CN201494532U - 麦克纳姆轮全方位移动车 - Google Patents

Abstract

一种麦克纳姆轮全方位移动车，包括车架，在车架设有第一、第二、第三、第四麦克纳姆轮；包括用于同时驱动四个麦克纳姆轮的回转动力源；第一、第二、第三、第四换向器，分别设在回转动力源与第一麦克纳姆轮之间、回转动力源与第二麦克纳姆轮之间、回转动力源与第三麦克纳姆轮之间、回转动力源与第四麦克纳姆轮之间；以及控制器。本实用新型可以简化全方位移动车体的操控系统，并可采用传统的各种高效转动动力源，如内燃机、各种电机、流体驱动转动机械等，大大提高全方位车辆的可靠性、降低其制造维护成本，对动力源的限制也随之降低。

Description

麦克纳姆轮全方位移动车

技术领域

本实用新型属车辆工程领域，具体的说是一种麦克纳姆轮全方位移动车。

背景技术

麦克纳姆轮(Mecanum Wheel)是一种全方位移动车轮，1973年由瑞士人Bengt Lion实用新型，所以也叫Lion轮，而他工作于Mecanum AB公司。该轮的特点是在传统车轮的基础上，在轮缘上再沿与轴线成45°方向安装若干可以自由旋转的小滚子，这样在车轮滚动时，小滚子就会产生测向运动。通过麦克纳姆轮的组合使用和控制，可以使车体产生运动平面内的任意方向移动和转动。

1975年，Lion获得美国专利(专利号3,746,112，直接稳定自驱动车，“Directionally Stable Self Propelled Vehicle”)，1980年美国海军买得该专利并进行军事应用开发，1996年该专利失效后，美国及世界众多大学、研究机构和公司进行应用开发和再实用新型，应用领域涉及全方位移动的叉车、搬运车、轮椅、弹药运输车、移动机器人等。

采用全方位移动技术后，可以显著提高搬运效率和灵活性、减小货物存储空间20％～30％、尤其对于狭小空间移动物体，具有不可取代的作用。目前，成功的应用例子有美国AirTrix公司的Sidewinder全方位移动叉车、COBRA全方位移动升降机、MP2全方位搬运拖车、全方位弹药转载机；卡内基梅隆大学的全方位机器人、美国Ominx公司的全方位移动轮椅、喷气发动机全方位移动托架等产品。包括我国在内的世界众多大学也开展了麦克纳姆轮的应用和控制研究，但是多集中在移动机器人方面的应用研究，形成产品的很少。

目前涉及麦克纳姆全方位移动机构的专利有：

1、瑞士Lion的美国专利“直接稳定自驱动车”(U.S.Pat.No.3746112，，“Directionally Stable SelfPropelled Vehicle”)，首先实用新型了麦可纳姆轮。

2、美国AirTrix公司的美国专利“低振动全方位轮”(U.S.Pat.No.6340065，和6547340，“Low Vibration Omni-Directional Wheel”)，美国专利“低振动全方位轮设计方法”(U.S.Pat.No.6394203，“Method for designing low-vibrationOmni-Directional Wheels”)，美国专利“地面搬运设备用全方位自驱动车”(U.S.Pat.No.5701966，“Omni-Directional self-propelled vehicle for ground handling ofequipment”)在Lion的基础上，针对载荷作用下，因麦可纳姆轮滚子与地面接触面积变化而导致弹性变形不均匀，引起的车体上下振动，实用新型了低噪声全方位轮及其设计方法，并将该技术运用于地面搬运车设计。

3、美国专利“全方位武器装填车”(US Pat.No.6668950，“Omni-directionalmunitions handling vehicle”)，美国专利“飞机维护装置和维护方法”(US Pat.No.6477730，“Aircraft maintenance apparatus and method of maintaining aircraft”)，正在申请的美国专利“先进武器装填者”(US Pat.App.No.EP20050472003，“Advanced weapons loader”)，都是将麦可纳姆轮运用于各类移动搬运装备的实用新型。

4、国内全方位车轮相关的专利有：

哈工大阎国荣；张海兵的“一种全方位轮”(01209535.4)、上海交大冷春涛；曹其新；王美龄；刘伟豪，的“全方位轮”(200610024277.3)和国防科学技术大学海丹；刘玉鹏；郑志强；柳林；季秀才；刘斐的“全向轮”(200520052595.1)，都是对垂直小滚子全向轮的一种变化，不是麦克纳姆轮。

目前，国际上的基于麦克纳姆轮的全方位移动机构，都采用四个电机驱动、并进行转速精确控制，然后经减速后分别驱动四个轮子转动，实现车体的全方位移动。由于采用四个电机分别驱动，通过电子调速改变电机转速，从而改变车体的运行速度，不能提高低速时的驱动扭矩。要像普通集中驱动车辆那样，通过变速改变驱动轮的驱动扭矩，从而提高车体的爬坡、加速能力，则机械结构异常复杂，难于实现。同时，由于四个电机转速需精确控制、协调，需要对各电机转速进行精确反馈测量和控制，电路和算法比较复杂，可靠性降低、成本提高。另外由于采用电机传动控制，大功率工程应用时，电机和电池成本、重量显著提高。复杂工程工作环境，迫切要求可以采用内燃机及其它动力驱动的全方位车辆运动技术，本实用新型即是为此目的而设计的。

实用新型内容

本实用新型提供一种驱动和控制结构简单并能使对动力源的限制得以减少的麦克纳姆轮全方位移动车。

本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型所述的一种麦克纳姆轮全方位移动车，包括：车架，在车架设有：

第一麦克纳姆轮、第二麦克纳姆轮、第三麦克纳姆轮、第四麦克纳姆轮；

一个通过传动机构并用于同时驱动第一麦克纳姆轮、第二麦克纳姆轮、第三麦克纳姆轮和第四麦克纳姆轮的回转动力源；

第一换向器、第二换向器、第三换向器、第四换向器，所述的第一换向器设在回转动力源与第一麦克纳姆轮之间，用于变换第一麦克纳姆轮的转动方向；第二换向器设在回转动力源与第二麦克纳姆轮之间，用于变换第二麦克纳姆轮的转动方向；第三换向器设在回转动力源与第三麦克纳姆轮之间，用于变换第三麦克纳姆轮的转动方向；第四换向器设在回转动力源与第四麦克纳姆轮之间，用于变换第四麦克纳姆轮的转动方向；以及，用于控制第一换向器、第二换向器、第三换向器及第四换向器换向的控制器。

本实用新型针对现有基于麦克纳姆轮全方位移动机器人驱动结构和控制系统复杂、只能使用电机驱动且不能有效利用驱动电机的做工能力、不能使用内燃机等高效动力源等问题，设计一种利用换向器和麦克纳姆轮组成的全方位移动车，通过外部操纵信号控制换向器输出轴的转动方向，将输入轴不变的旋转运动、经变速箱减速增加扭矩，再按照全方位运动要求，通过可控换向器分配给各麦克纳姆轮，使各麦克纳姆轮按预定的方向旋转，实现车体的前进、后退、向左、向右、左前45°、左后45°、右前45°、右后45°、原地顺时针回、原地逆时针回转等十个方位的运动；并可以通过这些运动的组合，完成预定的平面内的移动。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

图5是目前国际上采用麦克纳姆轮全方位移动车的典型结构，伺服电机61、65、69、73分别通过减速器62、66、70、74带动麦克纳姆轮64、68、72、76转动，为保证四个麦克纳姆轮运动速度大小和方向的准确，各伺服电机还分别配有速度传感器63、67、71、75，并通过控制器77，精确控制四个麦克纳姆轮转动速度和旋转方向，以满足全方位移动的要求。由于四个电机同时提供动力，并要协调转速和转动方向，若为满足爬坡、重载等需要，增设变速器，则需要四个变速器同时工作，结构和操控非常复杂。又因采用四个动力源，内燃机等非伺服动力源无法做到转速和方向精确控制，因此只能使用结构复杂、价格昂贵的伺服电机。

与上述基于麦克纳姆轮的全方位移动结构相比，本实用新型的换向器和麦克纳姆轮组成的全方位移动车，可集中采用一个动力源驱动，在只对每个麦克纳姆轮转动方向进行控制的情况下，不需要对各轮的转速进行精确控制，即可实现需要的平面内全方位移动。因此，可以简化全方位移动车体的操控系统，并可采用传统的各种高效转动动力源，如内燃机、各种电机、流体驱动转动机械等，大大提高全方位车辆的可靠性、降低其制造维护成本，对动力源的限制也随之降低。

附图说明

图1为本实用新型用同轴换向器和麦克纳姆轮实现全方位移动的方法与传动控制。

图2为本实用新型用垂直轴换向器和麦克纳姆轮实现全方位移动的方法与传动控制。

图3为本实用新型中锥齿轮同轴输出换向传动轮系。

图4为本实用新型锥齿轮垂直输出换向传动轮系。

图5为本实用新型国际上现有麦克纳姆轮全方位移动车结构原理。

附图1中

1-回转动力源，2-变速器 3-双联链轮 4、5-传动链条 6、7-链轮8、9、10、11-同轴换向器 12、13、14、15-麦克纳姆轮 16-操纵控制器

附图2中

41-回转动力源，42-变速器 43-双联链轮 44、45-传动链条 46、47-链轮48、49、50、51-垂直轴换向器 52、53、54、55-麦克纳姆轮 56-操纵控制器

附图3中

21-输入锥齿轮 22-过渡锥齿轮 23-反转锥齿轮 24-摩擦盘 25-滑键26-拨动杆 27-直线操纵器

附图4中

31-右锥齿轮 32-输出锥齿轮 33-左锥齿轮 34-摩擦盘 35-滑键 36-拨动杆 37-直线操纵器

附图5中

61、65、69、73——伺服电机 62、66、70、74——减速器

63、67、71、75——转速传感器 64、68、72、76——麦克纳姆轮 77——控制器

具体实施方式

实施例1

一种麦克纳姆轮全方位移动车，包括：车架，在车架设有：

第一麦克纳姆轮12、第二麦克纳姆轮13、第三麦克纳姆轮14、第四麦克纳姆轮15；

一个通过传动机构并用于同时驱动第一麦克纳姆轮12、第二麦克纳姆轮13、第三麦克纳姆轮14和第四麦克纳姆轮15的回转动力源1；

第一换向器8、第二换向器9、第三换向器10、第四换向器11，所述的第一换向器8设在回转动力源1与第一麦克纳姆轮12之间，用于变换第一麦克纳姆轮12的转动方向；第二换向器9设在回转动力源1与第二麦克纳姆轮13之间，用于变换第二麦克纳姆轮13的转动方向；第三换向器10设在回转动力源1与第三麦克纳姆轮14之间，用于变换第三麦克纳姆轮14的转动方向；第四换向器11设在回转动力源1与第四麦克纳姆轮15之间，用于变换第四麦克纳姆轮15的转动方向；以及，

用于控制第一换向器8、第二换向器9、第三换向器10及第四换向器11换向的控制器16。

在本实施例中，

所述的传动机构可以采用带轮传动机构，也可以采用链轮传动机构。本实施例采用链轮传动机构，所述的传动机构为链轮传动机构，该链轮传动机构包括：与回转动力源1输出端连接的双联链轮3、与第一换向器8及第二换向器9连接的第一链轮6和与第三换向器10及第四换向器11连接的第二链轮7，双联链轮3分别通过第一传动链条4及第二传动链条5与第一链轮6及第二链轮7连接。

第一换向器8、第二换向器9、第三换向器10或第四换向器11可以采用多种实现方式，本实施例选用如下方案之一：

方案之一：第一换向器8、第二换向器9、第三换向器10或第四换向器11包括：输入轴I、过渡轴II及输出轴III，输入轴I与输出轴III同轴，在输入轴I上设有输入锥齿轮21，在过渡轴II上设有过渡锥齿轮22，在输出轴III上空套有反转锥齿轮23，在输出轴III上轴向滑动连接有第一摩擦盘24，在第一摩擦盘24上连接有用于拨动第一摩擦盘24的第一直线操纵控制器27。

方案之二：第一换向器8、第二换向器9、第三换向器10或第四换向器11包括：轴线相互垂直的输入轴I及输出轴III，在输入轴I上空套有左锥齿轮33和右锥齿轮31，在输入轴I上通过滑键35滑动连接有第二摩擦盘34，在输出轴III上设有输出锥齿轮32，输出锥齿轮32分别与左锥齿轮33和右锥齿轮31啮合，在第二摩擦盘34上连接有用于拨动第二摩擦盘34的第二直线操纵控制器37。

参照图1，换向器的输入输出轴同轴时的系统结构框图。回转动力源1产生的转动，经过变速器2降低转速后，带动双联链轮3转动；双联链轮3分别通过链条4和链条5带动链轮6和链轮7同方向转动。由于链轮6和链轮7的齿数相同，它们的转动速度大小和方向也相同。

链轮6作为同轴换向器8和同轴换向器9的共同输入端，带动这两个换向器工作；同轴换向器8的输出端驱动麦克纳姆轮12，同轴换向器9的输出端驱动麦克纳姆轮13。

链轮7作为同轴换向器10和同轴换向器11的共同输入端，带动这两个换向器工作；同轴换向器10的输出端驱动麦克纳姆轮14，同轴换向器11的输出端驱动麦克纳姆轮15。

由于四个同轴换向器的传动比数值相同，链轮6和链轮7的转速大小和转动方向都相同，所以麦克纳姆轮8、麦克纳姆轮9、麦克纳姆轮10、以及麦克纳姆轮11的转动速度大小相同，每个麦克纳姆轮的转动方向由控制器16根据运动要求协调控制。

参照图2，换向器的输入输出轴互相垂直时的系统结构框图。回转动力源41产生的转动，经过变速器42降低转速后，带动双联链轮43转动；双联链轮43分别通过链条44和链条45带动链轮46和链轮47同方向转动。由于链轮46和链轮47的齿数相同，它们的转动速度大小和方向也相同。

链轮46作为垂直轴换向器48和垂直轴换向器50的共同输入端，带动这两个换向器工作；垂直轴换向器48的输出端驱动麦克纳姆轮52，垂直轴换向器50的输出端驱动麦克纳姆轮54。

链轮7作为垂直轴换向器49和垂直轴换向器51的共同输入端，带动这两个换向器工作；垂直轴换向器49的输出端驱动麦克纳姆轮53，垂直轴换向器51的输出端驱动麦克纳姆轮55。

由于四个垂直轴换向器的传动比数值相同，链轮6和链轮7的转速大小和转动方向都相同，所以麦克纳姆轮52、麦克纳姆轮53、麦克纳姆轮54、以及麦克纳姆轮55的转动速度大小相同，每个麦克纳姆轮的转动方向由控制器16根据运动要求协调控制。

为了能够简化全方位运动车的驱动和控制结构，本实用新型利用采用单一动力源驱动四个麦克纳姆轮，在动力源与每个麦克纳姆轮之间各设立一个可以控制输出轴转动方向的换向器，四个麦克纳姆轮分别安装在各换向器输出轴上，这样利用四个换向器可按运动需要改变各麦克纳姆轮的旋转方向，实现全方位移动。

换向器和麦克纳姆轮组成的全方位移动车的组成部分包括：回转动力源1、变速器2、双联链轮3、链条4、5、链轮6、7、齿轮换向器8、9、10、11、麦克纳姆轮12、13、14、15、以及控制器16。回转动力源1的转动输出，经过变速器2减速后，由双联链轮3分别经过链条4，5带动链轮6、7；链轮6经带动齿轮换向器8、9分别带动麦克纳姆轮12、13，链轮7经过齿轮换向器10、11分别带动麦克纳姆轮14、15；各齿轮换向器8、9、10、11的输出转动方向，各自独立受控制器16的协调和控制。还可以根据使用要求，在动力源与变速器之间增加传动离合器。

回转动力源1可以为各种电动机或内燃发动机，变速器2可以为有级变速也可以为无极变速，可以为齿轮传动也可以为液力传动。链条4和链条5具有相同的节距，链轮6和链轮7具有相同的齿数，双联链轮3上的两个链轮齿数相同。

四个齿轮换向器8、9、10、11的输出输入传动比数值相同，每一个齿轮换向器的输出转动方向可以通过控制器16单独控制，可以顺时针转动，也可以逆时针转动；且顺时针和逆时针两个方向转动的输出输入传动比数值相同。

麦克纳姆轮12与麦克纳姆轮13同轴安装于上轴线，麦克纳姆轮14与麦克纳姆轮15同轴安装于下轴线，且上轴线于下轴线平行。每一条对角线上的两个麦克纳姆轮的滚子轴线方向相同，且与另一条对角线上两个麦克纳姆轮的滚子轴线方向不同。

本实用新型中的换向器有两种输入、输出轴布置结构，一种是输入轴和输出轴同轴，另一种是输入轴和输出轴垂直。针对这两种换向器输入输出轴结构，本实用新型的全方位移动车的传动系统布置也不相同，图1是采用同轴换向器的传动系统布置结构，图2是采用垂直轴换向器的传动系统结构。

图3是同轴换向器的工作原理图，I为输入轴，II为过渡轴，III为输出轴，I和III同轴安装。输入的回转运动经输入锥齿轮21、过渡锥齿轮22传递给反转锥齿轮23。反转锥齿轮23的转动速度与输入锥齿轮21相同，但是转动方向相反。摩擦盘24与输出轴III用滑键25连接，当直线操纵控制器27推动拨动杆26使摩擦盘24与输入锥齿轮21接合时，输出轴III即会与输入锥齿轮21同步转动；反之，当直线操纵控制器27拉动拨动杆26使摩擦盘24与反转锥齿轮23接合时，输出轴III即会与反转锥齿轮23同步转动。由于输入锥齿轮21与反转锥齿轮23转速大小相同、转向相反，这样，输出轴III的转动方向可以在直线操纵控制器27的控制下改变，而转动速度大小不变。

图4是垂直换向器的工作原理图，I为输入轴，III为输出轴，I和III轴线垂直。左锥齿轮33和右锥齿轮31空套在输入轴I上，摩擦盘34通过滑键35与输入轴I滑动连接，并同步转动。当直线操纵控制器37推动拨动杆36使摩擦盘34与右锥齿轮31接合时，输出轴III即会在右锥齿轮31驱动下转动；反之，当直线操纵控制器37拉动拨动杆36使摩擦盘34与左锥齿轮33接合时，输出轴III即会在左锥齿轮33驱动下转动。由于左锥齿轮33与右锥齿轮31转速大小和方向均相同，根据锥齿轮啮合原理，输出轴III的转动方向可以在直线操纵控制器37的控制下改变，而转动速度大小不变。

Claims (4)

1.一种麦克纳姆轮全方位移动车，包括：车架，其特征在于，在车架设有：

第一麦克纳姆轮(12)、第二麦克纳姆轮(13)、第三麦克纳姆轮(14)、第四麦克纳姆轮(15)；

一个通过传动机构并用于同时驱动第一麦克纳姆轮(12)、第二麦克纳姆轮(13)、第三麦克纳姆轮(14)和第四麦克纳姆轮(15)的回转动力源(1)；

第一换向器(8)、第二换向器(9)、第三换向器(10)、第四换向器(11)，所述的第一换向器(8)设在回转动力源(1)与第一麦克纳姆轮(12)之间，用于变换第一麦克纳姆轮(12)的转动方向；第二换向器(9)设在回转动力源(1)与第二麦克纳姆轮(13)之间，用于变换第二麦克纳姆轮(13)的转动方向；第三换向器(10)设在回转动力源(1)与第三麦克纳姆轮(14)之间，用于变换第三麦克纳姆轮(14)的转动方向；第四换向器(11)设在回转动力源(1)与第四麦克纳姆轮(15)之间，用于变换第四麦克纳姆轮(15)的转动方向；以及，

用于控制第一换向器(8)、第二换向器(9)、第三换向器(10)及第四换向器(11)换向的控制器(16)。

2.根据权利要求1所述的麦克纳姆轮全方位移动车，其特征在于所述的传动机构为链轮传动机构，该链轮传动机构包括：与回转动力源(1)输出端连接的双联链轮(3)、与第一换向器(8)及第二换向器(9)连接的第一链轮(6)和与第三换向器(10)及第四换向器(11)连接的第二链轮(7)，双联链轮(3)分别通过第一传动链条(4)及第二传动链条(5)与第一链轮(6)及第二链轮(7)连接。

3.根据权利要求1或2所述的麦克纳姆轮全方位移动车，其特征在于第一换向器(8)、第二换向器(9)、第三换向器(10)或第四换向器(11)包括：输入轴(I)、过渡轴(II)及输出轴(III)，输入轴(I)与输出轴(III)同轴，在输入轴(I)上设有输入锥齿轮(21)，在过渡轴(II)上设有过渡锥齿轮(22)，在输出轴(III)上空套有反转锥齿轮(23)，在输出轴(III)上轴向滑动连接有第一摩擦盘(24)，在第一摩擦盘(24)上连接有用于拨动第一摩擦盘(24)的第一直线操纵控制器(27)。

4.根据权利要求1或2所述的麦克纳姆轮全方位移动车，其特征在于第一换向器(8)、第二换向器(9)、第三换向器(10)或第四换向器(11)包括：轴线相互垂直的输入轴(I)及输出轴(III)，在输入轴(I)上空套有左锥齿轮(33)和右锥齿轮(31)，在输入轴(I)上通过滑键(35)滑动连接有第二摩擦盘(34)，在输出轴(III)上设有输出锥齿轮(32)，输出锥齿轮(32)分别与左锥齿轮(33)和右锥齿轮(31)啮合，在第二摩擦盘(34)上连接有用于拨动第二摩擦盘(34)的第二直线操纵控制器(37)。

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