CN101417586A - 一种全向轮结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全向轮结构设计方法，属于移动机器人控制领域。将全向轮的轮毂采用内外两层且交替错开45度角排列结构，避免了轮毂一体化带来的安装困难。外轮毂支架，内轮毂支架中间夹着垫块，内外轮毂支架上分别连接纺锤体小轮，本发明使整个轮毂支架具有较好的弹性，安装方便。从动轮采用支撑套筒和橡胶硫化的一体结构，保证了全向轮运动的精度。采用本发明研制成功的全向轮运动平稳，具有结构紧凑，环境适应性强的特点。

Description

一种全向轮结构

技术领域

本发明涉及移动机器人控制领域，特别涉及一种全向轮结构。

背景技术

全向移动机器人具有全向运动能力的关键在于其全向轮系结构。全向轮系的基本构造是大轮边缘套有侧向小轮，这样机器人在横向移动时始终保持与地面为滚动摩擦，大大减少移动阻力。目前，全向轮结构主要有2种。一种为互补结构，这种结构运行稳定，始终有一个小轮的边缘可以着地，轮子的宽度较宽，承载能力强，但会给空间布局带来一定影响，另外着地点会内外交错，这样对机器人的旋转会造成非线性影响，使机器人在运动方向上有所偏移。另外一种是非互补结构，大轮外缘使用较多的小轮，这种结构轮子的宽度可以比较小，并且着地点始终在一个圆上，不会对机器人带来非线性影响，但是，由于2个小轮之间有间隙，所以轮子的直径在运动中会有变化，机器人的上下振动会比较大，并且其承载能力不如前一种结构大。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术不足，提供一种全向轮结构，本发明能够减少机器人旋转时的非线性影响，提高全向轮的承受能力，保证机器人运行时的精度和平稳性。

本发明提供全向轮结构设计方法。全向轮支承部分采用内外交错成45度角的内外两层互补轮毂结构，内外轮毂支架边缘开有U型小槽，通过螺母将纺锤体小轮固定在内外层轮毂支架上。内外两层纺锤体小轮之间得重叠角度超过5度。内外轮毂之间夹有垫块，三者通过螺栓进行连接。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明包括外轮毂支架，内轮毂支架，垫块，纺锤体小轮，外轮毂支架，内轮毂支架成45度角错开，中间夹着垫块，内外轮毂支架上分别连接纺锤体小轮。

所述的纺锤体小轮由支撑轴，支撑轴承，轴承支撑盖，支撑套筒，纺锤体外圈组成，支撑轴连接支撑套筒，支撑套筒的两端安装支撑轴承，支撑轴承与轴承支撑盖连接，支撑套筒外连接纺锤体外圈，纺锤体外圈和支撑套筒采用橡胶硫化一体结构，在内外轮毂支架边缘的压力下通过轴承支撑盖将轴承紧固。

内外轮毂支架上的纺锤体小轮交替重叠部分范围5～6度；

内外轮毂支架通过内六脚螺钉进行连接。

内轮毂支架边缘处开有U型小槽，内外轮毂支架上分别连接纺锤体小轮，通过螺母将纺锤体小轮固定在内外轮毂支架上。

本发明在保证纺锤体小轮不发生干涉的约束下，尽可能的提高纺锤体小轮交替时的重叠度，通过在轮毂上开U型槽的设计，使轮毂具有较好的弹性，在使得轮毂运行平稳的同时解决从动轮装配困难的问题，纺锤体小轮部分，将橡胶硫化在从动轮支撑套筒上，形成一体结构，有利于提高全向轮移动时的精度。

由于采用开槽设计，纺锤体小轮的装配方便，容易维护；纺锤体小轮采用橡胶硫化一体结构且内外层纺锤体小轮重叠部分角度大，有利于保证全向轮运动的平稳性，提高了全向轮移动时的精度。

附图说明

图1(a)是轮子总体结构图；

图1(b)是内外轮毂支架结构示意图。

图2是结构设计流程图。

图3是轮毂，纺锤体设计参数计算模型图。

图4是小轮纺锤体内部结构图。

图5是全向轮厚度参数计算模型图。

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。

具体实施方式

参照图1所示，全向轮由外轮毂支架1，内轮毂支架2，垫块3，纺锤体小轮4，螺母5五大部分组成。外轮毂支架1，内轮毂支架2成45度角错开，中间夹着垫块3，通过内六脚螺钉6(共4个)进行连接。外轮毂支架1，内轮毂支架2边缘处开有U型小槽，通过螺母5(共16个)将纺锤体小轮4(共8个)固定在内外轮毂支架上。全向轮径向转动时小轮纺锤体交替着地，轴向移动时小轮纺锤体横向滚动，始终保持与地面为滚动摩擦。

参照图2所示，全向轮结构设计的流程图。

先按照设计要求确定全向轮的大小，然后根据负载的情况进行轴承的选型，进而按照参数约束模型进行内外轮毂的设计，纺锤体小轮的设计，最后确定轮子的厚度以及进行装配，干涉检查。

参照图3所示，建立全向轮各部分参数几何约束模型图，通过计算确定轮毂支架尺寸和小轮纺锤体尺寸。

D1为全向轮直径即纺锤体小轮4的外圈11所在圆的直径，D2为内外层轮毂支架1，2边缘点所在圆的直径，D3为纺锤体小轮支撑轴7的直径，D4为纺锤体小轮4最小外径，a为纺锤体小轮外圈11轮廓弧线对应的弧度角。

设计时根据轮子的实际负重情况对轴承进行选型，在D1和选定的轴承尺寸约束下，尽可能增大a角(5到6度)，确保轮子在转动时相邻小纺锤体外圈有较大的重叠角度，保证运动的精度和平稳性。要特别注意支撑轴两端的固定螺母的选取，确保轮子在转动时不与另外一层对应的小轮纺锤体发生干涉。

参照图4所示，进行小轮纺锤体的结构设计。纺锤体小轮4由支撑轴7，支撑轴承8，轴承支撑盖9，支撑套筒10，纺锤体外圈11组成，纺锤体外圈11和支撑套筒10采用橡胶硫化一体结构，支撑套筒10的两端安装支撑轴承8，在内轮毂2，外轮毂1的支架边缘的压力下通过轴承支撑盖9将轴承8紧固。纺锤体外圈采用特殊的橡胶材料，和支撑套筒一起进行硫化工艺，形成一体结构。支撑套筒设计成台阶状，有利于提高套筒的支撑强度和硫化工艺过程的完成。

参照图5所示，3为垫块，根据纺锤体小轮4中的外圈11的厚度，在保证不发生干涉的情况下确定垫块3的厚度，最终确定整个轮子的厚度。

本发明提出了一整套全向轮结构设计的流程规范，根据实际的使用需求和设计要求，通过建立全向轮各部分的参数约束模型，对全向轮各组成部分(轮毂，小轮纺锤体部分等)进行尺寸计算，按照计算得出的结果进行设计及校验。

全向轮结构设计具体实现步骤如下：

步骤1：确定实际的使用需求及设计要求。根据实际机器人质量，高度，底盘结构及尺寸确定全向轮实际使用时需要承受的载荷及轮子的尺寸约束，并根据以上参数确定轴承的型号。

步骤2：由轮子尺寸约束结合图3提供的计算模型确定轮毂支架外形尺寸及小轮纺锤体外形尺寸。轮毂支架采用四周开U型槽的方式，在保证a角在5到6度且不发生干涉的情况下确定小轮纺锤体的尺寸。

步骤3：根据小轮纺锤体的尺寸约束及选定的轴承型号进行小轮内部结构设计。根据小轮纺锤体外形尺寸以及步骤1中选定的轴承尺寸来确定支撑轴，轴承支撑盖和支撑套筒的尺寸。

步骤4：根据实际使用的精度要求及纺锤体尺寸约束来确定最终全向轮的厚度。在保证内外两层小轮纺锤体小轮不发生干涉的约束条件下来调整垫块的厚度，最终确定整个全向轮的厚度。

步骤5：装配及校验。装配好后进行干涉检查，确认全向轮各部分无干涉情况发生。

Claims (5)

1.一种全向轮结构，包括外轮毂支架(1)，内轮毂支架(2)，垫块(3)，纺锤体小轮(4)，其特征在于，外轮毂支架(1)与内轮毂支架(2)成45度角错开，中间夹着垫块(3)，内外轮毂支架(2、1)上分别连接纺锤体小轮(4)。

2、根据权利要求1所述的全向轮结构，其特征在于，所述的纺锤体小轮(4)由支撑轴(7)，支撑轴承(8)，轴承支撑盖(9)，支撑套筒(10)，纺锤体外圈(11)组成，支撑轴(7)连接支撑套筒(10)，支撑套筒(10)的两端安装支撑轴承(8)，支撑轴承(8)与轴承支撑盖(9)连接，支撑套筒(10)外连接纺锤体外圈(11)，纺锤体外圈(11)和支撑套筒(10)采用橡胶硫化一体结构，在内外轮毂支架(2、1)边缘的压力下通过轴承支撑盖(9)将轴承(8)紧固。

3、根据权利要求1所述的全向轮结构，其特征在于，内外轮毂支架(2、1)上的纺锤体小轮(4)交替重叠部分范围5～6度。

4、根据权利要求1所述的全向轮结构，其特征在于，内外轮毂支架(2、1)通过内六脚螺钉(6)进行连接。

5、根据权利要求1所述的全向轮结构，其特征在于，内轮毂支架(2)边缘处开有U型小槽，内外轮毂支架(2、1)上分别连接纺锤体小轮(4)，通过螺母(5)将纺锤体小轮(4)固定在内外轮毂支架(2、1)上。

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