文/高 波 贾巨民 高国强

一、万向移动机械运动原理

针对狭小作业空间，人们开发出了多种行动灵活的万向移动机械。该类机械实现万向移动的方式主要有两种，一种为通过偏转普通车轮实现转向，另一种为基于Mecanum螺旋滚轮的运动合成实现整车的万向移动。

Mecanum螺旋滚轮是瑞典人Bengt Ilon在1973年发明的，因为他当时为Mecanum AB公司的一名工程师而得此名[1]。

图1 Mecanum螺旋滚轮

Mecanum螺旋滚轮如图1所示，由轮毂、滚轮两部分组成，滚轮可以自由旋转，从车轮轴向看，所有滚轮的外廓线都在车轮的圆周上。当车轮旋转时相当于一个普通车轮的纯滚动，只是车轮与地面的接触点在车轮轴向周期性变化。在车轮底盘上按一定规律布置三个或四个Mecanum螺旋滚轮车轮可以实现整车的万向移动，现有机械中大多为四支点结构。

图2为Mecanum螺旋滚轮车轮和普通车轮实现万向移动原理对比。图中实心箭头方向为车轮与地面的相对运动方向，空心箭头方向为车辆运动方向。

从图2中可以看出，普通车辆要实现万向运动，其车轮必须按照一定的规律偏转。该类机械主要通过机械、液压系统传递运动和动力，结构相对简单、由方向盘控制方向，操作相对容易，但传动链过长，传动精度差，可靠性较低，日后维护工作量大。

Mecanum螺旋滚轮车辆由电控系统通过电机和减速机控制各个车轮的旋转方向和速度，通过运动复合实现在平面范围内任意方向的移动。具有操控方便，结构相对紧凑，运动精度及可靠性较高等特点。

二、国外万向移动搬运机械运用现状

目前很多厂家针对场地狭小的仓储搬运领域研发出多种万向移动机械。其万向移动原理按图2所示分为两类。

图2 普通车轮与Mecanum螺旋滚轮万向运动原理对比

图3 AIRTRAX叉车

图4 美军万向搬运平台

采用偏转车轮万向移动原理的搬运机械有日本TCM生产的ACROBA叉车，如图3所示，其四轮可旋转90度，从而实现侧向行驶，提高了叉车的机动性，提高库房利用率。此类叉车中还有COMBILIFT公司的四向叉车，如图4所示。德国XELAN公司还生产出一种能够万向行驶的侧面叉车，也采用偏转车轮转向方式。

相对于偏转车轮的万向移动方式而言，基于Mecanum螺旋滚轮的万向移动搬运机械则有很多种，大体可分为叉车、搬运平台、起升平台三类。

1.叉车

最早的万向移动叉车在Mecanum螺旋滚轮发明后就被设计出来。

1997年美国AIRTRAX公司联合其他公司购得该专利的使用权，并研发出叉车、手动托盘搬运车、万向移动升降平台等产品，图3为AIRTRAX公司生产的SIDEWINDER系列万向叉车。该叉车额定载荷3000磅，采用三级门架，动力源为48V铅酸蓄电池，最高车速9.6km/h，采用全交流驱动，通过手柄控制车辆行驶方向和速度。

2.搬运平台

以Mecanum螺旋滚轮作为搬运平台的传动机构或行走机构，可以使搬运平台上的物资实现万向移动，或使搬运平台具备万向移动功能。

最早的搬运平台由美国海军研制，其设计意图是提供一种能在航母等大型水面舰船上使用的物资载运工具，如图4所示。

其后，人们利用Mecanum螺旋滚轮的万向运动原理研制出来机场使用的万向装卸平台，如图4所示。该平台不可以万向移动，而平台上的物资可以在万向滚轮的支撑下万向移动。

3.起升平台

图5 MIAG万向升降平台

图6 军事交通学院万向叉车

图7 军事交通学院万向升降平台

起升平台是在搬运平台的基础上发展起来的，在保留搬运平台万向移动功能的基础上，又增加了举升功能。图5为德国MIAG公司制造的万向起升平台，该平台主要为空客等大型飞机安装发动机等大型零部件，具有移动平稳、灵活，举升能力强等特点。

美国AIRTRAX公司生产了COBRA万向移动起升平台，该平台最大载荷1000磅，最大起升高度可达30英尺，在平台举升状态下，能够以0.8km/h的速度缓慢、平稳移动。

三、国内万向搬运机械现状

国内针对万向移动机构的研究始于上世纪90年代，但大多集中在Mecanum螺旋滚轮在机器人领域的应用研究。进入本世纪，万向移动机构在搬运机械领域的应用研究开始多了起来，国内先后有多家科研院所、企业针对Mecanum螺旋滚轮在搬运机械领域的应用展开研究，并开发出多种产品，有些已经推向市场。

图6为总后军事交通学院和安徽江淮银联重型工程机械有限公司合作开发的万向蓄电池叉车，该车行走机构采用Mecanum螺旋滚轮，由手柄控制行走方向与速度，采用全交流电机驱动，动力强劲，可靠性高，控制方便。适于箱装物资在狭窄场所的装卸搬运及拆码垛作业，能够显著提高库房的容积利用率。

图7为总后军事交通学院与浙江美科斯叉车有限公司合作研发的万向移动升降平台[2]。该平台在Mecanum螺旋滚轮底盘的基础上增加了起升机构，能够精确行走和定位，可广泛应用于平整场所高空设备的安装和维修工作。

解放军装甲兵工程学院与浙江美克斯叉车有限公司合作研发出全向叉车及移动平台，已经多次参加各种物流仓储机械展会[3]。该车行走系统和液压起升系统分别由手柄控制，操纵方便，移动灵活。

针对转运空间有限、作业通道狭窄、路径复杂、姿态调整频繁的舰船环境，郑州中船重工七一三所研制了采用结构优化的Mecanum螺旋滚轮、铰接式车架、紧凑的传动系统及全交流驱动方案的全方位叉车和全方位转运车[4]。

此外，还有青岛台励福叉车、上海维登叉车等公司均推出了基于偏转车轮或Mecanum螺旋滚轮原理的万向移动搬运机械。

四、万向移动搬运机械发展趋势

纵观国外、国内万向移动搬运机械的发展历程及综合技术特点，笔者认为有如下几方面发展趋势：

1.广泛采用Mecanum螺旋滚轮车轮

相对于偏转车轮转向方式，Mecanum螺旋滚轮车轮结构紧凑、传动可靠、控制精度高，其应用范围正逐步扩大。

2.采用全交流驱动控制技术

万向移动机械广泛采用全交流电机及其驱动控制技术，具有动力强劲、结构简单、免维护的特点，符合当今蓄电池机械驱动技术的发展方向。

3.采用CAN总线技术

万向移动机械控制手柄、中央控制器、电机控制器、仪表间采用CAN总线进行通信，整体结构简单，中间环节少，可靠性高，精度和实时性好。

4.应用多种控制及驱动方式

现有万向运动机构及相关技术不仅能应用于仓储装卸搬运机械领域，还可通过将手控改为遥控或线控操纵，将电机驱动改为液压马达驱动，加装防爆装置改进设计，将该技术推广到防爆、排爆、交通、医疗、玩具等特殊领域中。

5.采用先进动力源

电源系统可选用锂电池组，相比于铅酸蓄电池组，具有重量轻、体积小、寿命长的优点。

[1]贾巨民，关利赢，郝欣，常力欣.万向电动叉车螺旋滚轮轮体设计.叉车技术.2010(2):7～10

[2]周京京，恃才洪，胡军中，李春卉.全向自行式升降平台行走机构的设计.起重运输机械[J].2013(6):51～55

[3]军力一美科斯全方位移动叉车.物流技术(装备版) [J].2011(1):78

[4]侯彬，李亚明.麦克纳姆轮技术及其在船用轮式设备中的应用.船舶工程[J].2011(3):84～87