TW201024114A - Omnidirectional wheel transmission device - Google Patents

Description

201024114 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種傳動裝置之設計，特別是關於—種全 向_傳動裝置。 【先前技術】

隨著科技日新月異，機器人的使用也逐漸盛行。機器人 的傳動裝置設計有很多種，最常見的是使用輪子的輪式機器 人。習知的輪式機器人通常設計有三個、四個或四個以上的 輪子，為的是能保持靜態及動態平衡。可惜的是，輪子較多 的狀況下，轉向時往往需要較大的迴轉半 外環境的㈣人《糧，但_州=^ 則會由^環境巾可供移動的純通常過於狹窄及複雜 機器人移動時的不便。 為了使機器人能順利地在狹窄及複雜及複雜的路徑中 移動’出現了應關鐘擺原理的二輪式機器人，以及利 軸驅動的橢圓形輪子來移動的單輪式機器人。之後，利 «球_的單輪機器人也被設計出來，域制 恶的平衡。 ，、羯 =式的設計可以利用兩個輪子做到原地旋轉，但是受 二：子的設置方向固定，難以作到即時改 要預先旋轉到要移動的方向，才能在新的行進方 單輪式機器人是以-球形輪（SpWai H)進行位 201024114 : >輪顧名思義即為球形的輪子，由―對垂直設置於球 2且接觸於球形輪之球面的傳動軸來傳動，用以使球形 明=方向上滾動。對應於每—傳動軸_州r。㈣還設 不至於RGlIer) ’使球形輪定位在傳動軸與惰軸間 、’使軸㈣持與球形輪接㈣順利傳動球形 虽卉？

地面卜…傳動軸受驅動時，球形輪受傳動軸之傳動而在 :上滚動產生位移，與此傳動軸互向垂直的傳動軸 IS:::相接觸，但因為角度關係使之無法與球形輪的 二動方向維持順向的旋轉而㈣不動，與球形輪間互相滑移 ^為了使球形輪能順利的滾動，球形輪必須具有較 力㈣㈣_來傳動’還需具有較低摩捧力以顧及 =形輪與另—傳動軸及惰軸_互相滑移。-般在設計“ 〒球:輪與地面間具有較高的摩擦力，避免移動時二 影響球形輪與傳動轴及惰軸之間難以互相滑移， 【發明内容】 本發明所欲解決之技術問題 上料，陳卿人傳料置㈣計有許多㈣ '子在，*使用三個以上的輪子時雖_容易叙平衡， 由於運動時所需的空間往往較大，不適合在室内居家環^ 使用。一輪式的設計雖然有較短的迴轉 兄 輪子做到原地旋轉，但是每當改變行㈣，必 201024114 預轉動作，才能往新的行進方向移動。單輪式的設計雖然能 同時解決空間與轉向的問題，然而單輪式的球形輪與傳動 軸、惰軸及地面間所需的摩擦力不同，球形輪無法同時具有 較声與較低摩擦力，造成難以有良好之傳動效果。 緣此，本發明之目的即是提供一種全向輪傳動裝置，用 以使球形輪與全向輪間的傳動，達到良好之傳動效果。 本發明解決問題之技術手段 β 本發明為解決習知技術之問題所採用之技術手段係包 括一球形輪、一對第一方向全向輪及一對第二方向全向輪。 一對第一方向全向輪沿一第一方向且以一預定間距對應設 置於球形輪之兩側，各個第一方向全向輪包括有一主輪及複 數個導輪，主輪之軸向方向垂直於設置方向，導輪環繞枢設 於主輪之輪面，且各個第一方向全向輪以至少一導輪頂置於 球形輪之球面，使球形輪可滾動地定位於一對第一方向全向 輪間；一對第二方向全向輪沿一第二方向且以一預定間距對 ® 應設置於球形輪之兩側，各個第二方向全向輪包括有一主輪 < 及複數個導輪，主輪之轴向方向垂直於設置方向，導輪環繞 枢設於主輪之輪面，且各個第二方向全向輪以至少一導輪頂 置於球形輪之球面，使球形輪可滾動地定位於一對第二方向 全向輪間。 在本發明之較佳實施例中，更包括有一控制電路，控制 電路包括一處理單元、一電性連接於處理單元之驅動控制單 元及電性連接於驅動控制單元之一第一方向驅動單元及一 201024114 第二方向驅動單元，分別用 對第一方向全向輪旋轉。 批由本發明所採用之技術手段，可以使得全向輪盘球带 動方向維持順向之旋轉方向的旋轉，不會因為夾角關 2固定不動’故不需要較低摩擦力來使之互相滑移，球形 參 ==:::__為，故_ ^專動方面，球形輪在滾動時是由成對的全向輪進行傳 :動時產生的傳動力較佳，且因為全向輪係為相對應設置， 觸面2簡力學上的平衡。再者，全向輪與球形輪間的接 =積較大，提供較佳的摩擦力，更減少滑移現象發生的可 Γ =全向輪所產生的傳動力與球形輪保持在切線方 向，在傳動時能產生最大的力矩。 Φ 以驅動一對第一方向全向輪及一 本爹明對照先前技術之功效 經 此外’全向輪與球形輪在傳動時，全向輪之導輪依庠接 輪’㈣是輪面與球形輪之 灰塵象，制於灰塵較多的環境中亦不成問題易有 重畺及負載方面’結構本身的 _ =換，向輪與球形輪間正向的接觸:，當= “二4輪與_輪間的接觸力亦成比例地增加，減 ㈣輪和全向輪間發生滑移現象的可能性。 n的者王向輪與球形輪間接觸力的大小與成對之全向輪 有一定的比例關係’當成對之全向輪間的間距愈 201024114 小，則因作用力分量的關係而使接 進-步而言，當承重及負載愈大 的接觸力變大亦使㈣能力成比例球形輪間 做調整。 力以適用於不同情況 ❹ 魯 轴間對於球形輪與傳動 «的問題，故球形二採::::形變則會造成傳動不 整實不易形變㈣#貫不易形變的材料，但 之全向輪與=::::不適=一般路面上*動。本發明 使用如汽車輪胎一樣=Γ::形變影響，球形輪可 你田Τ㊉ 料科’使本發明可於-般路面上 吏用，不給限制於室内居家環境的平坦地面。 本發明所採用的具體實施例 呈圖式作進-步之說明。 肖由乂下之貫施例及附 【實施方式】 參閱第1圖、第 圖所不，其係顯示本發明第 — 體圖、本發明第一實施例之側視圖及本發明第 置100勺括有1 °如圖所不’全向輪(〇mniWhee_裝 A已括有—球形輪(Spherical Wheel)卜1第一 輪2二3:—對第二方向全向輪4、5及一控制電路6。王 一球形輪1具有一球面u，位在一標的平面 貫施例中，球形輪係由—橡膠材料所構成，如汽車輪胎= 201024114 可在標的平面F上滾動；第一方向全向輪2與第一方向全向 輪3沿一第一方向η且以一預定間距〇1對應設置於球形輪 1兩側；第二方向全向輪4與第二方向全向輪5沿—第二^ 向12且以一預定間距D2對應設置於球形輪丨兩側。 第一方向全向輪2包括有一主輪2卜複數個導輪22&、 22b、22c(在此僅針對說明書所會提及之導輪進行元件符號 之標示）及一傳動軸23。主輪21具有一輪面211及一軸向方° 向212 ’主輪21之軸向方向212垂直於第一方向η。導輪 22a 22b、22c環繞樞設於主輪21之輪面211，且第—方向 全向輪2以至少一導輪22a頂置於球形輪1之球面u。。 複數：=Γ，第一方向全向輪3同樣包括有-主輪31、 輪說明#所會提及之導 :一轴向方向312,主輪"之轴向方向心於Γ 方向η。導輪32a、32b、32c環繞框設於 直 =- Ο 且第-方向全向輪3以至少一導 之輪面川， 二等輪32a頂置於球形輪1夕ζ+、 ^。藉由設置於球形^^^^^輪^球 使絲輪1可滾動地定餘—對第—方向全向輪2、3間。 目似地’第二方向全向輪4包括 於 導輪42(在此僅針對說明書所會提及之導於進^杜妓數個 標示）及—傳動軸43。主輪41具有一輪^ T7L件符號之 412，主輪41之站 ^ 1及—軸向方向 1之軸向方向411垂直於第_ 環繞樞設於主輪41之輪面411H — ° 2。導輪42 —導輪42頂置於球形輪!之球面u 向輪4以至少 -11 - 201024114 相對應於第一方向全向輪4，第二 括有—主輪51、複數個導輪 ;^向全向輪5同樣包 :導輪進行_號之標示)及一傳動轴 第二方向Ϊ。::1向二2;主輪51之轴向方向511垂直於 -方二岭 設於主輪51之輪面⑴，且第 ^方向全向輪5以至少—導輪52頂置於球形輪]= 。藉由设置於球形輪丨兩侧 : 形輪1可f動地定&A 弟一方向全向輪4、5,使球 ⑩^輪1 1袞動地疋位於-對第二方向全向輪4、5間。 直，二=二’第一方向11與第二方…互相垂 位於第—方向全向輪2、3與第二方向全 =、5間。當然，第一方向n與第二方向。也可以有1 匕角度的夾角看設計及使用上的需求而定。 广 控:電路6包括—處理單元61、—驅動控制單元I 方向驅動單元63及一第二方向驅動單元6心宜中， 驅動控制單元62電性連接於處理單元61 ;第一驅 元63電性連接於驅動於 動早 # 輪2、3於赭.〜 用以驅動第一方向全向 —$，弟—方向驅動單元彳4電性連接於驅動控制單 兀62，用以驅動第-古A 利早 罝… 4 向全向輪4、5旋轉。第-方向驅動 ^二方向驅動單元64在本實施例中係為直流馬 達m可以是步進馬達或其他驅動機構。 ’” 立參閱第4圖所示，其係顯示本發明第一實施例之動作干 思圖。當欲使全向輪傳動裝置1〇〇依一移動方向M移動時: 制電路6之處理單元61發出—動作訊號si至驅動 單元62。驅動控制單元62依據動作訊號si，由於移動^向 -12 - 201024114 Μ與第；平行，故職 ⑵、奶使第-方向驅動單元63作；動控制訊號 早兀63驅動對應於移動方向 #方向驅動 轉.。 昂方向全向輪2、3旋 當第-方向全向輪2受第… 以-旋轉方向T1旋轉 ‘動早⑽之驅動而 22a、導輪22b、導_ 22 °全向輪2依序由導輪 9 鲁 輪1受第一方向全向輪2之帶動而旋轉。之球面11，使球形 相似地’當第-方向全向輪 動單元63之驅動而以—相同於旋轉輪k第—方向驅 旋轉時，第一方向全向輪3依序。之旋轉方向丁2 輪32c接觸球形輪丨 導輪32a、導輪32b、導 衿ι夕册叙 球面11，使球形輪1受第一方Θ入a 輪3之γ動而旋轉。球形輪1同時弟方向全向 之帶動，沿第一方内T1 ’弟方向全向輪2、 I動。 方向11以-滚動方向R在標的平面Fji 在本實施例中，雖_以控 方向全向輪2、3為例， 纟對驅動—對第- 路6亦可以成對驅動 $ ^此技藝者當知，控制電 單-全向輪。 M二方向全向輪4、5或是只驅動 參閱第5圖所示，复 * 動作示意圖。第二方向入二’”不王向輪之導輪與球形輪間之 單元64的驅動，第王。* 4、5由於未受第二方向驅動 之導輪42連動，與球鮮向輪4藉由與球形輪1相接觸 轉方向T3之旋轉。球形二：：動方向R維持-順向之旋 * X導輪42弓丨導而順利滚動，與 •13. 201024114 第二方向全向輪4不會產生滑移現象。 情況與第二方向全向輪4相似，故不再I:方。向王向輪5的 在本實施例中，雖然是由第一方向全 形輪I滾動以差生位移。反之，本發明'帶動球 滾球έ士槿卜5 士 、 應用於滑鼠的 輪2 3及第方 輪i沿第—方向^5 c配合參閱第4圖’當球形 輪2、31 時，第—方向全向 ^與球形輪！之滾動方向R她“ 3仏連動，則會 《，哀勤方向R維持順向之旋轉方向^、T2 弟-方向全向輪4則同樣藉由 ，動，與球形輪!之滾動方向R維持==導輪 Ή之旋轉，第二方向全向 °奴轉方向 相似，故不再贅述 情況亦與第二方向全向輪4 參閱第6圖所示，其係顧千士 之立體圖。係j不本發明弟二實施例之全向輪 致上4:第 霄施例之全向輪7之結構設計大 ，、則述弟一貫施例相同，包 =及7 一主輪〜輪二71 及= ，卜輪72環繞抱設於主輪”之輪面川 :向 於全向輪7之主輪 上。其差異在 向輪2、3及第二US向方向Μ上具有較第一方向全 導輪72a鱼導_ 7王°輪4、5為長之轴向長度L，以在 量增加時/，== =，”小時(換言之，即導輪數 持結構不易被曰破I輪71提供較強的機械應力，以保 同時參閱第7圖及第8圖所示，其係顯示本發明第三實 -14 - 201024114 %例之側視圖以及本發明第三實施例之鏈條單位元件之侧 視圖。此一實施例之全向輪傳動裝置100a之結構設計大致 上與前述第一實施例相同（為簡化圖示，圖中僅表現一對全 向輪’但實際上仍為二對全向輪），全向輪8包括有一主輪 81複數個導輪82a、82b(在此僅針對說明書所會提及之導 輪進行元件符號之標示）及一傳動軸83。 此一實施例與前述第一實施例之差異在於全向輪8之 ❹ 主輪81包括有一驅動輪811、一傳送導執812及一傳送帶， 傳送帶圍繞附合於驅動輪811及傳送導軌812，導輪8仏、 82b樞設於傳送帶上，可由驅動輪811帶動傳送帶，以使樞 設於傳送帶上之導輪82a、82b依序接觸球形輪i之球面U 而使球形輪1滾動。 在本實施例中，驅動輪8U為一驅動齒輪，傳送帶為一 鍵條813 ’鏈條813包括有複數個相互串接之鏈條單位元件 ^ ’全向輪8之導輪❿、82b則以一框轴815才區設於鍵條 早位兀件814上。相較於前述實施例的傳動方式為圓狐形（主 輪的旋轉)與圓弧形（球形輪的滾動)相接觸的傳動，本實施例 、鏈1W'式的认# ’利用直線(鏈條的傳送)與圓狐形(球形輪的 滾動)相接觸的傳動，使導輪82a、奶與球形輪！接觸的點 較平順，不容易因接觸上的鋸齒問題而產生震動。 ❹之實施例可知，本發明所提供之全向輪傳動裝置 〃業上之利用價值，故本發明業已符合於專利之要件。 ::二=?為本發明之較佳實施例說明，凡精於此項技 云者畐可依據上述之說明而作其它種種之改良，惟這些改變 -15 - 201024114 乃屬於本發明之發明精神及以下所界定之專利範圍中。 【圊式簡單說明】 第·ι圖係顯示本發明第一實施例之立體圖； 第2圖係顯示本發明第一實施例之侧視圖； 第3圖係顯示本發明第一實施例之上視圖； 第4圖係顯示本發明第—實施例之動作示意圖； 第5圖係顯示全向輪之導輪與球形輪間之 第6圖係顯示本發明第二實施例之全向輪之立體圖； 第7圖係顯示本發明第三實施例之側視圖； 第圖係.·、員示本發明第二貫施例之鏈條單位元件之側視圖。 【主要元件符號說明】 100 、 100a 11 2 21 211 212 22a 、 22b 、 22c 23 3 全向輪傳動裝置 球形輪 球面 第一方向全^向輪 主輪 輪面 軸向方向 導輪 傳動車由 第一方向全向輪 主輪 31 201024114 311 312 32a、32b、32c 33 4 41 411 412 ❹ 42 43 5 51 511 512 52 53 ® 6 61 62 63 64 7 71 輪面 轴向方向 導輪 傳動軸 第二方向全向輪 主輪 輪面 轴向方向 導輪 傳動軸 第二方向全向輪 主輪 輪面 轴向方向 導輪 傳動軸 控制電路 I 處理單元 驅動控制單元 第一方向驅動單元 第二方向驅動單元 全向輪 主輪 輪面 -17 - 711 201024114 參 參 712 軸向方向 72a、72b 導輪 73 傳動軸 8 全向輪 81 主輪 811 驅動輪 812 傳送導執 813 鏈條 814 鏈條單位元件 815 枢軸 82a > 82b 導輪 83 傳動軸 D1、D2 間距 F 標的平面 11 第一方向 12 第二方向 L 軸向長度 1 M 移動方向 R 滚動方向 SI 動作訊號 S21 、 S22 驅動控制訊號 ΤΙ 、 T2 、 T3 旋轉方向 W 間隙 -18 -

Claims (1)

1. 201024114 十、 申請專利範圚 -種全向輪傳動裝置，包括： 一球形輪，具有-球面； 一對第一方向全向輪，沿一 應設置於該球评之： °且以—預定間距對 括有一主輪H 各個第—方向全向輪包 錢置方向，：導:二:’該主輪之軸向方向垂直於 各個第-方向二=設:該主輪之輪面，且該 球面，使該球形“：輪頂置於該球形輪之 輪間； 輪了 /衰動地疋位於該對第一方向全向 對第二方向全向輪，沿一 應設置於該球形於…， 〜且以一預定間距對 括有-主輪及、: 該各個第二方向全向輪包 該設置方向二導：導輪’該主輪之軸向方向垂直於 各個第二方向==設於該主輪之輪面，且該 ;’使物 ，對第-方:===第:::全向輪旋轉時， 接觸該球形輪之球面而弟:：向全向輪之導輪依序 二方向滾動。 球形輪沿該第一方向或該第 2·如申請專利範園第1項所述之全向輪傳動裝置，其,該 201024114 第一方向與該第二方向係互相垂直。 利細！項所述之全向輪傳動裝 置’其中該 4’如申請專利_第3項所述之全向輪傳動裝 控制電路包括： 一處理單元； 二驅動控制單元，電性連接於該處理單元； 第方向驅動單元’電性連接於贫驅動批制留-一《驅動該對第-方向全向動控制^ ’用 '方向驅動單元，電性連接於該驅動控制單元，用 以驅動該對第二方向全向輪旋轉。 _ ι =請專利_帛4項所述之全向輪傳動裝置，其中該 方向驅動單元係為直流馬缚及步進馬達之一。 6. ί申請專利範圍第4項所述之全向輪傳動裝置， 第二方向 驅 動單元係為直流馬達及步進馬達之一 其中該 如 球輪傳動裝置，該 -20 - 201024114 8.傳動… 置，其中該 驅動輪； 該第一方向全向輪之 .一傳送帶，圍繞附合於該驅動輪， 導輪係樞設於該傳送帶上； 方向全向輪旋轉時，該_輪帶動 使樞設於該傳送帶上之導輪^ 而使該球形輪滾動。 纟觸邊球形輪之球面 範圍第8項所述之全向輪 乂 = 包括有-傳送導執，鄰近:置 輪5亥傳运帶圍繞附合於該驅動輪及該傳送帶。 10’如申請專利範圍第i項所 Φ 第二方向全向輪之主輪包括：⑽傳動裝置’射該 一驅動輪； 傳送▼，圍繞附合於該 术導^系柄設於該傳送帶上動輪方向全向輪之 二=轉:，該驅動輪帶動該傳送帶， 而使該球形輪滾動Γ <導輪依序接觸該球形輪之球面 申==圍第i。項所述之全向輪傳 向全向輪之主輪更包括有—傳送導執，鄰近2 -21 - 201024114 圍繞附合於該輪及該傳送帶 12·一種全向輪傳動裝置，包括： -球形輪，具有—球面； 第方向且以一預定間距對 於該驅動輪，該傳送帶 ’第-方向全向輪，沿一 應設置於該球形輪之 括有-主輪及複數個導輪，二第：方向全向輪包 ❹ ❹ 該設置方向，兮道& 輪之軸向方向垂直於 5亥導輪環繞樞設於該主趴 各個第-方向麵輪心少=輪之輪面，且該 球面，使哕戏， 導輪頂置於該球形輪之 輪間 方向全向 .^永形輪可滾動地定位於該對第 -：弟二方向全向輪，沿一第二方 =置於該球形輪之兩側，該各個;咖 括有-主輪及複數個導輪，該主向全向輪自 該設置方向，x主輪之軸向方向垂直於 各個第二方向==樞設於該主輪之輪面，且該 广使該球形輪;：定一::::第於該球形輪之 輪間； …亥對弟二方向全向 當該球形輪滾動時，竽 :全向輪藉由與該球形輪相:觸該對第二方 輪之滚動^维持—順向㈣方向之輯動’與該球形 13:申請專利範園第12項所述之 弟—方向與該第二方向係互相垂直。動裝置，其尹該 -22 - 201024114 I4.:=範 15.:申：專利範圍第12項所述之 弟一方向全向輪之主輪包括： 裝置，其中該 一驅動輪； 傳送页，圍繞附合於該驅動輪，該 。導輪係樞設於該傳送帶上，· 向全向輪之 ,.. 該.驅動輪帶動該傳诸鹛 以使樞設於該傳送帶上之導輪依序麵 而使該球形輪滾動。 當該第一方向全向輪旋轉時， 5亥球形輪之球面 範圍第15項所述之全向輪傳動裝置，其中該

   於兮4向輪之主輪更包括有—傳送導執，鄰近f置 於5亥驅動輪’該值接册阁从 n又置 达贡圍、vo附合於該驅動輪及該傳送帶。 Η:申請專利範圍第12項所述之全向輪傳動裝置，其”亥 第—方向全向輪之主輪包括： 入 —驅動輪； 傳运帶，圍繞附合於該驅動輪，該第二方向全 導輪係樞設於該傳送帶上； 网 當该第二方向全向輪旋轉時，該驅動輪帶動該傳送帶， 以使抱設於該傳送帶上之導輪依序接觸該球形輪之球面 * 23 - 201024114

   而使該球形輪滾動。 18 · φ全太击彳、 °月專利範圍第17項所述之全向輪傳動裝置，其中該 楚一 =方向全向輪之主輪更包括有一傳送導軌，鄰近設置 ;k驅動輪，該傳送帶圍繞附合於該驅動輪及該傳送帶。 -24 -