CN108081946A - 全向电动导向轮和具有该全向电动导向轮的机器人、车辆 - Google Patents

Abstract

本发明适用于导向轮结构技术领域，公开了一种全向电动导向轮和具有该全向电动导向轮的机器人、车辆。全向电动导向轮包括舵轮本体、转向装置和驱动装置；转向装置包括转向齿轮和转向支承件，转向齿轮与转向支承件啮合，转向装置还包括用于驱动转向齿轮转动以使转向齿轮绕转向支承件周向转动的转向动力部件，转向动力部件固定连接于舵轮本体，转向齿轮连接于转向动力部件；驱动装置包括车轮和用于驱动车轮的轮毂电机。机器人和车辆具有上述的全向电动导向轮。本发明所提供的一种全向电动导向轮和具有该全向电动导向轮的机器人、车辆，其导向轮简单可靠，转向精确灵活，承重能力佳，可以应用于路况较差的场所，通过性能佳。

Description

全向电动导向轮和具有该全向电动导向轮的机器人、车辆

技术领域

本发明属于导向轮结构技术领域，尤其涉及一种全向电动导向轮和具有该全向电动导向轮的机器人、车辆。

背景技术

20世纪60年代末人类开始了对移动机器人的研究。1972年，斯坦福研究院Nilsssen等人研制出世界上第一台移动机器人Shakey。70年代末，计算机和传感器技术的进步使得移动机器人的研究向着多元化方向发展。80年代中期，人们致力于智能化的研究，移动机器人的研制进入快车道90年代，移动机器人逐渐在现实中得到应用，涉及教育娱乐、医疗服务、航空探索等领域。进入21世纪，信息化时代的到来使得移动机器人向着更加智能化、仿人化的方向发展。2004年，NASA发射的火星探测器“机遇号”在火星表面成功着陆。

在国家的经济要进行大力发展时，装备制造业是国民经济的重要支柱产业，但产业大而不强导致我国许多企业面临转型升级，提高生产环节物流系统的自动化水平对企业提高生产效率、降低成本、提高产品质量和管理水平起着显著的作用，也是《国家重点扶持的高新技术领域》中的第八大类—高新技术改造传统产业的扶持项目。

近年来，自动导引车(AGV)的使用成为装备制造业生产环节物流方案中的亮点，对提高企业生产效率、降低成本、提高产品质量和管理水平起到了一定的作用，但由于其运动灵活性不够，效率较低、复杂环境中作业困难，在很多场合的应用受到了限制。现在部分AGV使用麦克纳姆轮作为导向轮，来实现搬运机构的全方位移动，麦克纳姆轮主要应用在环境非常好的净化车间或者实验室等场景，在其环境当中麦克纳姆轮可以达到灵活转向的导向作用，但是在国内的制造业的大环境当中它并不适合，首先它的每个周边轮需要十多个轴承，在大的负重或者颠簸的情况下容易损坏，另外轮子的结构决定它不能使用在一般环境，诸如毛发，胶质，灰尘沙粒等很容易被卡住，当周边轮被卡住，力矢量的方向的方向就会发生改变从而出现出轨异常，麦克拉姆轮在AGV运行过程中急停时的惯性冲击会让AGV瞬间变向，其系统响应速度会影响整个AGV的行走姿态。所以说麦克纳姆轮并不适合国内制造业的大环境。

综上，目前现有的全向轮技术缺点就是必须在路况很好的地面行驶，地面上如果有杂物，将卡在现有全向轮的轮轴之间的缝中，导致运行轨迹将会偏移(如现有的麦克纳姆轮)，不适应在在我国工厂环境不是很好的大环境，并且由于轮内结构复杂，导致承重能力欠佳。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种全向电动导向轮和具有该全向电动导向轮的机器人、车辆，其结构简单可靠、环境适应性佳。

本发明的技术方案是：一种全向电动导向轮，包括舵轮本体、转向装置和驱动装置，所述转向装置和驱动装置均连接于所述舵轮本体；

所述转向装置包括转向齿轮和转向支承件，所述转向齿轮与所述转向支承件啮合，所述转向装置还包括用于驱动所述转向齿轮转动以使所述转向齿轮绕所述转向支承件周向转动的转向动力部件，所述转向动力部件固定连接于所述舵轮本体，所述转向齿轮连接于所述转向动力部件；

所述驱动装置包括车轮和用于驱动所述车轮的轮毂电机。

可选地，所述舵轮本体连接有用于连接所述转向齿轮和所述转向支承件的转向支架，所述转向支架连接有套于所述转向齿轮外侧的定位法兰。

可选地，所述舵轮本体的上端设置有凸缘，所述转向支承件具有内孔，所述转向支承件的内孔套于所述舵轮本体的凸缘。

可选地，所述转向动力部件包括伺服电机和减速器，所述减速器连接于所述伺服电机的输出轴，所述转向齿轮连接于所述减速器的输出轴；或者，

所述转向动力部件包括伺服电机，所述转向齿轮连接于所述伺服电机的输出轴。

可选地，所述伺服电机连接有驱动器，所述驱动器电连接有转向传感器，所述转向传感器安装于所述伺服电机；或者，所述转向传感器安装于具有所述全向电动导向轮的车辆或机器人的底盘横梁处。

可选地，所述舵轮本体连接有连接轴，所述轮毂电机包括定子和转子，所述定子连接于所述连接轴，所述转子连接于所述车轮。

可选地，所述轮毂电机和车轮设置于所述舵轮本体的一侧，所述舵轮本体的另一侧设置有制动器，所述制动器连接有穿设于所述舵轮本体且对所述轮毂电机进行制动的制动轴，所述制动轴的前端连接有制动法兰；或者，

所述轮毂电机与制动器一体。

可选地，所述连接轴套设有轴承盖板、油封垫圈、第一轴承、电机前端盖、所述定子、所述转子、第二轴承和电机后端盖，所述油封垫圈设置于所述轴承盖板与所述第一轴承之间，所述第一轴承位于所述电机前端盖外端面处，所述定子和转子位于所述电机前端盖和所述电机后端盖之间，所述第二轴承位于所述电机后端盖内侧。

本发明还提供了一种机器人，所述机器人具有上述的全向电动导向轮。

本发明还提供了一种车辆，所述车辆具有上述的全向电动导向轮。

本发明所提供的一种全向电动导向轮和具有该全向电动导向轮的机器人、车辆，采用全轮驱动(转向)和驱动轮(行走)单独控制的方案，可以最大限度的利用地面的附着能力，提高对转矩的控制精确度，轻松解决精确定位的问题，而且全向电动导向轮结构更加简单，转向更精确灵活，承重能力佳，可以应用于路况较差的场所，即使路面坑洼、有杂物也不影响其通过性，产品适应性佳、可靠性佳，可以实现搬运机构的位移、转向、横移及原地360度旋转等精准动作，使搬运机构实现全方位的移动，在狭小的空间内实现灵活的穿梭，解决诸如S弯、直角转弯等普通移动机器人利用横移才能通过的理论死角，不受空间、环境的约束，通过性能好、环境适应性佳。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种全向电动导向轮的立体装配示意图；

图2是本发明实施例提供的一种全向电动导向轮的立体装配示意图；

图3是本发明实施例提供的一种全向电动导向轮的立体装配示意图；

图4是本发明实施例提供的一种全向电动导向轮的剖面示意图；

图5是本发明实施例提供的一种全向电动导向轮的立体分解示意图；

图6是本发明实施例提供的一种全向电动导向轮的立体分解示意图；

图7是本发明实施例提供的一种全向电动导向轮中轮毂电机的剖面示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

还需要说明的是，本发明实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

如图1至图6所示，本发明实施例提供的一种全向电动导向轮，可以用于智能搬运装置、自动导引车(AGV)等机器人和车辆装置或其它装置中，包括舵轮本体1、转向装置和驱动装置。转向装置和驱动装置均连接于舵轮本体1，转向装置可提供转向驱动力，实现转向，驱动装置可提供驱动车轮的行走驱动力，实现行走。驱动装置包括车轮21和用于驱动车轮21的轮毂电机22(又叫电动轮)，轮毂电机22连接于舵轮本体1和车轮21之间，利用轮毂电机22的驱动作为全向电动导向轮中车轮21的驱动力，轮毂电机22转矩响应快，且结构简单可靠、载重能力高。转向装置包括转向齿轮31和转向支承件32，转向齿轮31与转向支承件32啮合，转向支承件32的外周可设置为齿形结构，与转向齿轮31啮合。具体应用中，转向支承件32可以呈齿轮状或齿盘状等。转向装置还包括用于驱动转向齿轮31转动以使转向齿轮31绕转向支承件32周向转动的转向动力部件33，转向动力部件33可以固定连接于舵轮本体1，转向齿轮31连接于转向动力部件33，转向动力部件33通过驱动转向齿轮31自转，进而使转向齿轮31绕转向支承件32周向转动(公转)，从而使舵轮本体1、连接于舵轮本体1上车轮21等旋转实现转向，转向角度最大可达360度，从而使全向电动导向轮可以360度旋转。通过上述采用全轮驱动(转向)和驱动轮(行走)单独控制的方案，可以最大限度的利用地面的附着能力，提高对转矩的控制精确度，轻松解决精确定位的问题，而且全向电动导向轮结构更加简单，转向更精确灵活，承重能力佳，可以应用于路况较差的场所，即使路面坑洼、有杂物也不影响其通过性，产品适应性佳、可靠性佳。具体应用中，可采用2个或多个(例如4个)全向电动导向轮的配合实现整个移动机构的全方位位移，例如在搬运机构(机器人或车辆装置)上采用4组上述全向电动导向轮，4组全向电动导向轮之间通过姿态的配合，可以实现搬运机构的位移、转向、横移及原地360度旋转等精准动作，使搬运机构实现全方位的移动，在狭小的空间内实现灵活的穿梭，解决诸如S弯、直角转弯等普通移动机器人利用横移才能通过的理论死角，不受空间、环境的约束，环境适应性佳。

可选地，本实施例中，转向动力部件33包括伺服电机331和减速器332，减速器332连接于伺服电机331的输出轴，转向齿轮31连接于减速器332的输出轴，伺服电机331与减速器332配合工作，以达到工作时所要求的减速比，且扭矩得以提高，可应用于重载的使用工况。或者，转向动力部件33包括伺服电机331，转向齿轮31连接于伺服电机331的输出轴，即转向齿轮31也可以由伺服电机331直接驱动。当然，可以理解地，转向动力部件33也可以采用其它驱动结构，例如液压驱动转向等。

可选地，舵轮本体1连接有用于连接转向齿轮31和转向支承件32的转向支架41，转向支架41固定在减速器332的上端，对转向齿轮31和和回转支承起到支撑联接的作用，也可起到对转向齿轮31和转向支承件32啮合过程中的减震作用。转向支架41连接有套于转向齿轮31外侧的定位法兰42，转向齿轮31和转向支架41之间的定位法兰42，可以对转向齿轮31起到定位的作用，使转向齿轮31能够精确的传导啮合力，并便于转向齿轮31与减速器332、转向支架41的拆卸。

可选地，转向齿轮31和减速器332的输出轴之间可以用平键或花键和键槽进行约束配合，使转向齿轮31得到减速器332提供的动力；转向齿轮31可利用螺栓和固定法兰34来约束转向齿轮31轴向上的自由度。

可选地，舵轮本体1的上端设置有凸缘11，转向支承件32具有内孔320，转向支承件32的内孔320套于舵轮本体1的凸缘11。和转向齿轮31进行啮合配合的转向支承件32同样利用转向支架41进行支撑定位，回转支承件的内孔320与舵轮本体1的凸缘11进行配合(即回转支承件的内径与凸缘11的外径进行精度配合)，方便对回转支承件进行定位，其利用紧定螺栓固定在舵轮本体1上。

可选地，转向支承件32可以包括可以相对转动的内圈和外圈，内圈可以固定连接于舵轮本体1。当然，转向支承件32可以为整体式结构且转动套于舵轮本体1的凸缘11上。

可选地，伺服电机331连接有驱动器，驱动器电连接有转向传感器333，转向传感器333(角度传感器)可以安装于伺服电机331；或者，转向传感器333也可以安装于具有全向电动导向轮的车辆或机器人的底盘横梁等合适处。本实施例中，伺服电机331的下端装有转向传感器333，以便对转向伺服电机331进行闭环控制，达到工作时的转角要求，转向精准度高和可靠性高。

可选地，舵轮本体1连接有连接轴12，连接轴12可为阶梯轴。轮毂电机22包括定子221和转子222，定子221连接于连接轴12，转子222套于定子221外侧且固定连接于车轮21，轮毂电机22的驱动力大、响应及时，且结构简单、可靠性佳。如图7所示，定子221可包括定子支架224和定子铁芯223，定子支架224连接有电机轴225。

可选地，轮毂电机22和车轮21设置于舵轮本体1的一侧，舵轮本体1的另一侧设置有制动器50，其布局合理，配重均匀，避免单边受力过大。制动器50连接有穿设于舵轮本体1和连接轴12且对轮毂电机22进行制动的制动轴51，制动轴51的前端连接有制动法兰52，通过制动轴51的传导对轮毂电机22进行制动控制，制动法兰52可以用螺栓固定在电机后端盖上，其中制动轴51和制动法兰52之间可以利用平键进行固定和定位。

或者，制动器50也可以与轮毂电机22一体化设计，即制动器50集成于轮毂电机22内。

当然，车轮21也可以设置有两组，且两组车轮21可以分别设置于舵轮本体1的两侧，每组车轮21可以由一个单独的轮毂电机22驱动，或者，两组车轮21由一个单独的轮毂电机22驱动。

可选地，连接轴12套设有轴承盖板61、油封垫圈62、第一轴承63、电机前端盖64、定子221、转子222、第二轴承65和电机后端盖66，油封垫圈62设置于轴承盖板61与第一轴承63之间，第一轴承63位于电机前端盖64外端面处，定子221和转子222位于电机前端盖64和电机后端盖66之间，第二轴承65位于电机后端盖66内侧。

本发明实施例中全向电动导向轮，其用于驱动转向的伺服电机331可以通过螺栓连接紧固在舵轮本体1上，本实施例中，伺服电机331连接于舵轮本体1有加固结构的一侧，伺服电机331与减速器332配合工作，以达到工作时所要求的减速比；其中伺服电机331的下端装有转向传感器333，以便对转向伺服电机331进行闭环控制，达到工作时的转角要求；转向支架41可以固定在减速器332的上端，对转向齿轮31和和回转支承件起到支撑联接的作用，也可起到对转向齿轮31和回转支承件啮合过程中的减震作用；转向齿轮31和转向支架41之间有一定位法兰42，主要对转向齿轮31起到定位的作用，使转向齿轮31能够精确地传导啮合力，并便于转向齿轮31与减速器332、转向支架41之间的拆卸；转向齿轮31和减速器332之间可以用平键或花键和键槽进行约束配合，使转向齿轮31得到减速器332提供的轴向力；转向齿轮31可以利用螺栓和固定法兰34来约束转向齿轮31轴向上的自由度；其中和转向齿轮31进行啮合配合的转向支承件32同样利用转向支架41进行支撑定位，回转支承件与舵轮本体1的凸缘11进行配合，方便对回转支承件进行定位，其利用紧定螺栓固定在舵轮本体1上，回转支承和转向齿轮31是电动导向轮实现转向的结构核心部分。

全向电动导向轮的车轮21驱动采取的驱动方式是轮毂电机22驱动，轮毂电机22安装结构零部件包括：轴承盖板61、油封垫圈62、第一轴承63、电机前端盖64、转子222、定子221、平键、第二轴承65、圆螺母、车轮21、电机后端盖66、制动器50、制动轴51、制动法兰52，轴承盖板61装配在舵轮本体1的阶梯轴的底面，轴承盖板61为了防止电机转子222和舵轮本体1发生摩擦。然后在连接轴12(阶梯轴)上装配有第一滚子轴承(第一轴承63)，第一滚子轴承和轴承盖板61之间可用油封垫圈62隔开，油封垫圈62可以用紧定螺栓固定在轴承盖板61上；然后在阶梯轴上装配电机前端盖64，电机前端盖64与第一滚动轴承进行配合，第一滚动轴承在电机前端盖64的外端面处；电机后端盖66的内端面处亦加装有第二滚动轴承(第二轴承65)，第二滚动轴承可以用两个圆螺母进行压装定位；电机后端盖66前端盖和电机后端盖66的内部为轮毂电机22的转子222和定子221。

本发明实施例还提供了一种机器人，机器人具有上述的一种全向电动导向轮。机器人的底部可以设置有2个或4个上述的全向电动导向轮，全向电动导向轮中的伺服电机331，通过驱动转向齿轮31自转，进而使转向齿轮31绕转向支承件32周向转动(公转)，从而使舵轮本体1、连接于舵轮本体1上的轮毂电机22、车轮21等旋转，旋转角度可达360度，从而实现全向转动。车轮21的驱动由连接于舵轮本体1的轮毂电机22直接驱动，轮毂电机22转矩响应快，使用全轮驱动(转向)和驱动轮(行走)单独控制的方案，可以最大限度的利用地面的附着能力，提高对转矩的控制精确度，轻松解决精确定位的问题，而且全向电动导向轮结构更加简单，转向更精确灵活，承重能力佳。通过各全向电动导向轮之间通过姿态的配合，可以实现机器人的行走、转向、横移及原地360度旋转等精准动作。

本发明实施例还提供了一种车辆，车辆具有上述的一种全向电动导向轮。车辆的底盘可以设置有2个或4个上述的全向电动导向轮，全向电动导向轮中的伺服电机331，通过驱动转向齿轮31自转，进而使转向齿轮31绕转向支承件32周向转动(公转)，转向支承件32可以固定连接于车辆的底盘等合适位置处，从而使舵轮本体1、连接于舵轮本体1上的伺服电机331、轮毂电机22、车轮21等部件旋转，转向角度可达360度，从而实现全向转动。车轮21的驱动由连接于舵轮本体1的轮毂电机22直接驱动，轮毂电机22转矩响应快，使用全轮驱动(转向)和驱动轮(行走)单独控制的方案，可以最大限度的利用地面的附着能力，提高对转矩的控制精确度，轻松解决精确定位的问题，而且全向电动导向轮结构更加简单，转向更精确灵活，承重能力佳。通过各全向电动导向轮之间通过姿态的配合，可以实现车辆的行走、转向、横移及原地360度旋转等精准动作，可以应用于路面坑洼、有杂物等路况，车辆通过性能和可靠性佳。

本发明实施例所提供的一种全向电动导向轮和具有该全向电动导向轮的机器人、车辆，可以将动力、传动以及制动装置全部整合在轮毂处，省去了离合器、变速器、传动轴、差速器等大量机械部件，使整体导向结构大为简化，基于轮毂电机22的全向电动导向轮使AGV搬运机构的负重得到大大的提升，据研究测算，基于轮毂电机22的车辆最大负载可达10吨，所以基于轮毂电机22的全向电动导向轮大大提升了搬运质量，其次基于轮毂电机22的全向电动导向轮，电动机转矩响应快，使用全轮转向驱动和驱动轮单独控制的措施，可以最大限度的利用地面的附着能力，提高对转矩的控制精确度，轻松解决精确定位的问题。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全向电动导向轮，其特征在于，包括舵轮本体、转向装置和驱动装置，所述转向装置和驱动装置均连接于所述舵轮本体；

所述转向装置包括转向齿轮和转向支承件，所述转向齿轮与所述转向支承件啮合，所述转向装置还包括用于驱动所述转向齿轮转动以使所述转向齿轮绕所述转向支承件周向转动的转向动力部件，所述转向动力部件固定连接于所述舵轮本体，所述转向齿轮连接于所述转向动力部件；

所述驱动装置包括车轮和用于驱动所述车轮的轮毂电机。

2.如权利要求1所述的一种全向电动导向轮，其特征在于，所述舵轮本体连接有用于连接所述转向齿轮和所述转向支承件的转向支架，所述转向支架连接有套于所述转向齿轮外侧的定位法兰。

3.如权利要求2所述的一种全向电动导向轮，其特征在于，所述舵轮本体的上端设置有凸缘，所述转向支承件具有内孔，所述转向支承件的内孔套于所述舵轮本体的凸缘。

4.如权利要求1所述的一种全向电动导向轮，其特征在于，所述转向动力部件包括伺服电机和减速器，所述减速器连接于所述伺服电机的输出轴，所述转向齿轮连接于所述减速器的输出轴；或者，

所述转向动力部件包括伺服电机，所述转向齿轮连接于所述伺服电机的输出轴。

5.如权利要求4所述的一种全向电动导向轮，其特征在于，所述伺服电机连接有驱动器，所述驱动器电连接有转向传感器，所述转向传感器安装于所述伺服电机；或者，所述转向传感器安装于具有所述全向电动导向轮的车辆或机器人的底盘横梁处。

6.如权利要求1所述的一种全向电动导向轮，其特征在于，所述舵轮本体连接有连接轴，所述轮毂电机包括定子和转子，所述定子连接于所述连接轴，所述转子连接于所述车轮。

7.如权利要求6所述的一种全向电动导向轮，其特征在于，所述轮毂电机和车轮设置于所述舵轮本体的一侧，所述舵轮本体的另一侧设置有制动器，所述制动器连接有穿设于所述舵轮本体且对所述轮毂电机进行制动的制动轴，所述制动轴的前端连接有制动法兰；或者，

所述轮毂电机与制动器一体。

8.如权利要求6所述的一种全向电动导向轮，其特征在于，所述连接轴套设有轴承盖板、油封垫圈、第一轴承、电机前端盖、所述定子、所述转子、第二轴承和电机后端盖，所述油封垫圈设置于所述轴承盖板与所述第一轴承之间，所述第一轴承位于所述电机前端盖外端面处，所述定子和转子位于所述电机前端盖和所述电机后端盖之间，所述第二轴承位于所述电机后端盖内侧。

9.一种机器人，其特征在于，所述机器人具有如权利要求1至8中任一项所述的一种全向电动导向轮。

10.一种车辆，其特征在于，所述车辆具有如权利要求1至8中任一项所述的一种全向电动导向轮。