CN107139646B - 一种球形的全向轮及使用该轮的车辆 - Google Patents

Abstract

本发明描述一种全向轮及使用该全向轮的车辆或者移动平台。该全向轮包括动力输入轴（41），用于连接电机和全向轮；第一组从动轮（111,112），第二组从动轮（211,212），从动轮（31）各自的外表面包络于球面（0）；3组从动轮通过铰接形式与骨架结构（61）连接。3组从动轮的旋转轴线与动力输入轴（41）的旋转轴线（4）垂直。第一组从动轮的旋转轴线（101,102）分别于第二组从动轮的旋转轴（201,202）垂直。从动轮（31）的旋转轴线（3）与（101,102,201,202）相交。

Description

一种球形的全向轮及使用该轮的车辆

技术领域

本发明涉及一种球形的全向轮，用于可以全向行驶的车辆。

背景技术

传统的三轮、四轮或者多轮的车辆采用在前轮上设置方向舵来控制车辆的运动方向，转弯时车辆依照符合阿克曼角的运动轨迹运动，存在一定的转弯半径。沿任意指定方向做直线运动时，车辆必须首先不断调整方向舵，在行进一段曲线轨迹后调整所有车轮轴转轴垂直于前进方向时，车辆才能沿指定的方向直线运动。

目前AGV小车，扫地机器人等移动平台采用双轮差动机构，可以实现零转弯半径。但沿任意指定方向直线运动时，其必须首先原地旋转到指定方向，然后才能沿指定方向运动。

上述两种情况均无法实现在车辆无自转角速度时平移。

已经被采用过的全向车轮如专利JP 2007-210576和专利CN 104379361 A中描述的车轮均具有双半球结构，均在双半球两侧设置了从动轮，其车轮排布均可实现零半径旋转以及任意方向直线移动。

专利JP 2007-210576中描述的车轮实现方式具有明显的缺点。每个全向轮包含两个有平行截面的半球从动轮，全向轮与车体间通过传动轴直接连接，传动轴轴线与两截面平行且穿入球面，传动轴传输动力的同时承担车体自重。为实现足够的承载力和驱动力，必须在两个半球间设置一定距离的间隙。在确保驱动轴具有安全抗弯刚度的情况下，该的间隙不能被减小，且传动轴每转动一圈，间隙接触地面两次。

专利CN104379361 A中描述的车轮在专利JP 2008-210576的基础上对车轮做出了改进，将两半球的截面设置为相交平面，这样两半球之间的间隙不恒定，在某一方向上达到最大间隙，专利CN104379361 A将传动轴在最大间隙处穿入球面。在相同的传动轴截面尺寸下，能够将接触地面的间隙缩小为专利JP 2008-210576理论间隙的50％左右，并未从原理上充分解决运动不连续性问题。

发明内容

本发明提出了一种从原理上可以解决球轮运动不连续性问题的方法与设计。即从原理上提供一种不连续性与动力输入轴尺寸无关的解决方案。即在不增加间隙的情况下，可以在一定范围内不断增大动力输入轴尺寸来改善动力传输轴的刚度和强度。

本发明试图提出一种方案，在解决不连续性问题的基础上，间断点的数量最少。此处间断点的含义是球轮在地面上滚动过程中，不同从动轮着地点切换的位置，即可以产生间隙的位置。

本发明的一个主题是一种用于全向移动车辆的球形轮，球轮通过动力输入轴将动力由电机传输给球轮本身，且动力输入轴同时需要承担车身重量产生的负载弯矩，其特征在于：球轮沿动力输入轴转动一周与地面产生的所有接触点近似构成一个球面(0)上的大圆，大圆所在平面垂直于第一轴线(4)。该大圆所在平面与第一从动轮(111,112)、第二从动轮(211,212)、从动轮(31)相交产生的外轮廓线与大圆重合，所有外轮廓线分段布置于大圆上，每两个圆弧段间有一个微小间隙，所有间隙宽度理论上可以无限接近于零。所有从动轮可以绕动力输入轴公转，可以绕自身的转轴自转。两种运动合成车轮沿地面的全向运动。

本发明的另一主题是应用这种全向轮的车辆至少包含3个本发明阐述的全向轮，所有全向轮的动力输入轴轴线在同一个平面内，且所有轴线不全部平行。

本发明提出的全向轮设计方法通过一个具体的设计实例进行描述，通过查阅附图可以充分了解本发明中提出的具体实现方法，充分了解本发明的优点与独特之处，同一个零件在不同视图中用相同的序号表示。

附图说明

图1示出了本发明设计实例的前视图；

图2示出了本发明设计实例沿剖面B的剖视图；

图3为剖面B关于动力传动轴参数的细部；

图4示出了本发明设计实例的立体图；

图5示出了本发明设计实例应用于一个移动车辆的示意图；

具体实施方式

依照图1和图2，全向轮300以第一轴线4为轴线依靠动力输入轴41带动旋转。第一从动轮111,112对称置于第一轴线4两侧，通过轴承铰接于骨架结构(61)，两条第二轴线101与102相交于球心；第二从动轮211,212通过刚性轴铰接于骨架结构(61)，第二轴线101与第三轴线201垂直，第二轴线102与第三轴线202垂直。

依照图1和图2，所述的从动轮31的第四轴线3可不垂直于第一轴线4，但为了均匀，优选地，第四轴线3垂直于第一轴线4且平行于通过球心的第五轴线5，并被通过第一轴线4且垂直于第五轴线5的平面平分，从动轮31通过刚性轴铰于骨架结构(61)。

依照图2，第一从动轮111、112,第二从动轮211、212,从动轮31的外轮廓线在截面B与球面0的截圆上，其截圆半径为R₀。

依照图2，各从动轮衔接处存在断点A1-A7。

其中由于对称布置，A1，A2与A5，A6性质相同，其中，A1，A2对于轴线101对称，故此处将断点A1，A2，A5，A6划分为第一类断点，只对A1性质进行讨论。A1的产生于半球形的第一从动轮111放置第二从动轮211的圆形开口与第二从动轮211的圆形端面之间。由于实际生产中，第一从动轮111在上述开口处存在一定厚度，因此第二从动轮211的圆形端面为了避免与第一从动轮111的厚壁相交而发生干涉，需要在断点A1处设置一定的间隙。

断点A3,A4分别为从动轮31与第一从动轮111、112之间的断点，当第四轴线3与第一轴线4垂直时，该断点处理论上间隙可以无线接近于零，本例中由于第一从动轮111、112分别在第一平面1和第二平面2的方向上分别存在一定厚度，因此断点A3，A4处存在一定间隙。A3，A4划分为第二类断点。

断点A7产生于半球形的第一从动轮111，112之间，该断点处理论上间隙可以无线接近于零，实际设计中为了防止两半球产生机械干涉，因此可以设置一个极小的间隙。A7划分为第三类断点。

上述3类断点处的间隙均是为了实际具体设计中避免全向轮自身的从动轮之间产生机械干涉而产生的，间隙大小均不因动力输入轴41的几何尺寸而改变，即不因为动力输入轴41的刚度增加而使运动的不连续性增加。

依照图2和图3，动力输入轴41的横截面为梯形，长边宽度为w,高为h，两斜边尽可能靠近第一平面1和第二平面2，其夹角为A，该梯形截面存在如下几何关系，其内切圆中心与动力输入轴41的旋转轴线，也就是第一轴线4重合。若选用常用的圆截面轴，则该梯形的内接圆即可作为轴截面。

以圆截面轴为例，R₀不变时，欲增大动力输入轴41的抗弯刚度，则需要增大上述截面直径D及夹角A，同时增大从动轮31的宽度L即可。

推广到一般截面，其计算方法近似，扩大轴截面响应的扩大夹角A和从动轮31的宽度L即可在不增加间隙的情况下增大动力输入轴刚度。

Claims (5)

1.一种用于车辆的全向轮（300），其特征在于：全向轮（300）包括动力输入轴（41），动力输入轴（41）绕通过球心的第一轴线（4）转动;全向轮（300）的外轮廓包络于球面（0），骨架结构（61）作为整个车轮的支撑部件，用于连接动力输入轴（41）、第一从动轮（111，112）、第二从动轮（211，212）以及从动轮（31）;绕第二轴线（101，102）转动的第一从动轮（111，112）、绕第三轴线（201，202）转动第二从动轮（211，212）分别对称布置于通过球心的第一轴线（4）两侧，从动轮（31）绕第四轴线（3）转动，且置于第一平面（1）和第二平面（2）分别与球面（0）相交截得的开口处，第一平面（1）和第二平面（2）分别为半球形的第一从动轮（111,112）的平面端轮廓所在平面，第一平面（1）和第二平面（2）的交线与第一轴线（4）平行。

2.根据权利要求1的全向轮，其特征在于，所述的从动轮（31）的第四轴线（3）垂直于第一轴线（4），且平行于通过球心的第五轴线（5），并被通过第一轴线（4）且垂直于第五轴线（5）的平面平分，从动轮（31）的弧形外表面与球面（0）相切，从动轮（31）通过刚性轴与骨架结构（61）铰接。

3.根据权利要求2的全向轮，第一从动轮（111,112）外表面与球面（0）相切，其通过轴承与骨架结构（61）连接，第二从动轮通过（211,212）外表面与球面（0）相切，通过刚性轴与骨架结构（61）铰接。

4.根据权利要求1、2、3任意一项的全向轮，其特征在于，全部从动轮衔接处的断点为7个。

5.一种车辆，至少包含3个或3个以上如前面权利要求所述的全向轮（300），所有全向轮（300）的动力输入轴（41）的第一轴线（4）在同一平面上。