CN105197155B - 多工作模式轮式行走装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多工作模式轮式行走装置，包括可动态平衡的两轮车，两轮车包括车架以及设于车架前、后端的前、后车轮机构，车轮机构包括轴座、车叉和车轮，轴座于车架底部安装，车叉的转轴于轴座内安装，车轮于车叉内安装，车架上设有转动车叉的车叉转动机构，车叉上设有驱动车轮转动的车轮驱动机构，还包括侧向车轮机构，侧向车轮机构包括转架、侧向车叉和侧向车轮，转架于车架一侧铰装，侧向车叉的转轴于转架内安装，侧向车轮于侧向车叉内安装，车架上设有转架转动机构，转架内设有侧向车叉转动机构，侧向车叉上设有侧向车轮驱动机构。本发明通过调整侧向车轮机构和车轮的前进方向可实现行走的多种工作模式。

Description

多工作模式轮式行走装置

技术领域

本发明涉及自行车机器人应用技术，具体为一种多工作模式轮式行走装置。

背景技术

自行车机器人和Segway两轮车(一种电力驱动、具有自我平衡能力的个人用运输载具)属于静态不稳定但动态可稳定的轮式行走机构，通过在自行车机器人车架上加装机械调节装置实现无人驾驶自行车自平衡。由于机器人自行车不受地形及环境影响，可将其引入复杂地形、恶劣环境，在运输和营救以及对地面环境的监控与探测方面发挥作用，具有潜在应用价值。

目前单独针对自行车研究得比较深入，在国外，日本村田研究开发的能骑自行车的机器人“村田顽童”，在国内，北京邮电大学郭磊等人研究的无人驾驶自行车机器人，无论是机器人的机构设计还是平衡控制，均取得了一定的成果；Segway两轮车更是走进了人们的生活，为人类的出行提供便利。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种动态稳定的可实现自行车机器人、Segway两轮车和三轮车相互转换的多工作模式轮式行走装置。

能够实现上述目的的多工作模式轮式行走装置，其技术方案包括可动态平衡的两轮车，所述两轮车包括车架以及设于车架前、后端的前、后车轮机构，所述车轮机构包括轴座、车叉和车轮，所述轴座于车架底部安装，所述车叉的转轴于轴座内安装，所述车轮于车叉内安装，于车架上设有360°转动车叉的车叉转动机构，所述车叉上设有驱动车轮转动的车轮驱动机构，与现有技术所不同的是还包括侧向车轮机构，所述侧向车轮机构包括转架、侧向车叉和侧向车轮，所述转架于车架一侧铰装，所述侧向车叉的转轴于转架内安装，所述侧向车轮于侧向车叉内安装，于车架上设有可将转架转出使侧向车轮竖直向下(工作于三轮状态)、将转架转回使侧向车轮收藏于车架内的转架转动机构，所述转架内设有360°转动侧向车叉的侧向车叉转动机构，所述侧向车叉上设有驱动侧向车轮转动的侧向车轮驱动机构。

所述转架转动机构的一种结构包括薄饼电机、相互啮合的转架主动齿轮和转架从动齿轮，所述薄饼电机通过机架安装于车架上，所述转架主动齿轮安装于薄饼电机的输出轴上，所述转架从动齿轮安装于转架的铰装轴；所述转架的铰装轴上还安装有转架编码器齿轮，所述转架编码器齿轮分别与转架绝对编码器齿轮和转架增量编码器齿轮啮合，所述转架绝对编码器齿轮和转架增量编码器齿轮分别安装于转架绝对编码器和转架增量编码器的输出轴上，所述转架绝对编码器和转架增量编码器安装于转架上。

所述侧向车叉转动机构的一种结构包括转动电机、相互啮合的侧向车轮主动齿轮和侧向车轮从动齿轮，所述转动电机于转架上安装，所述侧向车轮主动齿轮于转动电机的输出轴上安装，所述侧向车轮从动齿轮于侧向车叉的转轴上安装；所述侧向车轮从动齿轮还分别与侧向车轮绝对编码器齿轮和侧向车轮增量编码器齿轮啮合，所述侧向车轮绝对编码器齿轮和侧向车轮增量编码器齿轮分别安装于侧向车轮绝对编码器和侧向车轮增量编码器的输出轴上，所述侧向车轮绝对编码器和侧向车轮增量编码器安装于转架上。

所述车叉转动机构包括薄饼电机、相互啮合的车轮主动齿轮和车轮从动齿轮，所述薄饼电机通过机座安装于车架上，所述车轮主动齿轮于薄饼电机的输出轴上安装，所述车轮从动齿轮安装于车叉的转轴上；所述车轮从动齿轮还分别与车轮绝对编码器齿轮和车轮增量编码器齿轮啮合，所述车轮绝对编码器齿轮和车轮增量编码器齿轮分别安装于车轮绝对编码器和车轮增量编码器的输出轴上，所述车轮绝对编码器和车轮增量编码器安装于机座上。

所述车轮驱动机构与侧向车轮驱动机构相同，其一种简单结构均采用薄饼电机，所述薄饼电机的输出轴上安装驱动主动齿轮，所述驱动主动齿轮与车轮或侧向车轮钢圈上的内齿圈啮合。

本发明的有益效果：

1、本发明多工作模式轮式行走装置通过调整前、后车轮机构的行驶方向和调节侧向车轮机构的工作位置和行驶方向，可使行走装置分别处于三轮纵向行驶状态、三轮横向行驶状态、带机械调节器(侧向车轮机构收回)的二轮横向行驶Segway状态、带机械调节器(侧向车轮机构收回)的二轮纵向行驶自行车状态。

2、本发明工作于三轮行走状态，具有自然平衡和零半径转向等优点；工作于两轮状态，收回的侧向车轮机构充当机械调节器，易于在两轮状态时装置的平衡。

3、本发明实现了从自行车机器人向三轮车机器人的转换，实现了两种机器人的有机联系，机构设计简单，加工装配性好。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的结构示意图，显示为三轮纵向行驶工作模式。

图2为图1实施方式的三轮横向行驶工作模式。

图3为图1实施方式的二轮横向行驶工作模式。

图4为图1实施方式的二轮纵向行驶工作模式。

图号标识：1、车架；2、轴座；3、车叉；4、车轮；5、转架；6、薄饼电机；7、转架从动齿轮；8、机架；9、转架编码器齿轮；10、转架绝对编码器齿轮；11、转架增量编码器齿轮；12、转架绝对编码器；13、转架增量编码器；14、转动电机；15、侧向车轮主动齿轮；16、侧向车轮从动齿轮；17、侧向车叉；18、侧向车轮；19、侧向车轮绝对编码器齿轮；20、侧向车轮增量编码器齿轮；21、侧向车轮增量编码器；22、车轮从动齿轮；23、机座；24、车轮绝对编码器齿轮；25、车轮增量编码器齿轮；26、车轮绝对编码器；27、车轮增量编码器；28、内齿圈。

具体实施方式

下面结合附图所示实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明多工作模式轮式行走装置是在可动态平衡的两轮车上加装侧向车轮机构，实现两轮车的静态平衡和运动的稳定，并且侧向车轮机构还可以充当机械调节器，易于本发明在两轮状态时装置的平衡。

所述的两轮车包括车架1以及设于车架1前、后端的前、后车轮机构，所述的前、后车轮机构采用相同的结构。

所述车轮机构相同的结构包括轴座2、车叉3和车轮4，所述轴座2(内置有轴承)于车架1底部安装，所述车叉3顶部的转轴于轴座2内配合轴承安装，配装后的转轴伸出车架1顶部，所述车轮4于车叉3内安装，所述车叉3上设有驱动车轮4转动的车轮驱动机构，对应于车叉3的伸出位置于车架1上设有360°转动车叉3的车叉转动机构，如图1、图2、图3、图4所示。

所述车叉转动机构包括薄饼电机6、相互啮合的车轮主动齿轮和车轮从动齿轮22以及车轮绝对编码器26和车轮增量编码器27，所述车轮从动齿轮22安装于车叉3转轴伸出的轴端上，所述薄饼电机6通过机座23于车轮从动齿轮22侧旁安装于车架1上，所述车轮主动齿轮安装于薄饼电机6的输出轴上，所述车轮绝对编码器26和车轮增量编码器27于机座23上安装并处于车轮从动齿轮22另一侧旁，车轮绝对编码器26输出轴上安装的车轮绝对编码器齿轮24与车轮从动齿轮22啮合，车轮增量编码器27输出轴上安装的车轮增量编码器齿轮25与车轮从动齿轮22啮合，如图1、图2、图3、图4所示。

所述车轮驱动机构包括薄饼电机6以及相互啮合的驱动主动齿轮和内齿圈28，所述薄饼电机6安装于车叉3的一侧，所述驱动主动齿轮安装于薄饼电机6的输出轴上，所述内齿圈28安装于车轮4的钢圈上，如图1、图2、图3、图4所示。

所述侧向车轮机构设于车架1的前侧，并处于前、后车轮机构的中央，包括U形转架5、侧向车叉17和侧向车轮18，所述转架5的两侧部通过前后方向的销轴与车架1铰装，所述侧向车叉17顶部的转轴通过轴承于转架5的底部安装并伸进在U形转架5内部，所述车架1与转架5之间设有转架转动机构将侧向车轮机构转出使侧向车轮18变为第三轮而参与平衡或行走、和将侧向车轮机构收回在车架1内部的中空槽中充当机械调节器，所述转架5与侧向车叉17的转轴之间设有360°转动侧向车叉17的侧向车叉转动机构，所述侧向车叉17与侧向车轮18之间设有驱动侧向车轮18转动的侧向车轮驱动机构，如图1、图2、图3、图4所示。

所述转架转动机构包括薄饼电机6、相互啮合的转架主动齿轮和转架从动齿轮7以及转架绝对编码器12和转架增量编码器13，所述薄饼电机6通过机架8于转架5侧旁安装于车架1上，所述转架主动齿轮于薄饼电机6的输出轴上安装，所述转架从动齿轮7于转架5对应侧的销轴上安装，转架5另一侧的销轴上安装转架编码器齿轮9，所述转架绝对编码器12和转架增量编码器13于对应侧的转架5上安装，转架绝对编码器12输出轴上的转架绝对编码器齿轮10与转架编码器齿轮9啮合，所述转架增量编码器13输出轴上的转架增量编码器齿轮11与转架编码器齿轮9啮合，如图1、图2、图3、图4所示。

所述侧向车叉转动机构包括转动电机14、相互啮合的侧向车轮主动齿轮15和侧向车轮从动齿轮16以及侧向车轮绝对编码器和侧向车轮增量编码器21，所述转动电机14于侧向车叉17的转轴侧旁安装于转架5的底部，侧向车轮主动齿轮15安装于转动电机14的输出轴上，所述侧向车轮从动齿轮16安装于侧向车叉17的转轴上，所述侧向车轮绝对编码器和侧向车轮增量编码器21于侧向车叉17转轴另一侧安装于转架5的底部上，侧向车轮绝对编码器输出轴上的侧向车轮绝对编码器齿轮19与侧向车轮从动齿轮16啮合，所述侧向车轮增量编码器21输出轴上的侧向车轮增量编码器齿轮20与侧向车轮从动齿轮16啮合，如图1、图2、图3、图4所示。

所述侧向车轮驱动机构采用与上述车轮驱动机构相同的结构。

上述结构中，通过增量式编码器测量转速和通过绝对式编码器测量转角，将测量值反馈给系统的驱动器，形成闭环控制，以增加电机的控制精度。

本发明的四种工作模式：

1、图1为三轮着地纵向行驶状态。

转架转动机构将侧向车轮18转出在竖直位置，侧向车轮转动机构将侧向车轮18的方向调整为纵向，前、后车轮转动机构将前、后车轮4的方向调整为纵向。

2、图2为三轮着地横向行驶状态。

图1状态下，侧向车轮转动机构将侧向车轮18的方向调整为横向，前、后车轮转动机构将前、后车轮4的方向调整为横向。

3、图3为两轮的Segway行驶状态(自平衡)。

图2状态下，转架转动机构将侧向车轮18收回至转架5的中空槽内，此时的侧向车轮机构作为机械调节器使用。

4、图4为两轮的自行车行驶状态。

图3状态下，前、后车轮转动机构将前、后车轮4的方向调节为纵向，收回的侧向车轮机构同样作为机械调节器使用。

本发明给自行车和Segway两轮车安装了侧向车叉17和侧向车轮18，将侧向车叉17设计成可360°旋转，并且侧向车叉17和侧向车轮18可折叠收起，使侧向车轮18变成机械调节装置，使得本发明可根据需要在三轮行走模式、带机械调节器的Segway两轮行走模式和带机械调节器的自行车行走模式之间转换。

Claims (5)

1.多工作模式轮式行走装置，包括可动态平衡的两轮车，所述两轮车包括车架(1)以及设于车架(1)前、后端的前、后车轮机构，所述车轮机构包括轴座(2)、车叉(3)和车轮(4)，所述轴座(2)于车架(1)底部安装，所述车叉(3)的转轴于轴座(2)内安装，所述车轮(4)于车叉(3)内安装，于车架(1)上设有360°转动车叉(3)的车叉转动机构，所述车叉(3)上设有驱动车轮(4)转动的车轮驱动机构，其特征在于：还包括侧向车轮机构，所述侧向车轮机构包括转架(5)、侧向车叉(17)和侧向车轮(18)，所述转架(5)于车架(1)一侧铰装，所述侧向车叉(17)的转轴于转架(5)内安装，所述侧向车轮(18)于侧向车叉(17)内安装，于车架(1)上设有可将转架(5)转出使侧向车轮(18)竖直向下、将转架(5)转回使侧向车轮(18)收藏于车架(1)内的转架转动机构，所述转架(5)内设有360°转动侧向车叉(17)的侧向车叉转动机构，所述侧向车叉(17)上设有驱动侧向车轮(18)转动的侧向车轮驱动机构。

2.根据权利要求1所述的多工作模式轮式行走装置，其特征在于：所述转架转动机构包括第一薄饼电机、相互啮合的转架主动齿轮和转架从动齿轮(7)，所述第一薄饼电机通过机架(8)安装于车架(1)上，所述转架主动齿轮安装于第一薄饼电机的输出轴上，所述转架从动齿轮(7)安装于转架(5)的铰装轴；所述转架(5)的铰装轴上还安装有转架编码器齿轮(9)，所述转架编码器齿轮(9)分别与转架绝对编码器齿轮(10)和转架增量编码器齿轮(11)啮合，所述转架绝对编码器齿轮(10)和转架增量编码器齿轮(11)分别安装于转架绝对编码器(12)和转架增量编码器(13)的输出轴上，所述转架绝对编码器(12)和转架增量编码器(13)安装于转架(5)上。

3.根据权利要求1所述的多工作模式轮式行走装置，其特征在于：所述侧向车叉转动机构包括转动电机(14)、相互啮合的侧向车轮主动齿轮(15)和侧向车轮从动齿轮(16)，所述转动电机(14)于转架(5)上安装，所述侧向车轮主动齿轮(15)于转动电机(14)的输出轴上安装，所述侧向车轮从动齿轮(16)于侧向车叉(17)的转轴上安装；所述侧向车轮从动齿轮(16)还分别与侧向车轮绝对编码器齿轮(19)和侧向车轮增量编码器齿轮(20)啮合，所述侧向车轮绝对编码器齿轮(19)和侧向车轮增量编码器齿轮(20)分别安装于侧向车轮绝对编码器和侧向车轮增量编码器(21)的输出轴上，所述侧向车轮绝对编码器和侧向车轮增量编码器(21)安装于转架(5)上。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的多工作模式轮式行走装置，其特征在于：所述车叉转动机构包括第二薄饼电机、相互啮合的车轮主动齿轮和车轮从动齿轮(22)，所述第二薄饼电机通过机座(23)安装于车架(1)上，所述车轮主动齿轮于第二薄饼电机的输出轴上安装，所述车轮从动齿轮(22)安装于车叉(3)的转轴上；所述车轮从动齿轮(22)还分别与车轮绝对编码器齿轮(24)和车轮增量编码器齿轮(25)啮合，所述车轮绝对编码器齿轮(24)和车轮增量编码器齿轮(25)分别安装于车轮绝对编码器(26)和车轮增量编码器(27)的输出轴上，所述车轮绝对编码器(26)和车轮增量编码器(27)安装于机座(23)上。

5.根据权利要求1～3中任意一项所述的多工作模式轮式行走装置，其特征在于：所述车轮驱动机构与侧向车轮驱动机构相同，均包括第三薄饼电机，所述第三薄饼电机的输出轴上安装驱动主动齿轮，所述驱动主动齿轮与车轮(4)或侧向车轮(18)钢圈上的内齿圈(28)啮合。