CN106739783A - 一种两自由度车轮 - Google Patents

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秦建军
侯妍君
李鑫磊
刘永锋
陈红兵
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60B—VEHICLE WHEELS; CASTORS; AXLES FOR WHEELS OR CASTORS; INCREASING WHEEL ADHESION
    • B60B19/00—Wheels not otherwise provided for or having characteristics specified in one of the subgroups of this group
    • B60B19/14—Ball-type wheels

Abstract

本发明公开了一种两自由度车轮，包括轮体吊架、第一旋转驱动机构、第二旋转驱动机构以及两个滚动行走体；所述第一旋转驱动机构具有两个输出轴，且所述第一旋转驱动机构的两个输出轴共轴线，两个所述滚动行走体分别与第一旋转驱动机构的两个输出轴相连接；所述第二旋转驱动机构与轮体吊架相连接，所述第一旋转驱动机构与第二旋转驱动机构的输出轴相连接。本发明使用时，在第一旋转驱动机构的驱动下，两个滚动行走体绕第一旋转驱动机构的两个输出轴旋转而实现行走，而在第二旋转驱动机构的驱动下，两个滚动行走体绕第二旋转驱动机构的输出轴旋转而实现行走，从而实现本车轮具有两个自由度的功能，而且在运动时两个自由度不受约束。

Description

一种两自由度车轮
技术领域
本发明涉及一种两自由度车轮，用于车辆或其它设备的移动。
背景技术
目前，常规车轮多为单自由度车轮，因此，汽车在做转弯、掉头等运动时，需要一定的大转向半径；在车辆进行侧方停车时，需要进行几个步骤的移动和较好的停车技术才能准确的完成停车；在倒车入库过程中，同样需要分为几个部分在能完成准确的从任意位置、任意角度完成倒车步骤；以上均在行车过程中带来一定不便的驾驶体验，非常考验驾驶员的技术，易发生剐蹭等事故。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有两自由度的车轮。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种两自由度车轮，包括轮体吊架、第一旋转驱动机构、第二旋转驱动机构以及两个滚动行走体；
所述第一旋转驱动机构具有两个输出轴，且所述第一旋转驱动机构的两个输出轴共轴线，两个所述滚动行走体分别与第一旋转驱动机构的两个输出轴相连接；
所述第二旋转驱动机构与轮体吊架相连接，所述第一旋转驱动机构与第二旋转驱动机构的输出轴相连接。
进一步地，两个所述滚动行走体均呈H≤R的球缺形。
进一步地，所述第二旋转驱动机构的输出轴垂直于第一旋转驱动机构的两个输出轴。
进一步地，两个所述滚动行走体均包括内侧的毂架和外侧的壳体。
进一步地，两个所述滚动行走体与第一旋转驱动机构之间分别设有第一轴承。
进一步地，所述第一旋转驱动机构与第二旋转驱动机构之间设有第二轴承。
进一步地，所述第一旋转驱动机构包括第一电机，所述第一电机为双轴电机。
进一步地，所述第一旋转驱动机构还包括用于固定第一电机的第一电机支架，两个所述滚动行走体与第一旋转驱动机构之间分别设有第一轴承，所述第一轴承的内环与第一电机支架相连接，所述第一轴承的外环与相应的滚动行走体相连接。
进一步地，所述第二旋转驱动机构包括第二电机。
进一步地，所述第二旋转驱动机构还包括用于固定第二电机的第二电机支架，所述第一旋转驱动机构与第二旋转驱动机构之间设有第二轴承，所述第二轴承的内环与第二电机支架相连接，所述第二轴承的外环与第一旋转驱动机构相连接。
本发明的有益效果体现在：
本发明使用时，在第一旋转驱动机构的驱动下，两个滚动行走体绕第一旋转驱动机构的两个输出轴旋转而实现行走，而在第二旋转驱动机构的驱动下，两个滚动行走体绕第二旋转驱动机构的输出轴旋转而实现行走，从而实现本车轮具有两个自由度的功能，而且在运动时两个自由度不受约束。
另外，本发明结构简单、易于制作，不仅可以应用在车辆领域，还可以用于其它需要移动的设备上。
附图说明
图1是本发明一实施例的结构示意图。
图2是本发明一实施例去除滚动行走体的壳体后的结构示意图。
图3是本发明一实施例的剖视图。
图4a至图4e是本发明一实施例的几种运动方式示意图。
附图中各部件的标记为：10轮体吊架、20第一旋转驱动机构、201第一电机、2021第一电机套、2022第一端盖、30第二旋转驱动机构、301第二电机、3021第二电机套、3022第二端盖、40滚动行走体、401毂架、402壳体、50第一轴承、501轴承压片、60第二轴承、601第二轴承压片。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图来详细说明本发明。
参见图1、图2和图3。
本发明两自由度车轮，包括轮体吊架10、第一旋转驱动机构20、第二旋转驱动机构30以及两个滚动行走体40；
所述第一旋转驱动机构20具有两个输出轴，且所述第一旋转驱动机构20的两个输出轴共轴线，两个所述滚动行走体40分别与第一旋转驱动机构20的两个输出轴相连接；
所述第二旋转驱动机构30与轮体吊架10相连接，所述第一旋转驱动机构20与第二旋转驱动机构30的输出轴相连接。
本车轮使用时，在第一旋转驱动机构20的驱动下，两个滚动行走体40绕第一旋转驱动机构20的两个输出轴旋转而实现行走，而在第二旋转驱动机构30的驱动下，第一旋转驱动机构20旋转，继而两个滚动行走体40绕第二旋转驱动机构30的输出轴旋转而实现行走，从而实现本车轮具有两个自由度的功能，而且在运动时两个自由度不受约束。
在一实施例中，所述第二旋转驱动机构30的输出轴垂直于第一旋转驱动机构20的两个输出轴。采用这种设计，车轮的两个自由度相互垂直，实用性更强，更易控制。
在一实施例中，两个所述滚动行走体40均呈H≤R的球缺形。采用这种设计，两个所述滚动行走体可以大体上形成球体车轮，这样其在任何方向上行走时，滚动圈都成圆形，行走更加顺畅。这里的H是球缺的高，R是球缺的半径，当H＝R时，球缺为半球形，第一旋转驱动机构20的中心位于球体车轮的几何中心，第二旋转驱动机构30的输出轴的轴线延长线经过球体车轮的几何中心。
具体实施中，轮体吊架10由一段弧形杆和一段径向杆相连构成，弧形杆的自由端设有连接头，第二旋转驱动机构30连接在径向杆的自由端。这样设计，结构简单，不会干涩两个滚动行走体40的运动。
在一实施例中，两个所述滚动行走体40均包括内侧的毂架401和外侧的壳体402。采用此种结构可以使车轮整体圆滑，方便车轮完成各种姿态运行,而且结构简单、容易制作，稳定性也很可靠。毂架401的形状也大体上呈H≤R的球缺形，图中例示的毂架401包括两根十字交叉的弧形杆，用于支撑球面，以及两个十字交叉的直杆，用于支撑该两根十字交叉的弧形杆。
在一实施例中，所述第一旋转驱动机构20包括第一电机201，所述第一电机201为双轴电机；所述第二旋转驱动机构30包括第二电机301。使用电机驱动，容易操作、控制，而且容易制作、安装。
在一实施例中，两个所述滚动行走体40与第一旋转驱动机构20之间分别设有第一轴承50；所述第一旋转驱动机构20与第二旋转驱动机构30之间设有第二轴承60。设置的各轴承可以在上述相应两个相对旋转的部件之间起到支撑作用，并使两个相对旋转的部件之间的旋转更加顺畅。
在一实施例中，所述第一旋转驱动机构20还包括用于固定第一电机201的第一电机支架，两个所述滚动行走体40与第一旋转驱动机构20之间分别设有第一轴承50，所述第一轴承50的内环与第一电机支架相连接，所述第一轴承50的外环与相应的滚动行走体40，优选滚动行走体40的毂架401相连接。这种设计，结构简单，牢固稳定，便于安装轴承。
在一实施例中，所述第一电机支架包括套设在第一电机201外的第一电机套2021以及两个分别连接在第一电机套2021的两端的第一端盖2022，所述第一电机201与两个第一端盖2022相连接，所述第一电机201的两个输出轴分别从相应的第一端盖2022穿出，所述第一轴承50的内环与相应的第一端盖2022相连接。这种第一电机支架结构简单，易于电机等各部件的连接。
具体实施中，第一端盖2022具有轴向向外伸出的空心凸柱，第一轴承50的内环套设在该空心凸柱上，第一电机201的输出轴穿过该空心凸柱伸出，第一轴承50的轴线方向两侧分别设有第一轴承压片501，以将第一轴承50压紧在相应毂架401与第一端盖2022之间，第一电机201的输出轴与相应毂架401相连接。
在一实施例中，所述第二旋转驱动机构30还包括用于固定第二电机301的第二电机支架，所述第一旋转驱动机构20与第二旋转驱动机构30之间设有第二轴承60，所述第二轴承60的内环与第二电机支架相连接，所述第二轴承60的外环与第一旋转驱动机构20相连接。同样地，这种设计，结构简单，牢固稳定，便于安装轴承。
在一实施例中，所述第二电机支架包括第二电机套3021以及连接在第二电机套3021的一端的第二端盖3022，第二电机套3021的另一端一体成型或连接在轮体吊架10上，第二电机301与第二端盖3022相连接，第二电机301的输出轴穿过第二端盖3022与第一电机套2021连接。第二轴承60的轴线方向外侧设有第二轴承压片601，第二轴承压片601连接在第一电机套2021，以此将第二轴承60压紧。
参见图4a至图4d，图中虚线为第一电机的旋转中心线，本发明两自由度车轮当第二电机旋转一定角度后，第一电机单独作用存在以下三种转动状态：
第一种：如图4a所示，第二电机的旋转中心线平行于地面，第一电机的旋转中心线平行于地面，此时，第一电机的转动半径达到最大，为车轮球半径R轮，此时，R转＝R轮,车轮的实际转速与第一电机输出轴的转速相同，即：
v实际＝ω第一电机×R转
其中，v实际表示车轮对地的实际移动速度，ω第一电机表示第一电机转动的角速度，R转表示车轮对地的实际转动半径；
第二种：如图4b、4c所示，第二电机的旋转中心线平行于地面，第一电机的旋转中心线与地面存在夹角，此时根据勾股定理计算车轮的实际转动半径R转，车轮的速度计算公式如下：
v实际＝ω第一电机×cosθo×R轮
其中，式中v实际表示车轮对地的实际移动速度，ω第一电机表示第一电机转动的角速度，R轮表示车轮球半径，θo为第一电机的旋转中心线与地面的夹角；
第三种：如图4d所示，第二电机的旋转中心线平行于地面，第一电机的旋转中心线也垂直于地面，此时第一电机的转动半径达到最小，为0，此时，车轮的实际转速为0，可进行侧向平移，且侧向平移速度与第一电机的输出轴速度相同。
另外，当第一电机和第二电机同时旋转作用整个车轮时，车轮前进的方向和第一电机和第二电机的转速有关如图4e所示：
其中，v实际表示车轮对地的实际移动速度，v第一表示第一电机转动方向上轮子的速度，v第二表示第二电机转动方向上轮子的速度，ω第一电机表示第一电机转动的角速度，θo为第一电机的旋转中心线与地面的夹角，R轮表示车轮球的半径，ω第二电机表示第二电机的转速。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连接”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，一体地连接，也可以是可拆卸连接，如通过螺钉；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，相对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
应当理解本文所述的例子和实施方式仅为了说明，并不用于限制本发明，本领域技术人员可根据它做出各种修改或变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种两自由度车轮，其特征在于：包括轮体吊架(10)、第一旋转驱动机构(20)、第二旋转驱动机构(30)以及两个滚动行走体(40)；
所述第一旋转驱动机构(20)具有两个输出轴，且所述第一旋转驱动机构(20)的两个输出轴共轴线，两个所述滚动行走体(40)分别与第一旋转驱动机构(20)的两个输出轴相连接；
所述第二旋转驱动机构(30)与轮体吊架(10)相连接，所述第一旋转驱动机构(20)与第二旋转驱动机构(30)的输出轴相连接。
2.如权利要求1所述的两自由度车轮，其特征在于：两个所述滚动行走体(40)均呈H≤R的球缺形。
3.如权利要求1或2所述的两自由度车轮，其特征在于：所述第二旋转驱动机构(30)的输出轴垂直于第一旋转驱动机构(20)的两个输出轴。
4.如权利要求1或2所述的两自由度车轮，其特征在于：两个所述滚动行走体(40)均包括内侧的毂架(401)和外侧的壳体(402)。
5.如权利要求1或2所述的两自由度车轮，其特征在于：两个所述滚动行走体(40)与第一旋转驱动机构(20)之间分别设有第一轴承(50)。
6.如权利要求1或2所述的两自由度车轮，其特征在于：所述第一旋转驱动机构(20)与第二旋转驱动机构(30)之间设有第二轴承(60)。
7.如权利要求1或2所述的两自由度车轮，其特征在于：所述第一旋转驱动机构(20)包括第一电机(201)，所述第一电机(201)为双轴电机。
8.如权利要求7所述的两自由度车轮，其特征在于：所述第一旋转驱动机构(20)还包括用于固定第一电机(201)的第一电机支架，两个所述滚动行走体(40)与第一旋转驱动机构(20)之间分别设有第一轴承(50)，所述第一轴承(50)的内环与第一电机支架相连接，所述第一轴承(50)的外环与相应的滚动行走体(40)相连接。
9.如权利要求1或2所述的两自由度车轮，其特征在于：所述第二旋转驱动机构(30)包括第二电机(301)。
10.如权利要求9所述的两自由度车轮，其特征在于：所述第二旋转驱动机构(30)还包括用于固定第二电机(301)的第二电机支架，所述第一旋转驱动机构(20)与第二旋转驱动机构(30)之间设有第二轴承(60)，所述第二轴承(60)的内环与第二电机支架相连接，所述第二轴承(60)的外环与第一旋转驱动机构(20)相连接。
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