CN202115266U - 重载自驱动全向轮 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种重载自驱动全向轮，属于全向轮技术领域。其全向轮体（121）由轮辐（1212）、沿圆周方向均匀分布在轮辐外圈的6-16个辊子心轴（1211）、安装在辊子心轴（1211）上的小辊子（1210）、两个使轮辐（1212）与辊子心轴（1211）定位的端盖（1214）组成，端盖（1214）与辊子心轴（1211）通过轴承（1213）连接，端盖（1214）与轮辐（1212）为固定连接；上述每个辊子心轴（1211）与传动轴（122）轴线空间所成夹角相等为30-60度，相邻小辊子在空间分布上具有重合度，所有小辊子（1210）组成的外廓包络面是一个与车轮的理论轮廓面重合圆柱面。本实用新型结构简单、运动平稳、承载能力强。

Description

重载自驱动全向轮

技术领域

本实用新型涉及一种全向轮，特别是一种重载自驱动全向轮。

背景技术

目前国内飞机制造行业仍广泛采用传统的以人力或牵引车驱动为主要形式的运输方式。由于传统的飞机部件运输平台灵活性差，表现为不能侧向移动，需要较大的转弯半径，这就要求更大的工作空间；此外，传统飞机部件运输平台难以精确控制运动方向，在飞机部件对接时不但效率低，而且精度不高，因而传统飞机部件运输平台已不能适应现代飞机制造的要求。本专利旨在针对飞机制造行业特点，发明一种满足大尺寸、重载结构在狭窄空间内灵活运输的全向移动机构的驱动执行装置。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种结构简单、运动平稳性强、承载能力大的重载自驱动全向轮。

重载自驱动全向轮，包括全向轮体、传动轴、联轴器、减速机及伺服电机，其特征在于：全向轮体由轮辐、沿圆周方向均匀分布在轮辐外圈的6-16个辊子心轴、安装在辊子心轴上的小辊子、两个使轮辐与辊子心轴定位的端盖组成，端盖与辊子心轴通过轴承连接，端盖与轮辐为固定连接；每个辊子心轴与传动轴轴线空间所成夹角相等为30-60度，相邻小辊子在空间分布上具有重合度，所有小辊子组成的外廓包络面是一个与车轮的理论轮廓面重合圆柱面。

小辊子为两端细中间粗的鼓形。该结构可确保小辊子运动过程中与地面连续接触。

每个辊子心轴与传动轴轴线空间所成夹角均为45°为优选方案，此结构下效率最高。

小辊子在空间分布上有一定重合度，可保证全向轮运动过程中，与地面接触的小辊子之间平稳过渡。上述自驱动全向轮结构简单、运动灵活平稳、承载能力强。安装了本实用新型的移动机构能在保持姿态不变的前提下，实现前后、左右、斜向移动及原地零半径转弯，并能按任意指定路径连续运动，适合于在工作空间狭窄或拥挤的场合使用。

与当前常见的运输移动平台相比，安装本专利所涉及的自驱动全向轮的飞机部件运输全向移动平台能够在保持车体姿态不变的前提下，实现前后、左右、斜向及原地零半径转弯，并能按任意指定路径做连续运动，从而实现车间级狭窄空间作业环境下的灵活运动。

附图说明

图1为飞机部件运输全向移动平台的轴侧视图；

图2为自驱动全向轮的结构示意图；

图3为辊子生成图；

图4为辊子尺寸与车轮尺寸的关系；

图5为全方位轮径向两相邻辊子的关系；

图6为全方位车轮轴向两相邻辊子的关系；

图7为全向轮体的装配示意图；

图8为安装自驱动全向轮的移动平台的运动分析图；

表1为实施例中辊子具体参数。

图中：11-车身，12-自驱动全向轮，13-减震机构，14-控制装置，121-全向轮体，122-传动轴，123-联轴器，124-减速机，125-伺服电机，1210-小辊子，1211-辊子心轴，1212-轮辐，1213-轴承，1214-端盖，1215-螺栓.。

具体实施方式

下面结合说明书附图，为本实用新型自驱动全向轮和飞机部件运输全向移动平台的一个较佳实施例。

如图2所示，自驱动全向轮包括全向轮体121、传动轴122、联轴器123、减速机124及电机125。电机125的输出轴与减速机124的输入端相连，减速机124输出轴通过联轴器123与传动轴122相连，传动轴122与全向轮体121相连接，全向轮体在传动轴上的轴向位置固定由轴肩和螺母实现。

假设图3中的圆柱为全向轮，以车轮车轴方向为Z轴建立坐标系。R为全向轮半径，b为全向轮宽度，则圆柱表面的曲线AB为全向轮运动过程中圆周辊子与地面相接触的轨迹线。根据几何关系可以得到曲线AB为一条等速螺旋线，也为辊子的外廓线，其绕一条与全向轮轴线成η夹角的轴旋转一周得到的曲面即为辊子的轮廓面。曲线AB在车轮底面的投影为曲线AC。图4是辊子生成的简易图，图5是在轮子圆周方向的平面展开图，图6是在车轮轴线方向上的投影。

第一、设计重载自驱动全向轮关键参数如下：

a)全向轮半径R(mm)；

b)全向轮宽度b(mm)；

c)辊子最小端半径α(mm)；

d)辊子最大半径r_Rol(mm)；

e)偏置角η(rad)，即辊子轴线与轮子Z轴的夹角；

f)辊子的数目n；

g)辊子的长度L(mm)；

h)车轮轴线方向上，辊子对应车轮的中心角θ(rad)；

i)车轮轴线方向上，相邻辊子重合部分所对应车轮的中心角θ_t(rad)；

j)辊子重合度ε，即辊子对应车轮的中心角θ与理论对应的中心角的比值；

k)Δ车轮两端盖板的厚度(mm)；

l)设车轮旋转时，一个辊子与地面的接触点所连成的曲线为曲线AB，其弦长即为辊子的长度L(mm)；

m)设曲线AC为曲线AB在车轮轴线方向的投影，线AC的弦高和弦长分别为L₁、L₂(mm)；

n)辊子在车轴方向截面的半径d；

第二、全向轮各关键参数之间的关系：

每个辊子对应的中心角θ：

θ＝2π/n+θ_t        式1

辊子重合度ε：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\θ}}{2\mathrm{\π}/n}=\frac{2\mathrm{\π}/n+{\mathrm{\θ}}_t}{2\mathrm{\π}/n}=1+\frac{{\mathrm{\θ}}_t}{2\mathrm{\π}/n}$ 式2

曲线AC的弦高L₁：

$L_1=R(1-\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2})$ 式3

曲线AC弦长L₂：

$L_2=2R\sin \frac{\mathrm{\θ}}{2}$ 式4

辊子的长度L：

L＝L₂/sinη    式5

辊子最大半径r_Rol：

r_Rol＝L₁+α    式6

车轮宽度b：

b＝(L+2αtanη)cosη+Δ    式7

辊子在车轴方向截面的半径d：

$d=\frac{-B\cos \mathrm{\η}+\sqrt{B^2{\cos }^2\mathrm{\η}+A{\mathrm{Cr}}_{\mathrm{Rol}}}}{A}$ 式8

式中：A＝cos²η+sin⁴η；

B＝R-r_Rol；

C＝2R-r_Rol。

根据全向轮的基本特征，由Kyung-Lyong Han等人发表的Design and Controlof Omni-Directional Mobile Robot for Mobile Haptic Interface可知，上述关键几何参数之间还需满足以下条件：

1)由于全向轮的工作表面由安装在圆周上的所有辊子的轮廓组成。若其中一个或某几个辊子的轮廓沿车轮轴线方向的投影与理论圆周出现偏差，则所有辊子构成的将不是一个完整的圆，全向轮在运动过程中将产生振动。因此必须保证所有辊子在车轮轴线方向形成一个完整的圆，即必须满足：

$2\sqrt{\frac{R^2-{(\mathrm{\α}+R-r_{\mathrm{Rol}})}^2}{{\sin }^2\mathrm{\η}}}>L$ 式9

2)全向轮正常运动时，圆周上的辊子是能够绕自身轴线自由转动的，因此，相邻辊子之间及辊子和中间轮毂之间都须有一定的间隙保证不发生干涉，即：

$(R\_r_{\mathrm{Rol}})\tan \frac{\mathrm{\π}}{n}>d$ 式10

3)在运动的过程中辊子承受全向轮所有的重量，特别是当从一个辊子过渡到另一个辊子的瞬间，辊子承受的力最大。因此为了减小辊子承受的力，延长辊子寿命，在设计过程中应使全向轮辊子的重合角度θ_t＞0。

第三、具体设计过程：计算全向轮各关键参数值时，首先根据要求选定全向轮半径R，全向轮宽度b，全向轮上辊子数目n，辊子重合度ε、辊子小端半径α，辊子轴线与轮子Z轴的夹角即偏置角η，然后根据以上关系求出其他参数值。

计算全向轮各关键参数值时，首先根据要求选定全向轮半径R，全向轮宽度b，全向轮上辊子数目n，辊子重合度ε、辊子小端半径α，辊子轴线与轮子Z轴的夹角即偏置角η，然后根据以上关系求出其他参数值。

本设计中，设计全向轮半径R＝200mm、宽度b＝200mm、全向轮上辊子数目n＝9、辊子偏置角η＝45°、辊子重合度ε＝1.25、辊子小端半径α21mm，可计算得到全向轮其它关键参数。

根据式1：

每个辊子对应的中心角θ：

曲线AB的弦高L₁：

曲线AB弦长L₂：

辊子的长度L：

L＝L₂/cosη＝169.05/cos45°＝239.07(mm)

辊子最大半径r_Rol：

r_Rol＝L₁+α＝18.74+21＝39.74(mm)

辊子在车轴方向截面的半径d：

$d=\frac{-B\cos \mathrm{\η}+\sqrt{B^2{\cos }^2\mathrm{\η}+{\mathrm{ACr}}_{\mathrm{Rol}}}}{A}=53.64\left(\mathrm{mm}\right)$

以上参数需满足以下条件：

1) $2\sqrt{\frac{R^2-{(\mathrm{\α}+R-r_{\mathrm{Rol}})}^2}{{\sin }^2\mathrm{\η}}}=239.08\left(\mathrm{mm}\right)>L;$

2) $(R\_r_{\mathrm{Rol}})\tan \frac{\mathrm{\π}}{n}=134.47>d;$

3)θ_t＞0；

经检验，辊子设计参数符合上述三个条件，因此设计的全向轮符合要求。辊子具体参数见表1。

如图7所示，全向轮体121包括小辊子1210，辊子心轴1211，轮辐1212，轴承1213，端盖1214，螺栓1215。全向轮体121的圆周共装有9个鼓形小辊子1210，小辊子1210轴线与全向轮体121轴线空间成45°夹角。所有小辊子的外廓包络面是一个圆柱面，该圆柱面应与车轮的理论轮廓面重合。小辊子1210与地面的相对运动产生的摩擦力驱动全向轮运动，因此小辊子1210选用了摩擦系数大、耐磨损并且减震性能良好的材料。小辊子1210通过轴承1213安装在辊子心轴1211上，能绕辊子心轴1211自由转动。在端盖1214一侧端面上等间距地开有鼓形凹槽用于安装小辊子和心轴的组合件，凹槽的半径比小辊子1210半径略大。辊子心轴1211的两端分别安装固定在端盖1214的相应孔中，相邻两小辊子之间、小辊子与轮辐之间均留有活动间隙，保证小辊子转动时不会发生干涉。螺栓1215将端盖1214与轮辐1212连接形成一个整体。

本实施例自驱动全向轮应四个组合在一起使用，且相邻两个全向轮体上的小辊子安装角度相反，移动机构才能实现任意轨迹的连续运动。

如图1所示，该移动平台主要包括车身11、自驱动全向轮12、减震机构13及控制装置14。

在图1中，4个自驱动全向轮12通过减震机构13呈矩形安装在车身11上，以防运输平台在较差的地面工作时，出现全向轮悬空而使运输平台不能正常工作。

当电机驱动全向轮运动时，全向轮体绕自身轴线转动，与地面接触的小辊子产生的力垂直于轮体轴线方向。但由于全向轮轴线与小辊子轴线有一夹角，因此这个力可以分解为一垂直于小辊子轴线的力和一平行于小辊子轴线的力。垂直于小辊子轴线的力将使小辊子绕自身轴线转动，平行于小辊子轴线的力驱动全向轮运动。四个自驱动全向轮转速的耦合，就能使本移动平台实现全向运动。

本实例中，建立移动平台坐标系xoy如图8所示。前后轮间距为e，左右轮间距为d(在本实施例中d/e＝0.618)，各车轮坐标系为x_io_iy_i(i＝1，2，3，4)。伺服电机驱动全向轮以转速v_iw运动时，全向轮上与地面接触的小辊子以v_ir的转速绕自身轴线旋转。四个全向轮速度v_iw合成确定全向运输平台运动的线速度和角速度。全向运输平台采用速度控制方式，建立全向运输平台运动方程如下：

$\left[\begin{array}{c}{v}_{1w}\\ v_{2w}\\ v_{3w}\\ v_{4w}\end{array}\right]=\frac{1}{2\mathrm{\πR}}\left[\begin{array}{ccc}1& -1& -(d+e)/2\\ 1& 1& (d+e)/2\\ 1& 1& -(d+e)/2\\ 1& -1& (d+e)/2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}_x\\ v_y\\ \mathrm{\ω}\end{array}\right]$

式中R为自驱动全向轮半径，v_x、v_y、ω分别表示全向运输平台x、y方向线速度和绕几何中心的角速度。

Claims (3)

1.一种重载自驱动全向轮，包括全向轮体（121）、传动轴（122）、联轴器（123）、减速机（124）及伺服电机（125），其特征在于：

全向轮体（121）由轮辐（1212）、沿圆周方向均匀分布在轮辐外圈的6-16个辊子心轴（1211）、安装在辊子心轴（1211）上的小辊子（1210）、两个使轮辐（1212）与辊子心轴（1211）定位的端盖（1214）组成，端盖（1214）与辊子心轴（1211）通过轴承（1213）连接，端盖（1214）与轮辐（1212）为固定连接；

每个辊子心轴（1211）与传动轴（122）轴线空间所成夹角相等为30-60度，相邻小辊子在空间分布上具有重合度，所有小辊子（1210）组成的外廓包络面是一个与车轮的理论轮廓面重合圆柱面。

2.根据权利要求1所述的重载自驱动全向轮，其特征在于：小辊子（1210）为两端细中间粗的鼓形。

3.根据权利要求1所述的重载自驱动全向轮，其特征在于：每个辊子心轴（1211）与传动轴（122）轴线空间所成夹角均为45°。

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