臂伸缩杆2.2与固定支撑臂2.1一端可伸缩地连接，支撑臂伸缩杆2.2平行于车前方向，两个支撑臂2的固定支撑臂2.1另一端分别固定安装于靠板1左右对称两侧，两个支撑臂2的可动支撑臂2.3向车前方延伸，支撑臂2通过支撑臂伸缩杆2.2的伸缩来调节支撑臂2整体长度以适应不同尺寸的集装箱。

固定支撑臂2.1和可动支撑臂2.3内侧面中央均开设有竖直的条形凹槽，每个条形凹槽均安装有一个多级起升叉车门架3。

如图3～图6所示，多级起升叉车门架3包括门架底座3.1、外门架3.2、二级液压伸缩缸3.3、中门架3.4、起升链条3.5、货叉3.6、叉架3.7、起升链轮3.8、内门架3.9和侧向滚轮3.10；外门架3.2固定于支撑臂2的条形凹槽中，中门架3.4通过滚轮滑道机构安装在外门架3.2中并上下相对自由移动，内门架3.9通过滚轮滑道机构安装在中门架3.4中并上下相对自由移动，叉架3.7通过滚轮滑道机构安装在内门架3.9中并上下相对自由移动；门架底座3.1固定于外门架3.2底部，二级液压伸缩缸3.3缸体安装在门架底座上3.1，二级液压伸缩缸3.3缸杆固定在内门架3.9上；中门架3.4安装在外门架3.2上并通过侧向滚轮3.10在外门架3.2设有的滑道上移动；内门架3.9安装在中门架3.4上，并通过侧向滚轮3.10在中门架3.4设有的滑道上移动；叉架3.7连接在内门架3.9上，并通过侧向滚轮3.10在内门架3.9设有的滑道上移动。

滚轮滑道机构包括侧向滚轮3.10和条形滑槽，叉架3.7、内门架3.9、和中门架3.4两侧均安装有侧向滚轮3.10；内门架3.9、中门架3.4和外门架3.2内侧米开设有条形滑槽；起升链轮3.8安装于内门架3.9顶部，起升链轮3.8上绕有起升链条3.5，起升链条3.5一端固定在中门架3.4顶部，另一端固定在叉架3.7顶部，货叉3.6安装在叉架3.7底部并可水平伸缩移动。叉架3.7底部设有滑槽，，在叉架内设置有电磁伸缩杆机构，电磁伸缩杆的活动端固定连接在货叉3.6的滑槽内；当电磁伸缩机构控制伸缩杆动作时，即可带动货叉3.6运动从而实现货叉3.6在叉架中的伸缩运动；叉车门架系统在未提升集装箱时，电磁伸缩杆处于收缩状态，使得货叉也处于收缩状态。

如图10所示，多级叉车门架系统工作过程：集装箱位于两抱臂2中间时，多级门架系统的货叉3.6伸出到集装箱底部，此时门架系统状态如图10(a)所示；然后二级液压伸缩缸3.3中的第一级液压缸工作，推动内门架3.9向上运动，同时通过起升链条3.5拉动货叉3.6向上运动从而提升集装箱；二级液压伸缩缸3.3中的第一级液压缸到达极限位置时，门架系统状态如图10(b)所示；接着二级液压伸缩缸3.3中的第二级液压缸工作，继续推动内门架3.9向上运动，同时通过起升链条3.5另一端拉动中门架3.4向上运动，使得集装箱能够继续提升，此过程门架系统状态如图10(c)所示；当二级液压伸缩缸3.3中的第二级液压缸到达极限位置时，门架系统达到最大提升高度位置，此时门架系统状态如图10(d)所示。

如图7所示，全向轮部件4包括四个轮轴均朝向物流车中心的独立驱动的全向轮，且四个轮的轴向与车前方方向成45°。每个独立驱动的全向轮主要由全向轮滚子4.1、滚子轴承4.2、滚子短轴4.3、夹环4.4、滚子支架4.5、阻尼器4.6、减震弹簧4.7、编码器4.8、无刷直流电机4.9、l形减速器4.10、全向轮叉架4.11构成。全向轮滚子4.1为具有大小端的杯体结构，杯体结构的大小端之间的外轮廓线为弧线。

如图7所示，夹环4.4沿圆周方向开有环形凹槽，滚子支架4.5内端设有与环形凹槽弯曲弧度相匹配的凸台，多个滚子支架4.5沿夹环4.4的完整圆周依次通过各自的凸台嵌在夹环4.4的环形凹槽内形成全向轮的轮毂，多个滚子支架4.5的外端沿同一周向方向弯折并以螺旋形式均匀排列在夹环4.4的周围，滚子支架4.5外端弯折处的末端均固定连接滚子短轴4.3的一端，每个滚子短轴4.3外通过一对滚子轴承4.2转动连接有全向轮滚子4.1，相邻的滚子支架4.5的外端之间具有间隙，全向轮滚子4.1的内圈位于相邻两个滚子支架4.5外端之间的间隙处，每个滚子短轴4.3的另一端嵌入与自身所连接的全向轮滚子4.1相邻的全向轮滚子4.1端面的槽中，所有滚子短轴4.3的轴线均沿全向轮旋转方向倾斜向外布置，多个全向轮滚子4.1的端部依次首尾相互嵌装使得所有全向轮滚子4.1组成的外轮廓线包络成一个完整的圆。

如图8所示，全向轮通过轴与全向轮叉架4.11转动连接，全向轮叉架4.11的一侧面依次竖直固定有l形减速器4.10、无刷直流电机4.9及编码器4.8，无刷直流电机4.9的输出轴经l形减速器4.10和全向轮通过轴连接，全向轮通过轴和独驱全向轮部件4的夹环4.4同轴固定连接，l形减速器4.10、无刷直流电机4.9及编码器4.8构成全向轮的驱动模块，全向轮叉架4.11上方固定安装有减震轴，减震轴外套有减震弹簧4.7，减震轴的四周设有四个相互平行的阻尼器4.6，起到减震作用，阻尼器4.6的上端和减震轴的上端共同连接到固定支撑臂2.1和可动支撑臂2.3的底面。

具体实施中，全向轮滚子4.1为具有大小端的杯体结构，杯体结构的大小端之间的外轮廓线为弧线。

如图9所示，固定支撑臂2.1和可动支撑臂2.3底部均安装有一个全向轮部件4，四个全向轮部件4独立驱动且轴向与车前方方向成45°。

每个全向轮部件4中，无刷直流电机4.9驱动夹环4.4旋转。由于夹环4.4周围的滚子支架4.5上的全向轮滚子4.1是绕滚子短轴4.3自由旋转，因此在无刷直流电机4.9驱动四角的四个全向轮部件4中的夹环4.4旋转时，能带动全向轮部件4中与地面接触的全向轮滚子4.1绕滚子短轴4.3旋转，通过四个无刷直流电机的转动配合，全向轮滚子4.1与地面摩擦力的组合可使得物流车沿任意方向移动即实现全方位移动。

当控制无刷直流电机4.9驱动四个全向轮部件4中的夹环4.4旋转时，带动两侧支撑臂2刚性体结构水平面平移；当控制无刷直流电机4.9驱动四个全向轮部件4中的夹环4.4旋转时，带动两侧支撑臂2刚性体结构水平面自转。

以全向轮叉架4.11转动作为轮子，以全向轮滚子4.1转动作为棍子，建立轮系，以下结合具体实施原理作说明：以轮i为例说明，设xmoym为固定于移动机器人车体中心的坐标系，x′oiy′为固定于轮子i中心的坐标系，(lcosβi,lsinβi,αi)表示oix′y′对xmoym的位姿，如图11所示。

设(vx,vy,ω)为车体中心在xmoym中的广义速度，(v′ix,v′iy,ω′i)表示轮子中心oi在x′oiy′中的广义速度，(vix,viy,ωi)表示oi在o中的广义速度，设为轮子i的旋转速度，为辊子的速度，θ、ω分别为车体绕o点的转角和角速度，ri为轮子i的半径，rr为辊子的半径。

根据轮子中心在xmoym的速度关系得：

同理，根据轮子中心在x′oiy′中的速度关系得：

由式(1)、式(2)得：

还有：

代入式(3)中，消去(vix,viy,ωi)，可得车体速度与轮子速度的关系式：

其中：

式(5)可以表示为：

因为轮子速度是可控的，辊子的速度是不可控的，所以建立的运动学方程考虑的是车体的速度与轮子的速度之间的关系，可以得到系统的逆运动学方程为：

式(7)中k表示车体中轮子的数量，r为逆运动学矩阵，最后可求得：

全方位移动系统实现全方位运动的必要条件是雅可比矩阵r列满秩。常见的四轮对称分布有以下几种排列方式如图12所示。

计算四种情况下逆运动学矩阵r的秩，第1、4种排布方式r列不满秩，不满足全方位运动的条件，第1种排布方式不能实现xm方向上的运动，第4种排布方式不能实现原地旋转。第2种、第3种的列满秩，满足全方位运动的条件。其中，第3种排布方式可以由第2种排布方式通过坐标旋转得到，所以第2种、第3种排布方式本质上是相同的。所以本系统选择第2种排布方式以实现系统的全方位运动。

本发明的工作过程如下：

装货过程：首先物流车移动到集装箱附近的预定地点，靠板1的驾驶操作室1.1正对集装箱，通过支撑臂伸缩杆2.2控制固定支撑臂2.1和可动支撑臂2.3距离相分离，并通过四个全向轮部件4带动物流车向集装箱移动，使得集装箱位于左右两个支撑臂2之间，左右两个支撑臂2的固定支撑臂2.1和可动支撑臂2.3均位于集装箱侧方。两个支撑臂2之间的距离正好为一个集装箱的宽度。

此时开始，多级起升叉车门架3位于最低处，如图3和图4所示。多级起升叉车门架3中，通过二级液压伸缩缸3.3带动叉架3.7从地面抬升到集装箱底面，叉架3.7接触到集装箱底面后二级液压伸缩缸3.3继续驱动工作支撑集装箱抬起。抬起后，再通过四个全向轮部件4搬动物流车移动，实现装货搬运。

物流车可启动四个独驱全向轮部件4在不改变车体姿态的情况下实现灵活的全向行走，可以更快速地拾取集装箱，相比于传统物流车，本发明的物流车可在当前位置沿着任意方向的路径移动，具有零转弯半径、运动灵活及空间利用率高等优点，提高了物流车的装货效率。

卸货过程为装货过程的反向过程，本发明采用四个独立驱动的杯形滚子全向轮，实现物流车的全向运动，自动化程度高。

由此实施可见，本发明具有零转弯半径、运动灵活、实现集装箱的多层堆码、提高空间利用率及物流车寿命等优点。