CN101659287A - 一体化锥齿换向麦克纳姆轮 - Google Patents

Abstract

一种一体化锥齿换向麦克纳姆轮，包括麦克纳姆轮、输入轴和输出轴，在输入轴上空套有右锥齿轮和左锥齿轮，在输出轴上固设与所述右锥齿轮和左锥齿轮相啮合的输出锥齿轮，所述麦克纳姆轮设在输出轴上，在输入轴上还设有用于将来自输入轴的动力传递给右锥齿轮或左锥齿轮的换向驱动器。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锥齿轮传动链，通过外部操纵装置控制，选择所使用的传动链，从而改变麦克纳姆轮的转动方向，实现采用此一体化锥齿轮换向麦克纳姆轮设计的全方位运动车，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。

Description

一体化锥齿换向麦克纳姆轮

技术领域

本发明属车辆工程领域，是一种车轮，具体的说是一种全方位移动车轮。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 Wheel，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 SelfPropelled 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，国内外也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

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，提供一种一体化锥齿换向麦克纳姆轮，通过外部操纵信号控制锥齿轮换向装置，在输入轴的旋转运动速度和方向不变的情况下，使得的输出麦克纳姆轮的旋转速度不变、旋转方向可变。

本发明采用如下技术方案：

一种一体化锥齿换向麦克纳姆轮，包括麦克纳姆轮、输入轴和输出轴，在输入轴上空套有右锥齿轮和左锥齿轮，在输出轴上固设与所述右锥齿轮和左锥齿轮相啮合的输出锥齿轮，所述麦克纳姆轮设在输出轴上，在输入轴上还设有用于将来自输入轴的动力传递给右锥齿轮或左锥齿轮的换向驱动器。

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锥齿轮传动链，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，从而改变麦克纳姆轮的转动方向，实现采用此一体化锥齿轮换向麦克纳姆轮设计的全方位运动车，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。为使得设计的麦克纳姆轮结构紧凑，将这两条传动链及操纵运动机构进行一体化结构设计。

具体来说，一体化锥齿换向麦克纳姆轮，在驱动输入转动方向不变的情况下，通过外部操纵信号控制，可通过锥齿轮传动改变麦克纳姆轮的转动方向；左锥齿轮5和右锥齿轮2分别空套在输入轴1上，滑动换向盘7通过滑键6与输入轴1联接并一起转动，在直线操纵器9和拨动杆8的作用下，滑动换向盘7向左或向右滑动，分别与左锥齿轮5或右锥齿轮5结合，带动输出锥齿轮3和麦克纳姆轮4以不同的回转方向转动。

为使结构紧凑、便于操纵，麦克纳姆轮4的回转轴线与输入轴1垂直交错，而滑键6，可以是滑动平键或者花键。为保证正反转的传动比相同，左锥齿轮5与右锥齿轮2，两者齿数相同。为保证滑动换向盘受力均匀，直线操纵器9和拨动杆8，可以多于一组，且沿滑动换向器7外缘圆周均布，且直线操纵器9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：

采用此一体化锥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。

附图说明

图1为本发明的机构运动简图。

图2为本发明中锥齿轮垂直输出换向传动麦克纳姆结构轴面剖视图。

图3为本发明锥齿轮垂直输出换向传动麦克纳姆结构侧视图。

附图1中

1-输入轴2-右锥齿轮3-输出锥齿轮4-麦克纳姆轮5-左锥齿轮

6-滑键7-滑动换向盘8-拨动杆9-直线操纵器10-输出轴

具体实施方式

一种一体化锥齿换向麦克纳姆轮，包括麦克纳姆轮4、输入轴1和输出轴10，在输入轴1上空套有右锥齿轮2和左锥齿轮5，在输出轴10上固设与所述右锥齿轮2和左锥齿轮5相啮合的输出锥齿轮3，所述麦克纳姆轮4设在输出轴10上，在输入轴1上还设有用于将来自输入轴1的动力传递给右锥齿轮2或左锥齿轮5的换向驱动器。在本实施例中，

所述换向驱动器由滑键6、滑动换向盘7、拨动杆8及直线操纵器9组成，滑动换向盘7套在输入轴1上并通过滑键6与输入轴1连接，所述拨动杆8与滑动换向盘7连接，所述直线操纵器9与拨动杆8连接，滑动换向盘7与输入轴1的联接的滑键6是滑动平键或者花键，直线操纵器9和拨动杆8采用两组或以上且沿滑动换向器7外缘圆周均布。麦克纳姆轮4的回转轴线与输入轴1垂直交错。左锥齿轮5与右锥齿轮2的齿数相同。所述直线操纵器9为液压驱动、气动或者电磁驱动。

参照图1和图2，外部转动由输入轴1输入，输入轴1的转动又通过滑键6带动滑动换向盘7同步转动。

当直线操纵器9经拨动杆8带动滑动换向盘7，滑动到图中左边位置与左锥齿轮5接合时，滑动换向盘7就会带动左锥齿轮5与输入轴1同步转动；左锥齿轮5即传动给输出锥齿轮3，使其带动麦克纳姆轮4朝一个方向转动。同时，输出锥齿轮3还带动右锥齿轮2，在输入轴1上空套转动。

当直线操纵器9经拨动杆8带动滑动换向盘7，滑动到图中右边位置与右锥齿轮2接合时，滑动换向盘7就会带动右锥齿轮2与输入轴1同步转动；右锥齿轮2即传动给输出锥齿轮3，使其带动麦克纳姆轮4朝另一个方向转动。同时，输出锥齿轮3还带动左锥齿轮5，在输入轴1上空套转动。

在输入齿轮3转速不变的条件下，为保证的麦克纳姆轮4的两个方向上的转动速度相同，左锥齿轮5的齿数与右锥齿轮2的齿数相同。

在图2中，在直线操纵器没有工作时，左锥齿轮5和右锥齿轮2都在输入轴1上空套转动，轴承组s1、s4分别是右锥齿轮2和左锥齿轮5的空套支撑轴承，都为角接触球轴承与深沟球轴承的组合。轴承组s2、s3为面对面安装角接触球轴承组，分别支撑输入轴1和输出锥齿轮3及麦克纳姆轮4，s5为深沟球轴承，支撑输入轴1的另一端。

Claims (7)

1、一种一体化锥齿换向麦克纳姆轮，其特征在于，包括麦克纳姆轮(4)、输入轴(1)和输出轴(10)，在输入轴(1)上空套有右锥齿轮(2)和左锥齿轮(5)，在输出轴(10)上固设与所述右锥齿轮(2)和左锥齿轮(5)相啮合的输出锥齿轮(3)，所述麦克纳姆轮(4)设在输出轴(10)上，在输入轴(1)上还设有用于将来自输入轴(1)的动力传递给右锥齿轮(2)或左锥齿轮(5)的换向驱动器。

2.根据权利要求1所述的一体化锥齿换向麦克纳姆轮，其特征在于，换向驱动器由滑键(6)、滑动换向盘(7)、拨动杆(8)及直线操纵器(9)组成，滑动换向盘(7)套在输入轴(1)上并通过滑键(6)与输入轴(1)连接，所述拨动杆(8)与滑动换向盘(7)连接，所述直线操纵器(9)与拨动杆(8)连接。

3、根据权利要求2所述的一体化锥齿换向麦克纳姆轮，其特征在于，麦克纳姆轮(4)的回转轴线与输入轴(1)垂直交错。

4、根据权利要求2所述的一体化锥齿换向麦克纳姆轮，其特征在于，滑动换向盘(7)与输入轴(1)的联接的滑键(6)是滑动平键或者花键。

5、根据权利要求4所述的一体化锥齿换向麦克纳姆轮，其特征在于，左锥齿轮(5)与右锥齿轮(2)的齿数相同。

6、根据权利要求2所述的一体化锥齿换向麦克纳姆轮，其特征在于，直线操纵器(9)和拨动杆(8)采用两组或以上且沿滑动换向器(7)外缘圆周均布。

7、根据权利要求2所述的一体化锥齿换向麦克纳姆轮，其特征在于，直线操纵器(9)为液压驱动、气动或者电磁驱动。

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