CN101654039A - 内嵌式直齿换向麦克纳姆轮 - Google Patents

Abstract

一种内嵌式直齿换向麦克纳姆轮，包括麦克纳姆轮本体，在麦克纳姆轮本体内部设有支撑系且与支撑系转动连接，麦克纳姆轮本体的内壁上设有内齿圈轮缘，在支撑系上设有动力输入轴且位于麦克纳姆轮本体的回转中心，在动力输入轴上空套有反向空套中心齿轮及同向空套中心齿轮，在动力输入轴上键合有换向机构，在所述支撑系上转动连接有反向传动齿轮、第一同向传动齿轮及第二同向传动齿轮，并且，所述的反向传动齿轮分别与反向空套中心齿轮及内齿圈轮缘相啮合，所述的第一同向传动齿轮分别与同向空套中心齿轮及第二同向传动齿轮相啮合，所述的第二同向传动齿轮还与内齿圈轮缘相啮合。

Description

内嵌式直齿换向麦克纳姆轮

技术领域

本发明属车辆工程领域，是一种全方位移动车轮，具体的说是一种内嵌式直齿换向麦克纳姆轮。同时，也属于机器人与自动化领域，涉及全方位平面移动机器人技术。

背景技术

麦克纳姆轮(Mecanum Wheel)是一种全方位移动车轮，1973年由瑞士人Bengt Lion发明，所以也叫Lion轮，而他工作于Mecanum AB公司。该轮的特点是在传统车轮的基础上，在轮缘上再沿与轴线成45°方向安装若干可以自由旋转的小滚子，这样在车轮滚动时，小滚子就会产生测向运动。通过麦克纳姆轮的组合使用和控制，可以使车体产生运动平面内的任意方向移动和转动。

1975年，Lion获得美国专利(专利号3,746,112，直接稳定自驱动车，“Directionally Stable Self Propelled Vehicle”)，1980年美国海军买得该专利并进行军事应用开发，1996年该专利失效后，美国及世界众多大学、研究机构和公司进行应用开发和再发明，应用领域涉及全方位移动的叉车、搬运车、轮椅、弹药运输车、移动机器人等。

采用全方位移动技术后，可以显著提高搬运效率和灵活性、减小货物存储空间20％～30％、尤其对于狭小空间移动物体，具有不可取代的作用。目前，成功的应用例子有美国AirTrix公司的Sidewinder全方位移动叉车、COBRA全方位移动升降机、MP2全方位搬运拖车、全方位弹药转载机；卡内基梅隆大学的全方位机器人、美国Ominx公司的全方位移动轮椅、喷气发动机全方位移动托架等产品。包括我国在内的世界众多大学也开展了麦克纳姆轮的应用和控制研究，但是多集中在移动机器人方面的应用研究，形成产品的很少。

目前涉及麦克纳姆全方位移动机构的专利有：

1、瑞士Lion的美国专利“直接稳定自驱动车”(U.S.Pat.No.3746112，，“Directionally Stable Self Propelled Vehicle”)，首先发明了麦可纳姆轮。

2、美国AirTrix公司的美国专利“低振动全方位轮”(U.S.Pat.No.6340065，和6547340，“Low Vibration Omni-Directional Wheel”)，美国专利“低振动全方位轮设计方法”(U.S.Pat.No.6394203，“Method for designing low-vibrationOmni-Directional Wheels”)，美国专利“地面搬运设备用全方位自驱动车”(U.S.Pat.No.5701966，“Omni-Directional self-propelled vehicle for ground handling ofequipment”)在Lion的基础上，针对载荷作用下，因麦可纳姆轮滚子与地面接触面积变化而导致弹性变形不均匀，引起的车体上下振动，发明了低噪声全方位轮及其设计方法，并将该技术运用于地面搬运车设计。

3、美国专利“全方位武器装填车”(US Pat.No.6668950，“Omni-directionalmunitions handling vehicle”)，美国专利“飞机维护装置和维护方法”(US Pat.No.6477730，“Aircraft maintenance apparatus and method of maintaining aircraft”)，正在申请的美国专利“先进武器装填者”(US Pat.App.No.EP20050472003，“Advanced weapons loader”)，都是将麦可纳姆轮运用于各类移动搬运装备的发明。

4、国内全方位车轮相关的专利有：

哈工大阎国荣；张海兵的“一种全方位轮”(01209535.4)、上海交大冷春涛；曹其新；王美龄；刘伟豪，的“全方位轮”(200610024277.3)和国防科学技术大学海丹；刘玉鹏；郑志强；柳林；季秀才；刘斐的“全向轮”(200520052595.1)，都是对垂直小滚子全向轮的一种变化，不是麦克纳姆轮。

另外，国外有一些关于麦可纳姆轮运动控制的文章，如：

1.Dickerson，S.L.；Lapin，B.D.(1991).Control of an omni-directional robotic vehiclewith Mecanum wheels.In：National Telesystems Conference Proceedings，pp.323-328，March 26-27，1991，Atlanta，USA.

2.Nagatani，K.；Tachibana，S.et al.(2000).Improvement ofodometry for omni-directional vehicle using optical flow information.In：Proceedings of IEEE/RSJ Int.Conference on Intelligent Robots and Systems，pp.468-473，Oct 30-Nov 5，2000，Takamatsu，Japan.

3.Francois Pin：″A New Family of Omnidirectional and Holonomic Platforms for MobileRobots，″IEEE Trans.On Robotics and Automation，Aug.1994，vol.10，No.4

国内哈工大机器人所等单位进行过基于麦克纳姆轮的全方位移动机器人研究，但国内关于麦克纳姆轮研究的论文较少。

目前，国际上的基于麦克纳姆轮的全方位移动机构，都采用四个电机驱动、并进行转速精确控制，然后经减速后分别驱动四个轮子转动，实现车体的全方位移动。由于采用四个电机分别驱动，通过电子调速改变电机转速，从而改变车体的运行速度，不能提高低速时的驱动扭矩。要像普通集中驱动车辆那样，通过变速改变驱动轮的驱动扭矩，从而提高车体的爬坡、加速能力，则机械结构异常复杂，难于实现。同时，由于四个电机转速需精确控制、协调，需要对各电机转速进行精确反馈测量和控制，电路和算法比较复杂，可靠性降低、成本提高。另外由于采用电机传动控制，大功率工程应用时，电机和电池成本、重量显著提高。复杂工程工作环境，迫切要求可以采用内燃机及其它动力驱动的全方位车辆运动技术，本发明即是为此目的而设计的。

发明内容

本发明针对现有基于麦克纳姆轮全方位移动机器人驱动结构和控制系统复杂、只能使用电机驱动且不能有效利用驱动电机的做工能力、不能使用内燃机等高效动力源等问题。本发明提供一种内嵌式直齿换向麦克纳姆轮，通过外部操纵信号控制内嵌直齿换向装置，根据全方位运动要求，使得麦克纳姆轮与输入轴相同方向或相反方向旋转。

这样，通过四个内嵌式直齿换向麦克纳姆轮运动组合，实现车体的前进、后退、向左、向右、左前45°、左后45°、右前45°、右后45°、原地顺时针回、原地逆时针回转等十个方位的运动，并可以通过这些运动组合，完成预定的平面内移动。

本发明采用如下技术方案：

一种内嵌式直齿换向麦克纳姆轮，包括麦克纳姆轮本体，在麦克纳姆轮本体内部设有支撑系及且麦克纳姆轮本体与支撑系转动连接，麦克纳姆轮本体的内壁上设有内齿圈轮缘，在支撑系上设有动力输入轴且动力输入轴位于麦克纳姆轮本体的回转中心，在动力输入轴上空套有反向空套中心齿轮及同向空套中心齿轮，在动力输入轴上键合有用于将来自动力输入轴的动力传递给反向空套中心齿轮或同向空套中心齿轮的换向机构，在所述支撑系上转动连接有反向传动齿轮、第一同向传动齿轮及第二同向传动齿轮，并且，所述的反向传动齿轮分别与反向空套中心齿轮及内齿圈轮缘相啮合，所述的第一同向传动齿轮分别与同向空套中心齿轮及第二同向传动齿轮相啮合，所述的第二同向传动齿轮还与内齿圈轮缘相啮合。

本发明在输入轴与麦克纳姆轮之间，设计同向传动和反向传动两条直齿轮传动链，并保证两条传动链的传动比相同，通过外部操纵装置控制，选择所使用的传动链，从而控制麦克纳姆轮的转动方向。为使得设计的麦克纳姆轮结构紧凑，将这两条传动链设计在输入轴与麦克纳姆轮之间，形成内嵌式结构。所设计的内嵌式直齿换向麦克纳姆轮，包括输入轴2、滑动换向盘4、同向空套中心齿轮12、反向空套中心齿轮5、第一同向传动齿轮11、第二同向传动齿轮10、反向传动齿轮6、内齿圈轮缘7、若干麦克纳姆滚子安装支架9、若干麦克纳姆滚子8。其中，内齿圈轮缘7与若干麦克纳姆滚子安装支架9、若干麦克纳姆滚子8一起构成麦克纳姆轮，输入轴2位于此麦克纳姆轮轴线上，与内齿圈轮缘7同轴；第一同向传动齿轮11、第二同向传动齿轮10位于同向空套中心齿轮12与内齿圈轮缘7之间并形成同向啮合传动链，反向传动齿轮6位于反向空套中心齿轮5与内齿圈轮缘7之间并形成反向啮合传动链；同向啮合传动链与反向啮合传动链，沿轴线方向并列放置于内齿圈轮缘7所包括的圆柱体内部。

同向空套中心齿轮12、反向空套中心齿轮5分别空套在输入轴2上，再没有与滑动换向盘4接合时，可以与输入轴2相对自由转动。滑动换向盘4通过滑动平键1或花键连接与输入轴2一起转动，并可以在操纵装置13控制下沿输入轴2的轴向移动。滑动换向盘4可以在操纵装置13的控制下，移向同向空套中心齿轮12或反向空套中心齿轮5并与之接合而同步旋转。

输入轴2的转动，通过滑动键1传递给滑动换向盘4，在外部同向信号控制下，滑动换向盘4与同向空套中心齿轮12接合而使同向空套中心齿轮12转动，经第一同向传动齿轮11、第二同向传动齿轮10，带动内齿圈轮缘7、麦克纳姆滚子支架9和麦克纳姆滚子8与输入轴2同方向转动；这时，内齿圈轮缘7又通过反向传动齿轮6带动反向空套中心齿轮5在输入轴2上空转。

输入轴2的转动，通过滑动键1传递给滑动换向盘4，在外部反向信号控制下，滑动换向盘4与反向空套中心齿轮5接合而使反向空套中心齿轮5转动，经反向传动齿轮6，带动内齿圈轮缘7、麦克纳姆滚子支架9和麦克纳姆滚子8与输入轴2反方向转动；这时，内齿圈轮缘7又通过第二同向传动齿轮10、第一同向传动齿轮11带动同向空套中心齿轮12在输入轴2上空转。

在本发明中，内齿圈轮缘7的内齿圈为单一内直齿轮。同向空套中心齿轮12与反向空套中心齿轮5齿数相同，模数相同，且都是直齿轮。

第一同向传动齿轮11、第二同向传动齿轮10构成的同向传动链，可以多于一组，并在内齿圈轮缘7与同向空套中心齿轮12之间沿圆周均布。反向传动齿轮6可以多于一个，并在内齿圈轮缘7与反向空套中心齿轮5之间沿圆周均布。

滑动换向盘4的操纵装置13可以为液压驱动、气动或者电磁驱动。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

采用本发明的内嵌式直齿换向麦克纳姆轮所设计的全方位移动车体，可集中采用一个动力源驱动，不需要对各轮的转速进行精确控制，即可实现需要的平面全方位移动。因此，可以简化全方位移动车体的操控系统，并可采用传统的各种高效转动动力源，如内燃机、各种电机、流体驱动转动机械等，大大提高全方位车辆的可靠性、降低其制造维护成本。本发明通过相互转动连接的麦克纳姆轮本体与支撑系，将换向、动力传递与麦克纳姆轮本体集成在一起，使三者形成了一个一体化整体，也使本发明具有体积小、结构紧凑的优点，同时，本发明的这一结构有助于简化采用本发明的全方位移动车，使其结构更加紧凑。

附图说明

图1为本发明的机构运动简图。

图2为本发明中具有两条正向传动链、两条反向传动链的一种轴面布置图。

图3为本发明内嵌式直齿换向麦克纳姆结构轴面剖视图。

图4为本发明内嵌式直齿换向麦克纳姆结构正视图。

图5为本发明内嵌式直齿换向麦克纳姆轴侧图。

附图1中

1-滑动键2-输入轴3-输入齿轮4-滑动换向盘

5-反向空套中心齿轮6-反向传动齿轮7-内齿圈轮缘

8-麦克纳姆滚子9-麦克纳姆滚子安装支架10-第二同向传动齿轮

11-第一同向传动齿轮12-同向空套中心齿轮13-操纵装置

附图3中

s1-右轮盖s2-推力轴承s3-弹簧s4-角接触轴承

s5-传动齿轮轴s6-传动齿轮轴承s7-右深沟球轴承

s8-左深沟球轴承s9-中间隔板s10-角接触轴承

s11-深沟球轴承s12-左轮盖s13-中间隔板支柱

具体实施方式

一种内嵌式直齿换向麦克纳姆轮，包括麦克纳姆轮本体，在麦克纳姆轮本体内部设有支撑系及且麦克纳姆轮本体与支撑系转动连接，麦克纳姆轮本体的内壁上设有内齿圈轮缘7，在支撑系上设有动力输入轴2且动力输入轴2位于麦克纳姆轮本体的回转中心，在动力输入轴2上空套有反向空套中心齿轮5及同向空套中心齿轮12，在动力输入轴2上键合有用于将来自动力输入轴2的动力传递给反向空套中心齿轮5或同向空套中心齿轮12的换向机构，在所述支撑系上转动连接有反向传动齿轮6、第一同向传动齿轮11及第二同向传动齿轮10，并且，所述的反向传动齿轮6分别与反向空套中心齿轮5及内齿圈轮缘7相啮合，所述的第一同向传动齿轮11分别与同向空套中心齿轮12及第二同向传动齿轮10相啮合，所述的第二同向传动齿轮10还与内齿圈轮缘7相啮合。本发明所采用的空套有反向空套中心齿轮5、同向空套中心齿轮12、反向传动齿轮6、第一同向传动齿轮11及第二同向传动齿轮10及内齿圈轮缘7形成了两路相对独立的传动，实现了换向，当然，在必要时，还可以通过选择适当的传动比来实现减速器功能。

在本实施例中：

换向机构包括键合在动力输入轴2上的滑动换向盘4，在滑动换向盘4上连接有用于通过推拉滑动换向盘4而使滑动换向盘4与反向空套中心齿轮5或同向空套中心齿轮12相抵的操纵装置13。

麦克纳姆轮本体包括若干个麦克纳姆滚子安装支架9，在麦克纳姆滚子安装支架9上设有麦克纳姆滚子8，所述的内齿圈轮缘7设在麦克纳姆滚子安装支架9上。

参照图3，支撑系由相互连接的右轮盖s1、中间隔板s9及左轮盖s12组成。在所述支撑系上转动连接有反向传动齿轮6、第一同向传动齿轮11及第二同向传动齿轮10的具体实现方式很多，例如：在第一同向传动齿轮11及第二同向传动齿轮10上分别设置第一同向传动齿轮转轴及第二同向传动齿轮转轴，第一同向传动齿轮11及第二同向传动齿轮10就可以分别通过架设在中间隔板s9及左轮盖s12上第一同向传动齿轮转轴及第二同向传动齿轮转轴实现转动连接；在反向传动齿轮6设置反向传动齿轮转轴，反向传动齿轮6就可以通过架设在中间隔板s9及右轮盖s1上反向传动齿轮转轴实现转动连接。而支撑系与麦克纳姆轮本体的转动连接则可以分别通过在右轮盖s1与麦克纳姆滚子安装支架9之间设置右深沟球轴承s7、在左轮盖s12与麦克纳姆滚子安装支架9之间设置左深沟球轴承s8来实现。

参照图1和图3，外部转动由输入齿轮3输入，带动输入轴2同步转动，输入轴2的转动又通过滑动键1带动滑动换向盘4同步转动。

当外部操纵装置13控制滑动换向盘4，滑动到图中左边位置与同向空套中心齿轮12接合时，滑动换向盘4就会带动同向空套中心齿轮12与输入齿轮3同步转动；同向空套中心齿轮12的转动，经过第一同向传动齿轮11传动给第二同向传动齿轮10，由第二同向中心齿轮10带动内齿圈轮缘7，使其与输入轴2同方向转动，且为减速同向转动；从而使得通过麦克纳姆轮滚子支架9安装在内齿圈7上的麦克纳姆滚子8，随内齿圈轮缘7同步同向转动。这时，内齿圈轮缘7还通过反向传动齿轮6带动反向空套中心齿轮5，在输入轴2上空套转动。

当外部操纵装置13控制滑动换向盘4，滑动到图中右边位置与反向空套中心齿轮5接合时，滑动换向盘4就会带动反向空套中心齿轮5与输入齿轮3同步转动；反向空套中心齿轮5的转动，经过反向传动齿轮6带动内齿圈轮缘7，使其与输入轴2反方向转动，且为减速反向转动；从而使得通过麦克纳姆轮滚子支架9安装在内齿圈7上的麦克纳姆滚子8，随内齿圈轮缘7同步反向转动。这时，内齿圈轮缘7还通过第二同向传动齿轮10传动给第一同向传动齿轮11，第一同向传动齿轮11再带动同向空套中心齿轮12，在输入轴2上空套转动。

在输入齿轮3转速不变的条件下，为使同向与反向转动时，麦克纳姆轮的转动速度大小相同，方向相反，同向空套中心齿轮12的齿数与反向空套中心齿轮5的齿数相同。

在图3中，在操纵装置13没有工作时，弹簧s3推动滑动换向盘4滑向同向空套中心齿轮12，带动内齿圈轮缘7及其组成的麦克纳姆轮与输入轴2同方向转动；在操纵装置13工作时，它推动滑动换向盘4滑向反向空套中心齿轮5，带动内齿圈轮缘7及其组成的麦克纳姆轮与输入轴反方向转动。

角接触轴承s4支撑反向空套中心齿轮5、角接触轴承s10支撑同向空套中心齿轮12；轴承s7安装在右轮盖s1上、轴承s8安装在左轮盖s12上，支撑内齿圈轮缘7和麦克纳姆滚子；两个深沟球轴承8支撑输入轴2；6对深沟球轴承s6支撑6根传动齿轮轴s5，分别安装在左轮盖s11、右轮盖s12和中间支撑板s9上。

Claims (4)

1、一种内嵌式直齿换向麦克纳姆轮，包括麦克纳姆轮本体，其特征在于在麦克纳姆轮本体内部设有支撑系及且麦克纳姆轮本体与支撑系转动连接，麦克纳姆轮本体的内壁上设有内齿圈轮缘(7)，在支撑系上设有动力输入轴(2)且动力输入轴(2)位于麦克纳姆轮本体的回转中心，在动力输入轴(2)上空套有反向空套中心齿轮(5)及同向空套中心齿轮(12)，在动力输入轴(2)上键合有用于将来自动力输入轴(2)的动力传递给反向空套中心齿轮(5)或同向空套中心齿轮(12)的换向机构，在所述支撑系上转动连接有反向传动齿轮(6)、第一同向传动齿轮(11)及第二同向传动齿轮(10)，并且，所述的反向传动齿轮(6)分别与反向空套中心齿轮(5)及内齿圈轮缘(7)相啮合，所述的第一同向传动齿轮(11)分别与同向空套中心齿轮(12)及第二同向传动齿轮(10)相啮合，所述的第二同向传动齿轮(10)还与内齿圈轮缘(7)相啮合。

2.根据权利要求1所述的内嵌式直齿换向麦克纳姆轮，其特征在于支撑系由相互连接的右轮盖(s1)、中间隔板(s9)及左轮盖(s12)组成。

3.根据权利要求1或2所述的内嵌式直齿换向麦克纳姆轮，其特征在于换向机构包括键合在动力输入轴(2)上的滑动换向盘(4)，在滑动换向盘(4)上连接有用于通过推拉滑动换向盘(4)而使滑动换向盘(4)与反向空套中心齿轮(5)或同向空套中心齿轮(12)相抵的操纵装置(13)。

4.根据权利要求1或2所述的内嵌式直齿换向麦克纳姆轮，其特征在于麦克纳姆轮本体包括若干个麦克纳姆滚子安装支架(9)，在麦克纳姆滚子安装支架(9)上设有麦克纳姆滚子(8)，所述的内齿圈轮缘(7)设在麦克纳姆滚子安装支架(9)上。

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