CN101659205A - 电机减速器一体化麦克纳姆轮 - Google Patents

Abstract

一种电机减速器一体化麦克纳姆轮，包括：麦克纳姆轮本体，在麦克纳姆轮本体的回转中心设有固定中心轴，在固定中心轴上设有电机定子绕组和传动齿轮支架，在电机定子绕组外部套有电机转子；在固定中心轴上套有中心齿轮，在麦克纳姆轮本体的内侧设有内齿圈轮缘，在中心齿轮与内齿圈轮缘之间设有传动齿轮，并且，传动齿轮分别与中心齿轮、内齿圈轮缘啮合，所述的传动齿轮支架与传动齿轮转动连接且传动齿轮支架于传动齿轮的回转中心上实现转动连接。采用本发明电机减速器一体化麦克纳姆轮设计的全方位移动车，即可与普通车轮一样安装使用，简化车体结构设计，降低结构重量和制造维护成本。

Description

电机减速器一体化麦克纳姆轮

技术领域

本发明涉及一种麦克纳姆轮，尤其涉及一种集成式电机减速器一体化麦克纳姆轮。

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 of odometry 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，国际上麦克纳姆轮的驱动结构，都是将电机、减速器和麦克纳姆轮分体独立设计，串联安装，结构尺寸大，材料消耗多，更换维护困难；迫切需要设计结构紧凑、维护性好的新型麦克纳姆轮，本发明即是为此目的而设计的。

发明内容

本发明针对现有麦克纳姆轮驱动结构设计中，电机、减速器与轮体独立设计安装而体积大等弊端，提供一种结构紧凑且便于应用的集成式电机减速器一体化麦克纳姆轮。

本发明采用如下技术方案：

一种电机减速器一体化麦克纳姆轮，包括：麦克纳姆轮本体，在麦克纳姆轮本体的回转中心设有固定中心轴，在固定中心轴上设有电机定子绕组和传动齿轮支架，在电机定子绕组外部套有电机转子；在固定中心轴上套有中心齿轮，在麦克纳姆轮本体的内侧设有内齿圈轮缘，在中心齿轮与内齿圈轮缘之间设有传动齿轮，并且，传动齿轮分别与中心齿轮、内齿圈轮缘啮合，所述的传动齿轮支架与传动齿轮转动连接且传动齿轮支架于传动齿轮的回转中心上实现转动连接。

与普通车轮安装结构一样，本发明采用中心轴安装结构设计；依据直流无刷电机原理，本发明设计电机定子为内磁极，转子为外周磁极；根据内啮合固定轴行星齿轮传动原理，电机转子带动中心轮转动，中心轮通过固定轴行星轮带动内齿圈转动；再在内齿圈上设计麦克纳姆滚子支架用于安装麦克纳姆滚子，构成麦克纳姆轮。根据麦克纳姆轮较宽的特点，将电机转子和定子与内啮合齿轮传动减速轮系并列平行安装于麦克纳姆轮体的内部。

内齿圈轮缘与麦克纳姆滚子支架、若干麦克纳姆滚子一起构成麦克纳姆轮，用于本发明麦克纳姆轮安装的固定中心轴位于此麦克纳姆轮轴线上，与内齿圈轮缘同轴。为减少复杂度，电机转子与中心齿轮设计为一体，并同步转动。

为保证载荷分布均匀，采用固定轴行星齿轮结构，设计2-3个传动齿轮，均布于中心齿轮与内齿圈轮缘间；传动齿轮空套在安装于传动齿轮支架上的齿轮轴上。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明针对现有麦克纳姆轮驱动结构设计中，电机、减速器与轮体独立设计安装而体积大的弊端，将电机、减速器集成设计到麦克纳姆轮内部，形成电机减速器一体化麦克纳姆轮。这样，采用本发明电机减速器一体化麦克纳姆轮设计的全方位移动车，由于车体上的安装部件减少，简化了以往麦克纳姆轮全方位车的车体结构设计；由于将多个部件一体化设计，减少了多余的箱体及安装连接零件，简化了安装过程和要求，降低结构重量和制造维护成本；由于减少了多余的运动支承部件和传动连接件，减少了摩擦和系统转动惯量，提高麦克纳姆轮的效率和加减速性能；由于减少了多余的零部件，提高了车轮系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明的电机减速器一体化麦克纳姆轮的机构运动原理图。

图2为本发明的电机减速器一体化麦克纳姆轮的轮体轴向剖面图。

图3为本发明的电机减速器一体化麦克纳姆轮的轴侧图。

图1中

1-固定中心轴  2-电机定子绕组  3-电机转子

4-麦克纳姆滚子支架  5-麦克纳姆滚子  6-传动齿轮支架

7-中心齿轮  8-传动齿轮  9-内齿圈轮缘；

附图2中

10-深沟球轴承  11-右轮辐板  12-深沟球轴承

13-转子中心齿轮架  14-传动齿轮轴  15-左轮辐板

具体实施方式

一种电机减速器一体化麦克纳姆轮，包括：麦克纳姆轮本体，在麦克纳姆轮本体的回转中心设有固定中心轴1，在固定中心轴1上设有电机定子绕组2和传动齿轮支架6，在电机定子绕组2外部套有电机转子3；在固定中心轴1上套有中心齿轮7，在麦克纳姆轮本体的内侧设有内齿圈轮缘9，在中心齿轮7与内齿圈轮缘9之间设有传动齿轮8，并且，传动齿轮8分别与中心齿轮7、内齿圈轮缘9啮合，所述的传动齿轮支架6与传动齿轮8转动连接且传动齿轮支架6于传动齿轮8的回转中心上实现转动连接。

在本实施例中：

麦克纳姆轮本体由麦克纳姆滚子支架4及麦克纳姆滚子5组成，麦克纳姆滚子5设在麦克纳姆滚子支架4上，麦克纳姆滚子支架4与固定中心轴1转动连接；

传动齿轮8的数量为2～8个且均匀分布于由中心齿轮7与内齿圈轮缘9形成的环形空间。

下面参照附图，对本发明的具体实施方案作出更为详细地描述：

参照图1和图2，电机的转动驱动电流输入电机定子绕组2，通过电机磁场作用使得电机转子3转动，带动中心齿轮7转动；中心齿轮7带动若干均布的传动齿轮8，将运动传递给内齿圈轮缘9；内齿圈轮缘9带动由麦克纳姆滚子支架4和若干麦克纳姆滚子5组成的麦克纳姆轮运动。

固定中心轴1用于将本发明的电机减速器一体化麦克纳姆轮安装到全方位移动车体上。

在图2中，深沟球轴承10用于将电机转子3和转子中心齿轮架13支撑于右轮辐板11上；一对深沟球轴承10用于将内齿圈轮缘9、麦克纳姆滚子支架4和麦克纳姆滚子5组成的麦克纳姆轮，及左轮辐板15、右轮辐板11支撑于固定中心轴1上；传动齿轮支架6固定安装在固定中心轴1上，传动齿轮轴14通过深沟球轴承安装在传动齿轮支架6上，实现传动齿轮8的空套安装。

Claims (3)

1、一种电机减速器一体化麦克纳姆轮，包括：麦克纳姆轮本体，其特征在于：在麦克纳姆轮本体的回转中心设有固定中心轴(1)，在固定中心轴(1)上设有电机定子绕组(2)和传动齿轮支架(6)，在电机定子绕组(2)外部套有电机转子(3)；在固定中心轴(1)上套有中心齿轮(7)，在麦克纳姆轮本体的内侧设有内齿圈轮缘(9)，在中心齿轮(7)与内齿圈轮缘(9)之间设有传动齿轮(8)，并且，传动齿轮(8)分别与中心齿轮(7)、内齿圈轮缘(9)啮合，所述的传动齿轮支架(6)与传动齿轮(8)转动连接且传动齿轮支架(6)于传动齿轮(8)的回转中心上实现转动连接。

2、根据权利要求1所述的电机减速器一体化麦克纳姆轮，其特征在于麦克纳姆轮本体由麦克纳姆滚子支架(4)及麦克纳姆滚子(5)组成，麦克纳姆滚子(5)设在麦克纳姆滚子支架(4)上，麦克纳姆滚子支架(4)与固定中心轴(1)转动连接。

3、根据权利要求1或2所述的电机减速器一体化麦克纳姆轮，其特征在于传动齿轮(8)的数量为2～8个且均匀分布于由中心齿轮(7)与内齿圈轮缘(9)形成的环形空间。

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