CN103129310B - 摩擦驱动装置和牵引轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种摩擦驱动装置和牵引轮。具体地，一种摩擦驱动装置包括以同轴的关系彼此相对地由框架可转动地支撑的一对驱动盘(48)；用于单独地转动致动所述驱动盘的动力源(64)；介于所述驱动盘之间的牵引轮(100)，所述牵引轮包括枢转地串联连接成环的多个关节活动构件(102)以及由每个关节活动构件可转动地支撑以能够绕沿着所述环延伸的轴线转动的自由滚子(106)；以规律的间隔角沿每个驱动盘的周边部分枢转地支撑并且以倾斜的角度接合自由滚子的多个驱动滚子(56)。由此关节活动构件在不要求刚性的环形构件的情况下允许自由滚子被保持成环。因此，能够减少部件的数量，提高生产率同时降低生产成本。

Description

摩擦驱动装置和牵引轮

技术领域

本发明涉及一种摩擦驱动装置和使用其作为驱动单元的万向车辆，特别是适用于摩擦驱动装置中的牵引轮。

背景技术

存在对于能够在前后方向和侧向方向上行进的车辆的需求。这种车辆对于需要在有限的空间内具有高机动性的车辆和机器人来说可能是有用的。万向车辆的主轮通常包括能够纵向和侧向行进的万向轮。WO2008132779A1(US2010096905A1)中公开的主轮包括刚性的环形构件和通过套管构件可转动地装配在环形构件上的像串珠的许多珠子一样的多个自由滚子。每个套管构件需要具有能够装配在环形构件上的弓形孔和完全柱形的外表面，使得自由滚子能够基本没有任何摩擦或间隙地转动。JP3820239B公开了万向轮的不同的例子。

这种万向轮，特别是在WO2008132779A1(US2010096905A1)中所公开的万向轮，可以有利地用于摩擦驱动装置和包含该摩擦驱动装置的万向车辆。在该现有专利公开所公开的万向车辆中包括由电动马达单独致动的一对驱动组件以及保持在驱动组件之间并且由驱动组件摩擦驱动的主轮。例如参照。每个驱动组件包括驱动盘和多个驱动滚子，所述驱动盘与另一驱动组件的驱动盘同轴地相对并且由框架可转动地支撑，所述驱动滚子以规律的间隔沿着驱动盘的周边倾斜地布置以单独地可转动。主轮包括环形的环形构件，其可转动地支撑沿着环形构件的周边长度布置的多个从动滚子(自由滚子)以能够绕环形构件的各个切线转动。从动滚子介于由两个各自的驱动盘可转动地支撑的两组驱动滚子之间。随着驱动盘被电动马达转动，从动滚子被驱动滚子摩擦驱动。当从动滚子通过驱动滚子绕环形构件的切线方向(或绕从动滚子的各自的中心线)转动时，车辆被沿侧向方向驱动。当主轮绕其中央轴线转动时，车辆被沿前后方向驱动。车辆的运动方向可以通过适当地调节两个驱动盘的转动速度之间的差来根据希望选择。

根据现有的提案，发现需要相当的努力和成本来构建这种类型的主轮(牵引轮)。特别地，每个套管构件必须被紧固至环形构件，同时提供完全柱形的外表面。并且环形构件要求相对高的制造成本。

此外，传统的布置可能不能提供最佳的性能。如果环形构件高度刚性，只有最下方的自由滚子接合路面使得最大侧向牵引受到限制。如果环形构件是弹性的，可以导致两个或更多个自由滚子同时接合路面。但是，如果环形构件不够刚性，邻接的自由滚子可能彼此轴向对准(平行于路面)，这防止驱动滚子和自由滚子之间的理想接合。并且，如果环形构件的刚度过低，邻接的自由滚子可能彼此接合或者彼此干涉使得主轮的性能严重受影响。

发明内容

根据现有技术的这些问题，本发明的主要目的是提供一种能够产生高侧向牵引的摩擦驱动装置。

本发明的第二目的是提供一种能够最小化摩擦阻力的摩擦驱动装置。

本发明的第三目的是提供一种制造经济的摩擦驱动装置。

本发明的第四目的是提供一种适用于摩擦驱动装置的牵引轮。

根据本发明，这些和其他目的可以通过提供一种摩擦驱动装置实现，该摩擦驱动装置包括：框架；一对驱动盘，其以大致同轴的关系彼此相对地由所述框架可转动地支撑；动力源，其用于单独地可转动地致动所述驱动盘；牵引轮，其介于所述驱动盘之间，所述牵引轮包括枢转地串联连接成环的多个关节活动构件以及由每个关节活动构件可转动地支撑以能够绕沿着所述环延伸的轴线转动的自由滚子；多个驱动滚子，其以大致规律的间隔角沿每个驱动盘的周边部分枢转地支撑并且以倾斜的角度接合所述自由滚子。

由此关节活动构件在不需要刚性环形构件的情况下允许自由滚子被保持成环。换句话说，关节活动构件起到之前提案的牵引轮的刚性环形构件和套管构件的作用。因此，可以减少部件的数量，提高生产率同时降低生产成本。

根据本发明的一种优选的实施方式，每个关节活动构件包括柱形构件，且相应的自由滚子绕所述柱形构件设置以能够绕柱形构件的中央轴线转动。

特别地，如果每对邻接的所述关节活动构件的相对的端面设有限定邻接的关节活动构件之间的关节活动角度的限制的抵靠表面，能够根据意愿选择邻接的关节活动构件之间的关节活动运动的限制。因此，在任何给定的时间点，可以使得希望数量的自由滚子接合路面或任何其他驱动对象。此外，能够防止邻接的自由滚子彼此干涉，从而防止牵引轮的摩擦阻力过度地增加。

本发明还提供包括使用牵引轮作为地面接触推进轮的上述摩擦驱动装置的万向车辆。

附图说明

下面将参照附图说明本发明。附图中：

图1是采用本发明的倒摆型车辆形式的万向车辆的透视图，其座椅组件和阶梯缩回，准备好运输；

图2是与图1类似的视图，示出其准备好被操作，座椅组件展开以供车辆乘员乘坐其上并且阶梯展开以供车辆乘员的脚放置其上；

图3是图1和图2所示的车辆中包含的根据本发明的摩擦驱动装置的前视截面图；

图4是摩擦驱动装置的放大的前视截面图；

图5是摩擦驱动装置的透视图；

图6是处于最小关节活动角的牵引轮的下部的局部截面图；

图7是与图6类似的处于最大关节活动角的视图；

图8是从一个方向看来关节活动构件之一的放大透视图；以及

图9是从相反的方向看来关节活动构件的放大透视图。

具体实施方式

根据本发明的车辆大致上相对于中央纵向平面对称，并且多种部件以一个在左手侧且另一个在右手侧的方式成对使用。这些部件以数字加上后缀L或R表示，L表示部件在左手侧，R表示部件在右手侧。因此，下面仅通过以不加后缀的数字表示部件来描述每个这些部件对中的一个，而不重复对部件对中的另一个的相同描述。在下述说明中，也使用这些不加后缀的数字来表示这些部件全体。

下面将参照图1至图5描述实施本发明的摩擦驱动装置和倒摆型车辆。在下述说明中，使用车辆的向前行进方向为参照来限定附图所指示的多个方向。

参照图1和图2，实施本发明的倒摆型车辆包括彼此连接的上框架20和下框架10。

下框架10以带动力的独轮车的方式支撑驱动单元40。驱动单元40能够在倒摆控制下使用回转传感器和负载传感器将车辆(包括下框架10和上框架20)维持在直立姿态，并且使得车辆在任意两个维度方向上行进，如将在下面描述的。

一对阶梯14设置在下框架10的两侧并且均通过在其下端处沿前后方向延伸的枢转轴枢转地支撑到下框架。每个阶梯14能够在展开位置和缩回位置之间运动，在展开位置下阶梯14侧向伸出形成在下框架10的相应侧上的阶梯接收凹槽16(如图2所示)，在缩回位置下阶梯14向上倾斜并且接收在阶梯接收凹槽16中(如图1所示)。

上框架20具有限定侧向延伸经过上框架20的中央圆形开口或鞍形存储空间24的环形形状。一对鞍形臂22在其基部端由固定至上框架20的限定中央开口的上壁的一部分的支撑构件枢转地支撑，并且侧向延伸至上框架20的两侧，如图2所示。每个鞍形臂22的自由端支撑鞍形构件30。鞍形构件30均包括在其展开状况下大致水平延伸的盘形构件，并且能够共同支撑车辆乘员的臀部。

每个鞍形臂22的弯曲方式使其凸侧在图2所示的展开状态下朝向下。当鞍形臂22绕其基部端向下枢转时，鞍形臂22被接收在鞍形存储空间24中并且鞍形构件30从图1所示的两侧封闭鞍形存储空间24。在图1所示的缩回状态下，鞍形构件30，特别是其垫表面，与上框架20的外表面共同限定上框架20的平滑的外轮廓。

可缩回的手柄26设置在上框架20的上端。当鞍形构件30被展开时，手柄26被接收在上框架20的相应的接收部中，使得手柄26限定上框架20的平滑的外轮廓的一部分。当鞍形构件30被收在鞍形存储空间24中时，上框架20的上端不受鞍形构件30的阻碍地可被用户接近，并且手柄26可以被提出凹槽。然后手柄26可以被用于输送车辆或将车辆支撑在直立位置。

参照图3和图4，下框架10包括侧向彼此隔开的一对侧壁12，和放置在两个侧壁12之间的驱动单元40。

如图3和图4所示，驱动单元40包括一对对称相对的驱动组件。每个驱动组件包括侧向延伸的柱形安装构件42，安装构件具有通过使用螺栓44固定地附接至相应的侧壁12的内表面的轴向外端。两个安装构件42L和42R设有共有的中央轴线A。

安装构件42设有中空的同轴的柱形构件421，环形驱动盘48通过交叉滚子轴承46绕柱形构件421可转动地支撑。交叉滚子轴承46能够支撑径向负载和轴向(推力)负载，并且通过螺纹连接到安装构件42的柱形部分421上的紧固环50和螺纹连接到驱动盘48的中央柱形部分481中的紧固环52被保持相对于安装构件42和驱动盘48轴向固定。

除了中央柱形部分481之外，每个驱动盘48包括从中央柱形部分481的外周沿轴向方向向外延伸的大环形部分482。多个驱动滚子56沿着大环形部分482的周边以规律的间隔布置，并且由此通过各自的滚子轴54可转动地支撑。每个驱动滚子56可以由诸如金属和塑料材料的相对刚性材料制成。驱动滚子57沿着相应的大环形部分482以规律的间隔周向布置，并且每个驱动滚子57能够绕其中央轴线转动。驱动盘48具有以预定的定向支撑驱动滚子56的功能并且可以为盘形、截锥形或任何其他形状。

左驱动盘48L的滚子轴54L设置成与右驱动盘48L的滚子轴54R对称，并且与中央轴线成倾斜关系。特别地，驱动滚子56由各自的滚子轴54可转动地支撑，使得驱动滚子56的转动平面均被设置成与驱动盘48的中央轴线A既不平行也不垂直。驱动滚子56在驱动盘48上的位置关系可以类似于预定锥角的螺旋锥齿轮的齿轮齿。驱动单元40的基本原理的更多具体描述参见WO2008132779A(US2010096905A1)。

每个驱动盘48设有朝向另一驱动盘延伸的柱形延伸部483，两个柱形延伸部483L和483R以可相对转动的方式通过交叉滚子轴承58彼此连接。交叉球轴承能够支撑径向和轴向(推力)负载，并且设有装配在柱形延伸部之一483L的周向外表面上的内座圈和装配在另一柱形延伸部483R的周向内表面中的外座圈。交叉滚子轴承58的内座圈通过螺纹连接在柱形延伸部483L的周向外表面上的紧固环62轴向固定，且交叉滚子轴承58的外座圈通过螺纹连接在另一柱形延伸部483R的周向外表面上的紧固环60轴向固定。

交叉滚子轴承58形成以可相对转动的方式连接右驱动盘48R和左驱动盘48L的连接机构的关键部分，并且通过如上文所讨论地组装来限制右驱动盘48R和左驱动盘48L之间的相对径向和轴向运动。换句话说，交叉滚子轴承58连接右驱动盘48R和左驱动盘48L，以能够以同轴的关系相对于彼此转动并且防止它们之间的轴向运动。

由此，确保了右驱动盘48R和左驱动盘48L之间的同轴性，以及右驱动盘48R和左驱动盘48L之间的轴向距离被保持固定在预定的值。

电动马达64同轴地设置在由每个驱动盘48的柱形部分481所限定的空间484中。每个电动马达64设有包含有定子线圈(图中未示出)的外壳体66，并且通过使用螺栓68固定地紧固至安装构件42，且电动马达64设有以与中央轴线A同轴的关系朝向另一电动马达64或向内延伸的转子轴70。

右电动马达64R和左电动马达64L包括沿轴向方向看与驱动滚子56R和56L重叠的部分。换句话说，在与中央轴线平行地延伸的投射平面中，右电动马达64R和左电动马达64L包括与驱动滚子56R和56L重叠的部分。

每个转子轴70的自由端连接有已知类型的波齿轮装置72的波塞74。波塞74起波齿轮装置72的输入构件的作用，并且具有高刚性和椭圆形的轮廓。波齿轮装置72除波塞74之外，包括装配到波塞74的周向外表面上的波轴承76、包括与波轴承76的周向外表面摩擦接合并且其周向外表面上形成有外部齿的有凸缘的柱形薄壳的柔性外部齿构件78、以及在其周向内表面上具有与外部齿构件78的外部齿相啮合的内部齿的内部齿构件80。内部齿构件80起波齿轮装置72的输出构件的作用，并且通过使用螺栓固定地紧固至驱动盘48。

波齿轮装置72将每个电动马达64的转动输出以高减速比传递至相应的驱动盘48。

波塞74、波轴承76和内部齿构件80容纳在从驱动盘48向内同轴地延伸的柱形延伸部483的内部空间中。电动马达64接收在驱动盘48的中央柱形部分481的内部空间中。这些特征有助于最小化驱动单元40的轴向尺寸。

右驱动盘48R和左驱动盘48L通过驱动滚子56从两个侧向侧插入牵引轮100，使得牵引轮100与中央轴线A同轴或基本同轴地被支撑。换句话说，牵引轮100没有任何中央轴地由两套驱动滚子56可转动地支撑，每套驱动滚子包括以环形方式布置的驱动滚子56，使得能够绕中央轴线A或大致绕中央轴线A转动。

下面将参照图3和图5至图9描述所示出的实施方式的牵引轮100的细节。牵引轮100包括如图5所示以环形或多边形形状绕轮中线B大致同中心地布置的多个关节活动构件102。每个关节活动构件102通过具有与轮中线B平行的枢转轴线C的枢转销104与每个邻近的关节活动构件102串联连接。

每个关节活动构件102由硬质金属或塑料材料制成，并且包括柱形部分102A、形成在柱形部分102A的轴向端部上的大直径部分102C、从大直径部分102C的轴向端部的外周部分上的径向相对位置突出的一对轴向突出部102D、以及形成于另一轴向端部102E的侧向部分上以对应于轴向突出部102D并且彼此平行地延伸的一对平的表面102F。另一轴向端部102E设有除了从柱形部分102A的周向外表面凹陷相等深度的平的表面102F之外大致限定柱形部分102A的周向外表面的轴向延伸部的外周。轴向突出部102D的周向外表面也形成为柱形部分102A的周向外表面的大致连续的延伸部。

平的表面102F和轴向突出部102D形成有径向通孔102H和102G。平的表面102F和轴向突出部102D的构造和尺寸使得当两个关节活动构件102串联地沿轴向方向同轴地彼此接近时，平的表面102F被紧密地接收在限定在轴向突出部102D之间的空间中并且通孔102H和102G彼此对准。可以由弹性中空管制成的枢转轴104经过通孔102H和102G。多个关节活动构件102以这种方式接合，直至形成关节活动构件102的环或整个圈。由此，关节活动构件102接合成预定直径的环形或多边形形状。

枢转轴104优选地包括使用弹性或螺纹接合的可拆卸类型，并且可以由任何已知的枢转销结构中选择。由此枢转轴104限定用于邻接的两个关节活动构件102的关节活动运动的枢转轴线。

另一轴向端部102E的轴向端部通过一对倾斜的端表面102J和102K成形为屋顶形，其通过抵靠大直径部分102C的端表面102L起止动表面的作用以限定邻接的两个关节活动构件102的关节活动运动的限制。在示出的实施方式中，倾斜的端表面之一102K与另一倾斜的端表面102J相比具有相对于轴线更大的倾斜角，使得关节活动构件102能够向内倾斜比向外更大的角度。

如图6所示，邻接的关节活动构件102之间的最小打开角θmin可以通过将更小倾斜的端表面102J与端表面102L接合而实现。如图7所示，邻接的关节活动构件102之间的最大打开角θmax可以通过将更大倾斜的端表面102K与端表面102L接合而实现。由此，每对邻接的关节活动构件102可以相对于彼此弯曲在最大打开角θmax和最小打开角θmin之间的任何角度。

自由滚子106绕每个关节活动构件102设置。自由滚子106包括通过以轴向隔开的关系设置的一对球轴承108绕关节活动构件102的柱形部分102A可转动地支撑的金属套管106A和硬化(vulcanize)在金属套管106A的周向外表面上的橡胶衬垫106B。该自由滚子106具有与关节活动构件102的柱形部分102A大致相同的轴向长度。球轴承108的内座圈由环构件轴向间隔开，并且通过装配在绕另一轴向端部102E形成的周向凹槽102M中的C形环110共同地保持不进行轴向运动。套管构件102的周向内表面在其轴向中部设有周向脊，以维持球轴承108的外座圈之间的轴向间隔。

由此，关节活动构件102通过球轴承108绕套管构件102A的中央轴线支撑自由滚子106。换句话说，自由滚子106绕由关节活动构件102的中央轴线的集合体给出的圆形截面中线D(或其切线)单独地可转动。

由此关节活动构件102共同地起可转动地支撑像串珠的珠子一样的自由滚子106的环形构件的作用。与使用刚性的环形构件来支撑主轮的自由滚子的WO2008132779A(US2010096905A1)中所公开的倒摆型车辆的主轮相对照，本发明的牵引轮100能够容易且低成本地制造。特别地，根据本发明，因为不需要将每个滚子支撑在弓形的环形构件上，每个自由滚子的部件能够被简化，并且制造过程能够简化。

在示出的实施方式中，最小打开角θmin被选择为导致邻接的自由滚子106彼此不太平行地接合地面(或待致动对象)，但是允许多个自由滚子106如图6所示同时接合地面的角度。最大打开角θmax被选择为防止如图7中所示(特别是图7中上部处)邻接的自由滚子106之间干涉的角度。并且，最大打开角θmax可以被选择为在任何给定的时刻允许希望数量(例如三个)的自由滚子106接合路面的角度。

如图3和图5所示，因为驱动滚子56L和56R从两个侧向侧接合限定牵引轮100的外周部分的自由滚子106的橡胶滚子部分106B的外周表面，不仅牵引轮100被保持在大致环形的形状且牵引轮100的中央轴线B与驱动盘48的中央轴线A大致同轴地设置，而且驱动盘48的驱动力通过驱动滚子56摩擦地传递至自由滚子106。

左驱动盘48L的滚子轴54L被设置成相对于右驱动盘48R的滚子轴54R对称，并且相对于相应的中央轴线A成倾斜关系。特别地，驱动滚子56通过各自的滚子轴54可转动地支撑，使得驱动滚子56的转动平面相对于驱动盘48的中央轴线(转动中心)A既不平行也不垂直地设置。驱动滚子56在驱动盘48上的位置关系可以类似于预定锥角的螺旋锥齿轮的齿轮齿。驱动单元40的基本原理的更多详细描述参见WO2008132779A(US2010096905A1)。

在示出的实施方式中，牵引轮100的转动和自由滚子106的转动的模式由两个驱动盘48L和48R的转动的模式确定。当两个驱动盘48L和48R以相同的方向和相同的速度转动时，牵引轮100周向或绕中央轴线A转动，同时自由滚子106不绕各自的轴线转动，使得车辆根据驱动盘48L和48R的转动方向向前或向后行进。

当两个驱动盘48L和48R以相反的方向和相同的速度转动时，牵引轮100保持静止，同时自由滚子106绕各自的轴线转动，使得车辆根据驱动盘48L和48R的转动方向侧向行进。

当两个驱动盘48L和48R以互相不同的速度转动时，牵引轮100绕中央轴线A以相应于两个驱动盘48L和48R的平均转动速度的速度转动，并且驱动滚子92绕各自的轴线以相应于两个驱动盘48L和48R的转动速度之间的差的速度转动。

因此，通过控制电动马达64L和64R并且从而适当地选择两个驱动盘48L和48R的转动速度，车辆被允许沿作为前后运动和侧向运动的复合的任何希望的方向行进。

因为如图6所示由于倾斜的表面102J和相对的端表面102L之间的抵靠而防止在路面接触区域邻接的关节活动构件102之间的向上弯曲角超过最小角θmin，所以同时与路面接合的自由滚子106被防止与地面平行地布置或排列。特别地，示出的实施方式中的最小角θmin被选择成使得自由滚子106中的三个与路面同时接触，而不是这些自由滚子106与路面平行布置。换句话说，同时接合路面的三个自由滚子106沿弧线布置。由此，牵引轮100经过接合路面的自由滚子106的转动的侧向运动可以以适当的牵引力以稳定的方式实现。

此外，因为如图6所示由于倾斜的表面102K与相对的端表面102L之间的抵靠，邻接的关节活动构件102之间的弯曲角不超过最大角θmax，所以防止邻接的自由滚子106彼此干涉。

虽然按照优选的实施方式描述了本发明，但是本领域技术人员将清楚，在不脱离权利要求书所述的本发明的范围的情况下可以进行多种变型和修正。例如，示出的实施方式的波齿轮装置72可以由行星齿轮装置或任何其他的紧凑并且能够实现高齿轮比的减速装置替代。

根据巴黎公约要求其优先权的原始日本专利申请的内容、以及本发明中提及的任何现有技术文献的内容均通过引用包含在本申请中。

Claims (9)

1.一种摩擦驱动装置，包括：

框架；

一对驱动盘，其以大致同轴的关系彼此相对地由所述框架可转动地支撑；

动力源，其安装在所述框架上，用于单独地转动致动所述驱动盘；

牵引轮，其介于所述驱动盘之间，所述牵引轮包括枢转地串联连接成环的多个关节活动构件以及由每个关节活动构件可转动地支撑以能够绕沿着所述环延伸的轴线转动的自由滚子；

多个驱动滚子，其以大致规律的间隔角沿每个驱动盘的周边部分枢转地支撑并且以倾斜的角度接合所述自由滚子，

每对邻接的所述关节活动构件的相对的端面设有限定邻接的关节活动构件之间的关节活动角度的限制的抵靠表面，

所述关节活动构件的关节活动角度的最小角被选择为导致邻接的所述自由滚子彼此不太平行地接合地面，但是允许多个所述自由滚子同时接合地面的角度。

2.如权利要求1所述的摩擦驱动装置，其中，每个关节活动构件包括柱形构件，且相应的自由滚子绕所述柱形构件设置以能够绕柱形构件的中央轴线转动。

3.根据权利要求1所述的摩擦驱动装置，其中，所述关节活动构件的关节活动角度的最大角被选择为防止邻接的所述自由滚子之间干涉的角度。

4.根据权利要求1所述的摩擦驱动装置，其中，所述关节活动构件的关节活动角度的最大角被选择为在任何给定的时刻允许希望数量的所述自由滚子接合路面的角度。

5.一种万向车辆，其包括使用牵引轮作为地面接触推进轮的根据权利要求1所述的摩擦驱动装置。

6.一种牵引轮，包括：

多个关节活动构件，其枢转地串联连接成环；以及

自由滚子，其由每个关节活动构件可转动地支撑从而能够绕沿着所述环延伸的轴线转动，

每对邻接的所述关节活动构件的相对的端面设有限定邻接的关节活动构件之间的关节活动角度的限制的抵靠表面，

所述关节活动构件的关节活动角度的最小角被选择为导致邻接的所述自由滚子彼此不太平行地接合地面，但是允许多个所述自由滚子同时接合地面的角度。

7.根据权利要求6所述的牵引轮，其中，每个关节活动构件包括柱形构件，且相应的构件绕所述柱形构件设置以能够绕柱形构件的中央轴线转动。

8.根据权利要求6所述的牵引轮，其中，所述关节活动构件的关节活动角度的最大角被选择为防止邻接的所述自由滚子之间干涉的角度。

9.根据权利要求6所述的牵引轮，其中，所述关节活动构件的关节活动角度的最大角被选择为在任何给定的时刻允许希望数量的所述自由滚子接合路面的角度。