CN106163823B - 用于使车辆移动的球形轮和使用所述轮的车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于使车辆移动的球形轮以及使用轮的车辆。轮(10)包括两个罩(15，16)，其表面遵循着轮(10)的球形面，罩(15，16)各自通过枢转连接结构(19，20)相对于轴铰接式运动。轮(10)进一步包括两个脚轮(28，29)，每个脚轮布置在每个罩(15，16)的开口中，开口关于对应的枢转连接结构(19，20)的轴线(21，22)定中心，每个脚轮(28，29)与所涉及到的罩(15，16)的枢转连接结构(19，20)对齐。每个脚轮(28，29)确保了在球形面上滚动。每个罩(15，16)的开口的半径S以及对应的脚轮(28，29)的半径r被限定为基本上平衡当轮(10)从在开口边缘处利用罩(15，16)支承于地面上变成利用对应脚轮(28，29)支承于地面上时驱动罩(15，16)和对应的脚轮(28，29)所需的力。

Description

用于使车辆移动的球形轮和使用所述轮的车辆
技术领域
本发明涉及用于使车辆移动的球形轮以及使用所述轮的车辆。
背景技术
常规地，四轮车辆配备有方向轮，使他们能够改变方向。轮通过枢转连接结构联接到车辆，并且在为方向轮的情况下，增加了额外的旋转自由度。当方向轮是驱动轮时，万向节使得能够驱动轮，同时使其能够调整枢转连接结构的轴线的方位。这种类型的构造不能产生小的转弯半径。换言之，不能使车辆在无速度情况下适当枢转。
而且，已经尝试生产具有能够各自靠其自身枢转的球形轮的车辆。这种生产的示例在编号为JP 2007-210576下公开的专利申请中进行了描述。该文献描述了包括两个半球体的轮。该轮是通过旋转地驱动支承两个半球体的支撑件的水平电动机轴来致动的。两个半球体安装到支撑件上，每个都经由枢转连接结构。两个枢转连接结构对准。它们共同的轴线与电动机轴的旋转轴线成直角。诸如机器人的车辆能够被配置有如文献JP 2007-210576中所描述的四个轮。然后，四个轮的电动机轴的轴线布置成彼此成直角。轮随后成对地对准。第一对的两个轮的驱动使得能够沿着与该对轮的共同轴线成直角的方向移动车辆。对于第二对轮，半球体绕它们的枢转连接结构自由地回转。机器人沿着成直角的方向的移动是通过驱动第二对轮而获得的。组合的运动当然是可能的。这使得车辆能够沿任意方向移位，甚至绕其自身回转。
轮的驱动轴通过轮的位于两个半球体之间的赤道面而穿入轮中。赤道面通过类似于地球来限定。该平面将两个半球体分开，两个半球体能够比拟成南北半地球。电动机轴必须具有一定的刚度，这强制其有最小直径。因此，两个半球体由至少该直径分开。实际上，防止半球体摩擦电动机轴的功能游隙必须增加到轴的直径。因此，获得了每个均由一个平面界定的两个半球体。两个半球体的平面是平行的且布置在没有损害电动机轴的刚度的风险的情况下不会减小的距离处。
当轮的两个赤道面位于相对于地面的垂直位置时，地面上轮的支承的不连续性出现，假设地面是水平的。更具体地，当轮是驱动轮时，轮的赤道面在每次轮回转时与地面接触且导致地面支承从一个半球体的平面过渡到另一个且因此从一个半球体的平面过渡到另一个。在通过该不连续性的过渡中，会发生抓取损失，轮的球形瞬间丢失，在高速下，在每次过渡时出现噪声。
在申请人的名下于2012年4月30日提交的法国专利申请FR 12-53981中，与文献JP2007-210576中所描述的密切相关的另一球形轮被提出。该另一球形轮通过使得界定两个半球体的平面正割而减少了通过轮的赤道面的过渡的不连续性的缺陷。实际上，不再使用术语“半球体”，替代成术语“罩”以限定两个轮零件，其中每个表面遵循着轮的球形面。“罩”各自通过枢转连接结构相对于轮的电动机关节式运动。两个罩各自由平面界定，并且两个平面成正割。换言之，两个枢转连接结构的轴线不再对准。
这两个实现展现出了当枢转连接结构中的一个的轴线与地面成直角时的奇异性。在该构造中，如果使用轮的车辆具有不与所涉及的轮的驱动轴线成直角的速度向量，则后者在其与地面的接触点滑移。为避免该滑移，每个罩(或半球体)包括布置在脚轮，脚轮布置在所涉及的罩的枢转连接结构的延伸部上且确保了在球形面上的滚动。脚轮具有绕着与轮的驱动轴线成直角的轴线的旋转自由度。该旋转运动足以避免轮在奇异性构造中的滑移。脚轮各自具有遵循着轮的球形面的滚动线。
在文献JP 2007-210576以及法国专利申请FR 12-53981中，脚轮尽可能小从而保持罩表面对于轮而言尽可能大。实际上，轮可以仅当在其罩的表面上与地面接触时才是驱动轮。因此，存在最大程度地减小脚轮尺寸的动机，尤其是仅可能地减小在每个罩中产生的圆形开口以允许相应的脚轮通过。
申请人在室内进行的测试表明，在通过奇异性的过渡时，所涉及到的罩的旋转速度非常显著地变化，这由于罩的惯性而带来了缺陷。更具体地，对于车辆的恒定线速度，与地面接触的罩的旋转速度能够从罩的旋转发生于界定其的平面的水平处时的最小值变成当罩的旋转发生于为脚轮通过而形成的开口的边缘的水平处时的最大值。仍是对于车辆的恒定线速度，能够具有将与地面的不同接触点串接在一起的序列：
●在界定罩的平面上与地面接触，
●通过开口边缘的过渡，
●在脚轮上滚动，
●再次通过开口的边缘的过渡，
●以及最后返回到界定罩的平面。
在通过开口边缘的第一次过渡时，罩绕其枢转连接结构的旋转速度发生于在通过开口边缘的第二次过渡瞬间必须反向的方向上以免罩与地面的任何摩擦。罩的惯性会妨碍该旋转方向的反向。因为通过罩达到的高旋转速度，当开口的尺寸小时，该妨碍反而更大。该妨碍随着车辆的线速度的增加而进一步放大。实际上，该线速度的增加趋向于提高罩的旋转速度且减少在奇异性附近旋转速度反向可用的时间。罩的这些突然的速度变化使得对于脚轮而言需要动能的大的输入并且会产生轮与地面之间的摩擦风险。
发明内容
本发明目的是降低在奇异性附近罩的旋转速度。为此目的，本发明的主题是用来移动车辆的半径R的球形轮，该轮是通过能够绕轴线旋转的轴来驱动而旋转的，轮包括两个罩，罩的表面遵循着轮的球形面且各自由平面界定，罩均通过枢转连接结构相对于轴绕着与所涉及到的罩的平面成直角的轴线关节式运动，轮进一步包括两个脚轮，每个脚轮布置在每个罩的开口中，开口是圆形的且关于对应的枢转连接结构的轴线定中心，每个脚轮布置在所涉及到的罩的枢转连接结构的延伸部中，每个脚轮绕着与轴的轴线成直角的轴线自由旋转，每个脚轮确保球形面水平处的滚动，其特征在于，每个罩的开口具有绕其枢转连接结构的轴线的半径S，并且每个罩的开口的半径S以及对应的脚轮的半径r被限定为使得基本上平衡当轮从在开口边缘处利用罩支承于地面上变成利用对应脚轮支承于地面上时驱动罩和对应的脚轮所需的力。
脚轮的滚动线占据了在球形轮的中心上定中心的角扇区。该角扇区有益地大于35°。
本发明的另一主题是包括至少三个根据本发明的轮的车辆。至少两个轮的轴的轴线不对准。
申请人在室内实施的其它测试证实，在通过奇异性的过渡时，脚轮的较小的直径导致对于车辆的相同的线速度而言其角速度的增加。因为脚轮未被驱动且绕其旋转轴线是自由的，所以必须是车辆的移动来驱动脚轮。在通过奇异性的过渡时，脚轮必须从零速度变成大的速度。由于脚轮的惯性，在脚轮与地面之间发生摩擦。此外，脚轮的旋转速度的快速变化再次使得需要在轮在地面上的接触离开用于脚轮的罩的瞬间的极短时间内输入动能。该能量的输入能够产生车辆移动中的急牵。
因为动能是脚轮的旋转速度的平方的函数，所以本发明有益地旨在借助脚轮的直径的增加来减少该能量的输入，这导致驱动脚轮所需的动能的减少。本发明明显地使得能够降低在脚轮的旋转驱动中可能发生的摩擦的风险。本发明在高车速时具有极大用途。
为此，每个脚轮绕其相应轴线的较大的半径r大于球形轮的半径R的四分之一。该涉及到脚轮的半径r的特征已经提供了优点，即使上述限定且由脚轮占据的角扇区小于35°。
附图说明
通过阅读以示例的方式给出的实施例的详细说明，本发明能够易于理解且其它优点将变得显而易见，该说明是通过附图来图示说明的，在附图中：
图1和图2表示根据本发明的第一变型球形轮；
图3表示根据本发明的第二变型球形轮；
图4在部分剖视图中表示图1和图2的轮；
图5表示图1和图2的轮的另一外部视图；
图6以立体图和部分剖视图表示图1和图2的轮；
图7表示配备有多个图1和图2的轮的车辆的示例。
具体实施方式
为清晰起见，在不同的图中相同的元件将赋予相同的标记。
图1和图2表示用于使车辆11移动的半径为R的球形轮10。图1是轮廓表示，图2是立体表示。轮10通过轴12驱动而旋转。车辆11由其外壳来表示且轴12通过枢转连接结构13连接到外壳。轴12的旋转轴线被赋予标记14。
轮10包括两个罩15和16，罩的外表面遵循着轮10的球形面。罩15由平面17界定，并且罩16由平面18界定。罩15和16各自通过分别表示为19和20的枢转连接结构相对于轴12关节式运动。枢转连接结构19的轴线21与罩15的平面17成直角，并且枢转连接结构20的轴线22与罩16的平面18成直角。两个枢转连接结构19和20布置在其相应的罩内且将在后面详述。
能够制成不同的罩15和16，但是有益地，罩15和16相同且相对于轴12对称地布置。换言之，平面17和18沿着与轴12的轴线14具有交叉点23的线交叉。在该构造中，两个枢转连接结构19和20的轴线21和22交叉且在轴线之间形成非零角。
轮10旨在图1和图2中标记为25的地面上滚动。两个罩15或16中的一个与地面25接触。当轴12驱动轮10时，轮10根据轮10的球形面的圆26而保持与地面25接触。在该移动中，车辆具有在轴线14与包含圆26的平面之间的交叉点27处与轴线14成直角的速度向量。当施加于点26的车辆11的速度向量不与轴线14成直角时，与地面接触的罩开始自由地绕其枢转连接结构回转。
换言之，与地面25接触的罩能够由两个运动来驱动：绕轴线14的第一驱动旋转，以及绕其枢转连接结构的轴线的第二旋转。当然，两个旋转能够组合，取决于在点26处车辆的速度向量的方向。
图3代表了通过轴12远离车辆11驱动而旋转的变型球形轮30。轮30包括两个罩31和32，两个罩的表面遵循着轮30的球形面。罩31由平面33界定，罩32由平面34界定。不同于轮10，平面33和34彼此平行且与轴12的轴线14平行。在该变型例中，轴12平行于地面25，假设地面25是平坦的。
在轮10和30操作中，当与地面25接触的罩，图1中的罩16或者图3中的罩32，使其分别为18和34的平面为水平时，发生奇异性。
在该构造中，如果图1的车辆具有施加到点27的不与轴线14成直角的向量，则罩16不会绕其枢转连接结构20回转且在地面25上滑移。为避免该滑移，轮10包括两个脚轮28和29，脚轮与各罩相关联。每个脚轮布置在所涉及到的罩的枢转连接结构的延伸部中且确保在轮10的球形面上滚动。更具体地，罩15配备有脚轮28，罩16配备有脚轮29。脚轮28和29可具有绕着与轴线14成直角的轴线的单旋转自由度。该旋转运动足以避免轮在奇异性构造中的滑移。脚轮各自具有遵循着轮10的球形面的滚动线。
这同样适用于轮30，其包括两个脚轮37和38，脚轮与分别为31和32的罩中的每一个相关联。
说明书的其余部分是关于在图1和图3中所示的变型轮10给出的。所呈现的特征也适用于轮30。
图4在部分剖视图中表示出在包含两个脚轮28和29的旋转轴线的平面中的轮10。仅剖切罩15。轮10包括紧固到轴12上的支撑件40。支撑件40随轴12一起绕轴线14回转。
枢转连接结构19连接支撑件40和罩15。枢转连接结构19是由轴承42形成的。类似地，图4中隐藏的枢转连接结构20将支撑件40和罩16连接。当然，能够对于每个罩使用多个轴承，取决于对轮10所要求的刚度。在该实施例中，轴承42是通过介于支撑件40与罩15之间的间隔件43来形成的。间隔件43是由例如使得能够获得低摩擦系数的材料制成的。例如，能够使用聚四氟乙烯。有益的是，两个枢转连接结构19和20相同。轴承的其它实施例是可能的。例如，能够使用滚动轴承来限制枢转连接结构19和20的旋转中的抗扭矩。
枢转连接结构44经由支撑件40连接脚轮28和轴12。枢转连接结构44允许脚轮28绕轴线47自由地回转。枢转连接结构44是例如通过借助支撑件40支撑在其两端的轴45而制成的。轴45穿过脚轮28。脚轮28相对于轴45自由地回转。轴套能够放置在轴45与脚轮28之间。关于间隔件43，轴套能够由诸如例如聚四氟乙烯的低摩擦系数的材料制成。
类似地，枢转连接结构48类似于枢转连接结构44，隐藏于图4中，经由支撑件40将脚轮29和轴12连接。该枢转连接结构使脚轮29能够绕轴线49自由地回转。
脚轮28和29是筒形的，以使它们的图4中可见的相应的滚动线51和52遵循着轮10的球形形状。滚动线51或52是形成在脚轮28或29的表面上的曲线，最远离轴线14的曲线。在脚轮上，滚动线根据其旋转而在脚轮的表面上移动。脚轮的滚动线是形成在轮10的球形面上的圆圈部分。滚动线51位于与界定罩15的平面17成直角的平面中。类似地，滚动线52位于与界定罩16的平面18成直角的平面中。
图5表示出轮10的视图，该视图在一个脚轮如脚轮28上定中心。脚轮28出现在罩15中制成且在轴线21上定中心的圆形开口54中。每个罩的开口具有绕其相应枢转连接结构的轴线的半径S。
为避免当轮10在地面上的支承离开罩15，移到脚轮28且最终返回罩15时罩15的速度的突然变化，滚动线51的长度以及因此开口54的直径S增加。脚轮28和29中的每一个的滚动线51或52占据了在球形轮的中心上定中心的角扇区β。有益的是，角扇区β大于35°。室内测试表明，最优角扇区值位于45°与50°之间。通过构造，能够产生最大130°的角扇区。所取的值取决于不同的移动零件的惯性以及这些不同零件之间的摩擦。
脚轮28和29中的每一个绕其分别为47和49的轴线的最大半径表示为r。为了限制脚轮28和29的旋转速度，能够增加脚轮28和29的半径r。室内测试表明，当脚轮28和29中的每一个的半径r大于球形轮10的半径R的四分之一时，脚轮的速度的减少已经是明显的。
能够通过轴12和支撑件40的特点布置来实现半径r等于球形轮10的半径R的一半。轴12则将具有不达到球体中心的一端。在半径r等于半径R的一半的构造中，两个脚轮28和29触碰。这使得能够增加与地面25接触的脚轮的惯性。更具体地，当一个脚轮进入与地面接触时，其旋转驱动另一脚轮。所获得的惯性与仅一个脚轮的惯性相比基本上加倍。
也可以构思半径r与R之间的比例的其它中间值。虽然根据半径r等于球体的半径R的四分之一，脚轮的旋转速度的减少已经是有益的，但是已经发现，当脚轮28和29中的每一个绕其相应轴线47和49的最大半径r大于半径R的三分之一时，脚轮的旋转速度的减少尤其有益。
当然，对于球形轮30的脚轮27和28能够产生该相同的结构。
脚轮的半径r以及脚轮的滚动线所占据的角扇区β能够彼此独立地进行优化。而且，开口54的半径S连接到角扇区β从而将脚轮与其开口之间的功能游隙降到最大程度。有益的是，平衡当轮10从罩在其开口边缘处支承在地面上变成利用对应的脚轮支承于地面上以及相反情况时驱动罩和对应的脚轮所需的力。这使得能够避免在过渡瞬间轮10与地面之间的力的突然变化，该力的变化反映在轴12的急牵上以及因此反射在配备有轮10的车辆的急牵上。
一旦选定材料，力的平衡主要通过开口的半径S与对应的脚轮的半径r的相对尺寸来完成。更具体地，每个罩的开口的半径S和对应的脚轮的半径r被限定为基本上平衡当轮从在开口边缘处利用罩支承于地面上变成利用对应的脚轮支承于地面上时驱动罩和对应的脚轮所需的力。
对于每个罩，能够定义在所涉及到的罩与轴12之间的枢转连接结构水平处的摩擦扭矩Cfc，更具体地与支撑件40的摩擦扭矩。类似地，对于每个脚轮，能够将摩擦扭矩Cfr定义在其相对于轴12旋转的自由度上。
有益的是，获得由于两个枢转连接结构19和44或者20和48引起的摩擦力的静态平衡。静态平衡是通过限定罩的开口的半径S和对应脚轮的半径r而使得基本上遵守以下等式来获得的：
Cfc/S＝Cfr/r
而且，有益的是获得力的动态平衡。力是罩和对应脚轮的惯性的函数。这两个惯性是罩和对应脚轮的材料和尺寸的函数。罩和脚轮被限定成基本上平衡当轮从在开口边缘处利用罩支承于地面上变成利用脚轮支承于地面上时罩和对应的脚轮的动能。
更具体地，对于每个罩，惯性矩Ic绕所涉及到的罩与轴之间的枢转连接结构的轴线被定义。对于每个脚轮，惯性矩Ir绕轴线被定义每个脚轮相对于轮10的驱动轴12旋转的自由度上。罩15和16以及脚轮28和29的尺寸和材料被限定以便基本上遵守以下等式：
ωc表示当轮在开口边缘处利用罩支承于地面上时罩的旋转速度，ωr表示当轮从在开口边缘处利用罩支承于地面上变成利用脚轮支承于地面上时脚轮的旋转速度。
有益地，轮包括与每个脚轮相关联且经由支撑件40固定到轴12的两个盖56。图5和图6示出了与脚轮28相关联的两个盖56。盖56各自具有与平面17平行的平坦半月体的形式。盖56部分地从开口54覆盖脚轮28。盖56均相对于滚动线51对称地延伸。盖56紧固到支撑件40上。盖56使得能够限制颗粒通过开口54侵入轮10。尽管如此，在盖56与罩15之间提供功能游隙，以允许罩15绕着其枢转连接结构19旋转，而不摩擦盖56。
图7表示根据本发明配备有三个轮10的车辆11。该车辆例如是机器人。还可以将本发明应用于包括多于三个轮的车辆。例如，对于有四个轮的车辆，相对轮的轴线位于相对于水平地面而言相同的垂直平面上，从而形成两对轮。包含两对轮的轴线的平面成直角。更一般地，至少两个轮的轴的轴线不布置在同一平面中，这通过借助适当的控制将其轮10保持在地面25上而使得车辆能够在所有方向上移动。

Claims (12)

1.一种用于使车辆(11)移动的半径为R的球形轮，所述轮(10，30)通过能够绕轴线(14)旋转的轴(12)驱动而旋转，所述轮(10，30)包括两个罩(15，16；31，32)，所述罩的表面遵循着所述轮(10，30)的球形面且每个表面由平面(17，18；33，34)来界定，所述罩(15，16；31，32)各自通过枢转连接结构(19，20)相对于轴(12)绕着与所涉及到的罩(15，16；31，32)的平面(17，18；33，34)成直角的轴线(21，22)枢转连接，所述轮(10，30)进一步包括两个脚轮(28，29；37，38)，每个脚轮分别布置在相应的一个罩(15，16；31，32)的开口(54)中，所述开口(54)是圆形的且关于对应的枢转连接结构(19，20)的轴线(21，22)定中心，每个脚轮(28，29；37，38)布置在所涉及到的罩(15，16；31，32)的枢转连接结构(19，20)的延伸范围内，每个脚轮(28，29；37，38)绕着与所述轴(12)的轴线(14)成直角的轴线(47，49)自由旋转，每个脚轮(28，29；37，38)确保了在球形面处的滚动，其特征在于，每个罩(15，16；31，32)的开口(54)具有绕其枢转连接结构(19，20)的轴线(21，22)的半径S，并且每个罩(15，16；31，32)的开口(54)的半径S以及对应的脚轮(28，29；37，38)的半径r被限定为基本上平衡当轮(10，30)从在开口(54)的边缘处利用罩(15，16；31，32)支承在地面上变成利用对应的脚轮(28，29；37，38)支承于地面上时驱动罩(15，16；31，32)和对应的脚轮(28，29；37，38)所需的力。
2.根据权利要求1所述的轮，其特征在于，所述脚轮(28，29；37，38)的滚动线(51，52)占据了在球形轮(10，30)的中心上定中心的角扇区(β)，并且所述角扇区(β)大于35°。
3.根据权利要求2所述的轮，其特征在于，所述角扇区(β)小于125°。
4.根据权利要求2所述的轮，其特征在于，所述角扇区(β)在45°与50°之间。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的轮，其特征在于，每个脚轮(28，29；37，38)绕其相应轴线(47，49)的最大半径大于所述球形轮(10，30)的半径R的四分之一。
6.根据权利要求5所述的轮，其特征在于，每个脚轮(28，29；37，38)绕其相应轴线(47，49)的最大半径大于所述球形轮(10，30)的半径R的三分之一。
7.根据权利要求6所述的轮，其特征在于，每个脚轮(28，29；37，38)绕其相应轴线(47，49)的最大半径等于所述球形轮(10，30)的半径R的一半。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的轮，其特征在于，对于每个罩(15，16；31，32)，摩擦扭矩Cfc被定义在所涉及到的罩(15，16；31，32)与轴(12)之间的枢转连接结构(19，20)处，对于每个脚轮(28，29；37，38)，摩擦扭矩Cfr被定义在其相对于所述轴(12)旋转的自由度上，所述罩(15，16；31，32)的开口(54)的半径S以及脚轮(28，29；37，38)的半径r被限定为使得实质上遵守以下等式：
Cfc/S＝Cfr/r。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的轮，其特征在于，所述罩(15，16；31，32)和所述脚轮(28，29；37，38)被限定为基本上平衡当轮(10，30)从在开口(54)的边缘处利用罩(15，16；31，32)支承于地面上变成利用脚轮(28，29；37，38)支承于地面上时罩(15，16；31，32)的动能以及对应脚轮(28，29；37，38)的动能。
10.根据权利要求9所述的轮，其特征在于，对于每个罩(15，16；31，32)，惯性矩Ic绕着所涉及的罩(15，16；31，32)与轴(12)之间的其枢转连接结构的轴线被定义，对于每个脚轮(28，29；37，38)，惯性矩Ir绕着轴线(47，49)被定义在每个脚轮相对于轴(12)旋转的自由度上，并且，罩(15，16；31，32)和脚轮(28，29；37，38)的尺寸和材料被限定以便实质上遵守下面的等式：
ωc表示当轮在开口(54)的边缘处利用罩(15，16；31，32)支承于地面上时罩的旋转速度；ωr表示当轮从在所述开口(54)的边缘处利用罩(15，16；31，32)支承于地面上变成利用脚轮(28，29；37，38)支承于地面上时脚轮(28，29；37，38)的旋转速度。
11.根据权利要求1-4中任一项所述的轮，其特征在于，包括两个盖(56)，每个盖与相应的一个脚轮(28，29；37，38)相关联且固定到轴(12)上，所述盖(56)在所述脚轮(28，29；37，38)穿过的开口(54)处形成了从所述罩(15，16；31，32)的球形面延伸的球形面部分，所述盖(56)从所述开口(54)部分地覆盖所述脚轮(28，29；37，38)，并且所述盖(56)均相对于所涉及到的脚轮(28，29；37，38)的滚动线(51，52)对称地延伸。
12.一种车辆，其特征在于包括至少三个如权利要求1-11中任一项所述的轮(10，30)，并且至少两个轮(10)的轴(12)的轴线(14)不布置在相同的平面中。
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