CN107719015A - 一种机电一体式新型全向结构轮装置 - Google Patents
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Abstract
一种机电一体式新型全向结构轮装置，包括可控的减速电机、固定电机的底座、定位电磁铁、定位滑环、换向滑环、换向电磁铁、传动轴轮架端盖、与传动轴相配合的滚动轴承、传动轴与蜗杆之间的传动副、固定蜗杆的上下承座、轮架、蜗轮、蜗杆、组成轮毂的两个轮片、滚动轴承B，轮轴。本发明转动自然、平稳；在不改变平台姿态前提下能达到全向移动的效果，在非X、Y方向移动时每个轮子力矩基本均衡。在多个全向结构轮装置组合使用时，仅用单个电机通过机械串连方式就可实现多个全向结构轮装置的控制驱动，无需每个轮子都安装电机。方便实现搭建平台自主导航、定位、寻轨等行走功能；生产制造工艺亦有较大改善，无需专用设备方便制作。
Description
技术领域
本发明属于机器人底盘移动技术领域，涉及一种搭建机器人移动平台，自带动力能全向移动控制的新型轮系装置。
背景技术
目前，在机械行业和高端工控系统装备制造行业中，随着机器人技术的发展，以全方位移动平台为代表的轮式移动机器人底盘得到了越来越广泛的应用，而全方位移动平台是以全向轮为运动部件的底盘移动机构。全向轮也是平台实现全方位运动的关键部件，现有的全向轮其基本原理是驱动轮可以通过轮子轮缘上的若干滚子沿轮子轴线方向上做自由滚动，以实现驱动轮在前进和平移两个自由度上综合运动的效果。
常见的底盘移动机构能实现全向移动的轮系部件主要分为两种：一种Mecanum轮：其轮缘上与轮毂轴线呈一定角度均匀分布多个可以自由转动的从动辊子，（一般轮毂轴线与辊子轴线呈 45°夹角），当辊子绕着固定转轴的轴心旋转时，各个滚子的包络线为圆柱面，使得该全向轮能够前后滚动，通常以四个Mecanum轮搭建一个机器人移动平台，通过各个轮子间的速度控制，便可实现不改变平台姿态使平台全方位移动。另一种为Omni轮，其轮缘上横向分布着若干可以自由转动的从动辊子，轮毂轴线与辊子转轴轴线相互垂直，当辊子绕着固定转轴的轴线旋转时，各个滚子的包络线也为圆柱面，使得该轮能够前后滚动，通常omni轮也是以四个omni轮搭建一个机器人移动平台，通过各个轮子间的速度控制，亦可以实现机器人移动平台的全方位移动。
以上两种轮优势在于结构紧凑，均可以实现全方位移动，但是上述两种轮系的轮缘上分布的若干个从动辊子之间也不可避免地存在结构间隙，单排应用时轮子连续滚动性较差，轮子在滚动时由于轮缘上辊子间存在间隙，必然会发生颤抖和振动，尤为突出的缺陷是单个这种全向轮跟普通万向轮组合搭建移动平台时只能满足在X或Y单方向移动，需要四个以上组合应用才能不改变平台姿态实现全向移动。此外，在非X、Y方向而且需要成某一角度移动时，由于每个轮体部件运动所产生力矩不均衡，其中某个电机的功率会出现高峰值，容易出现控制失效，而且控制算法难度比较大，生产制造工艺复杂困难，需要专用设备制作。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种自带动力任意方向可控，而且能精准定位的机电一体式新型全向结构轮部件；以实现控制简便，转动自然、平稳，避免结构间隙所导致的颤抖和震动，尤其能单个或多个轮子跟普通万向轮组合使用时，在不改变平台姿态前提下，非X、Y方向移动时每个轮子力矩能保持均衡，避免某个电机功率会出现高峰值的现象，特别改善了制造工艺不需要专用设备就能生产制造。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明所述的一种机电一体式新型全向结构轮装置，包括可控的减速电机（1）、固定电机的底座（2）、定位电磁铁（7）、定位滑环（3）、换向滑环（8）、换向电磁铁（9）、传动轴（10） 轮架端盖（11）、与传动轴（10）相配合的滚动轴承A（12）、传动轴（10）与蜗杆（5）之间的传动副（13）、固定蜗杆的上下承座（17）、轮架（4）、蜗轮（6）、蜗杆（5）、组成轮毂的两个轮片（14）、滚动轴承B（15），轮轴（16）。
减速电机（1）安装在底座（2）上面，底座（1）背面则安装定位电磁铁（7）和定位滑环（3），减速电机（1）的输出轴直连传动轴（10）上端轴颈；换向滑环（8）与传动轴（10）是以键连接使其实现同步转动；传动轴（10）固定在换向电磁铁（9）内设的滚动轴承A（12）上并与换向电磁铁（9）位置同心，传动轴（10）下轴颈连接传动副（13）给蜗杆（5）传递力矩；换向电磁铁（9）则固定在轮架端盖（11）上面，轮架端盖（11）又固定在轮架（4）上部，两个蜗杆轴承座（17）分别安装在轮架端盖（11）上面和轮架（4）底部起支撑蜗杆旋转作用并构成整体轮架；蜗杆（5）的上端轴颈与定位滑环（3）衔接孔是动配合连接；两个几何尺寸一致的轮片（14）对称布置于蜗轮（6）的两侧，经螺栓连接构成轮毂总成；两个轮片（14）内设有滚动轴承B（15），轮轴（16）通过滚动轴承（15）起支撑轮架（4）及承载作用；轮轴（16）又经轮架（4）上的安装孔用轴卡环固定，使蜗轮（6）与蜗杆（5）垂直交错形成啮合式传动，轮毂总成亦能绕轮轴旋转。
本发明的方向控制是通过以下方式实现的：传动轴（10）固定在换向电磁铁（9）内设的滚动轴承A（12）上并与换向电磁铁（9）位置同心，通常全向结构轮装置在正常行驶时，其中换向电磁铁（9）的线圈处于断电常开状态，当电磁铁线圈得电后，固定在传动轴（10）上的换向滑环（8）被牢牢吸住在电磁铁线圈骨架上，而换向电磁铁总成经轮架端盖（11）与全向轮支架（4）和蜗杆（5）及两个蜗杆轴承座（17）组合构成整体轮架；这时电机动力则通过电磁铁总成将力矩传递到整体轮架上，并绕传动轴轴线旋转，使整体轮架沿所需要的方向调整角度实现方向控制。
本发明的定位控制是通过以下方式实现的：当整体轮架调整好所需要的角度后，为防止其在行进过程中出现颠簸产生偏移，定位电磁铁（7）得电后瞬间锁住与蜗杆（5）上端轴颈相衔接的定位滑环（3），实现了轮架总成精准定位，而滑环（3）与蜗杆（5）上端轴颈之间则采用动配合连接方式不影响蜗杆旋转。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：轮缘无Mecanum轮、omni轮所存在的结构间隙和凹凸，与地面接触时转动自然、平稳；在单个或多个结构轮部件跟普通万向轮组合使用时，在不改变平台姿态前提下能达到全向移动的效果，在非X、Y方向移动时每个轮子力矩基本均衡，可有效避免某个电机功率出现高峰值的现象。在多个全向结构轮装置组合使用时，仅用单个电机通过机械串连方式就可实现多个全向结构轮装置的控制驱动，无需每个轮子都安装电机。当内置所需控制模块后能使控制算法简单实际操作性强，方便实现搭建平台自主导航、自主定位、自动寻轨等行走功能；生产制造工艺亦有较大改善，无需专用设备方便制作。
附图说明
图1为本发明结构图。
图2 为本发明立体分解图。
其中，1为减速电机，2为底座，3为定位滑环，4为支架，5为蜗杆，6，为涡轮，7为定位电磁铁，8为换向滑环，9为换向电磁铁，10为传动轴，11为轮架端盖，12为滚动轴承A，13为传动副，14为轮片，15为滚动轴承B，16为轮轴，17为蜗杆轴承座。
具体实施方式
本发明将结合附图通过以下实施例作进一步说明。
本发明是这样来实现的（如图1、2所示）；减速电机1安装在底座2上面，底座1的背面则安装定位电磁铁7和定位滑环3，减速电机1的输出轴直连传动轴10上端轴颈；换向滑环8与传动轴10是键连接使其实现同步转动；传动轴10固定在换向电磁铁9内设的滚动轴承A12上并与换向电磁铁9位置同心，传动轴10下端轴颈连接传动副13给蜗杆5传递力矩；换向电磁铁9则固定在轮架端盖11上面，轮架端盖11又固定在轮架4上部，两个蜗杆轴承座17分别安装在轮架端盖11上面和轮架4底部起支撑蜗杆旋转作用并构成整体轮架；蜗杆5的上端轴颈与定位滑环3的衔接孔采用动配合连接；两个几何尺寸一致的轮片14对称布置于蜗轮6的两侧，经螺栓连接构成轮毂总成；而两个轮片14内设了滚动轴承B15，轮轴16通过滚动轴承15起支撑轮架4及承载作用；轮轴16又经轮架4上的安装孔用轴卡环固定，使蜗轮6与蜗杆5垂直交错形成啮合式传动，轮毂总成亦能绕轮轴旋转。
方向控制是这样来实现的：如图1、2所示，通常全向结构轮装置在正常行驶时换向电磁铁9的线圈处于断电常开状态，当电磁铁线圈得电后，固定在传动轴10上的换向滑环8被牢牢吸住在电磁铁线圈骨架上，而换向电磁铁总成经轮架端盖11与全向轮支架4和蜗杆5及两个蜗杆轴承座17组合构成整体轮架；这时电机动力则通过电磁铁总成将力矩传递到整体轮架上，并绕传动轴轴线旋转，使整体轮架沿所需要的方向调整角度实现方向控制。
定位控制是这样来实现的：如图1、2所示，当整体轮架调整好所需要的角度后，为防止其在行进过程中出现颠簸产生偏移，定位电磁铁7得电并瞬间锁住与蜗杆5上端轴颈相衔接的定位滑环3，实现了轮架总成精准定位，滑环3与蜗杆5上端轴颈之间采用动配合连接方式不影响蜗杆旋转。
Claims (1)
1.一种机电一体式新型全向结构轮装置，其特征是包括可控的减速电机（1）、固定电机的底座（2）、定位电磁铁（7）、定位滑环（3）、换向滑环（8）、换向电磁铁（9）、传动轴（10） 轮架端盖（11）、与传动轴（10）相配合的滚动轴承A（12）、传动轴（10）与蜗杆（5）之间的传动副（13）、固定蜗杆的上下承座（17）、轮架（4）、蜗轮（6）、蜗杆（5）、组成轮毂的两个轮片（14）、滚动轴承B（15），轮轴（16）；
减速电机（1）安装在底座（2）上面，底座（1）背面则安装定位电磁铁（7）和定位滑环（3），减速电机（1）的输出轴直连传动轴（10）上端轴颈；换向滑环（8）与传动轴（10）是以键连接使其实现同步转动；传动轴（10）固定在换向电磁铁（9）内设的滚动轴承A（12）上并与换向电磁铁（9）位置同心，传动轴（10）下轴颈连接传动副（13）给蜗杆（5）传递力矩；换向电磁铁（9）则固定在轮架端盖（11）上面，轮架端盖（11）又固定在轮架（4）上部，两个蜗杆轴承座（17）分别安装在轮架端盖（11）上面和轮架（4）底部起支撑蜗杆旋转作用并构成整体轮架；蜗杆（5）的上端轴颈与定位滑环（3）衔接孔是动配合连接；两个几何尺寸一致的轮片（14）对称布置于蜗轮（6）的两侧，经螺栓连接构成轮毂总成；两个轮片（14）内设有滚动轴承B（15），轮轴（16）通过滚动轴承（15）起支撑轮架（4）及承载作用；轮轴（16）又经轮架（4）上的安装孔用轴卡环固定，使蜗轮（6）与蜗杆（5）垂直交错形成啮合式传动，轮毂总成亦能绕轮轴旋转。
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