TWI753242B - 萬向輪、行走機構和自主移動搬運機器人 - Google Patents

萬向輪、行走機構和自主移動搬運機器人 Download PDF

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Abstract

本發明係為一種萬向輪、行走機構和自主移動搬運機器人，所述萬向輪包括支架和通過輪軸安裝於支架的滾輪，其中，萬向輪還包括第一鉸接結構和第二鉸接結構，第一鉸接結構限定與輪軸的軸線垂直的第一旋轉軸線，第二鉸接結構限定與第一旋轉軸線平行的第二旋轉軸線，支架通過第一鉸接結構與第二鉸接結構連接，以使得支架與滾輪一起能夠繞第一旋轉軸線轉動，同時，使得支架與滾輪以及第一鉸接結構一起能夠繞第二旋轉軸線轉動，過滾輪的中心點的基準旋轉軸線、第一旋轉軸線與第二旋轉軸線相互平行但不共線，基準旋轉軸線經過滾輪的著地點。本發明提供的萬向輪能夠避免行走機構轉向行駛的過程出現不必要的晃動，保證行駛的平穩性。

Description

萬向輪、行走機構和自主移動搬運機器人
本發明係為萬向輪技術領域，具體地，涉及一種萬向輪、行走機構和自主移動搬運機器人。
超市推車通常安裝有萬向輪，以根據使用者需求進行轉彎。現有的萬向輪中，其滾輪能夠繞水準旋轉軸線垂直轉動的同時，還能夠繞垂直旋轉軸線進行水準轉動，以實現360°的旋轉。然而，當推車的轉彎方向大於90°時，現有的萬向輪存在運動死點，因此，推車會產生不需要的晃動。具體地，參照圖1所示，推車與萬向輪的鉸接點（萬向輪的垂直旋轉軸線（在圖1中垂直於紙面）過該鉸接點）（用“□”表示）的初始位置為a，萬向輪的著地點用“○”表示，推車的初始狀態為沿箭頭M所指的方向行駛，欲改變方向（大於90°）沿箭頭M1或M2或M3或M4所指的方向行駛。在初始狀態，萬向輪的水準旋轉軸線與箭頭M所指的方向垂直，當推車改變方向行駛時，理想狀態是從初始位置a沿箭頭M1或M2或M3或M4所指的方向行駛，然而，由於萬向輪需要調整其水準旋轉軸線的方向，在摩擦力的作用下，萬向輪會繞其著地點以水準旋轉軸線與垂直旋轉軸線之間的距離為半徑旋轉，在這種情況下，推車與萬向輪的鉸接點的運動軌跡受到限制，即不得不繞著地點旋轉，直到轉過對應角度的圓心角（到達a1或a2或a3或a4位置）才能沿箭頭M1或M2或M3或M4所指的方向行駛。這種轉動過程即為上述的運動死點，其不受控制，且轉動的過程中速度相對較快，因此，會使得推車產生不需要的晃動，導致推車行走不穩定。
本發明的目的是提供一種萬向輪，該萬向輪能夠避免行走機構轉向行駛的過程出現不必要的晃動，保證行駛的平穩性。
為了實現上述目的，本發明提供一種萬向輪，包括支架和通過輪軸安裝於所述支架的滾輪，其中，所述萬向輪還包括第一鉸接結構和第二鉸接結構，所述第一鉸接結構限定與所述輪軸的軸線垂直的第一旋轉軸線，所述第二鉸接結構限定與所述第一旋轉軸線平行的第二旋轉軸線，所述支架通過所述第一鉸接結構與所述第二鉸接結構連接，以使得所述支架與所述滾輪一起能夠繞所述第一旋轉軸線轉動，同時，使得所述支架與所述滾輪以及所述第一鉸接結構一起能夠繞所述第二旋轉軸線轉動，過所述滾輪的中心點的基準旋轉軸線、所述第一旋轉軸線與所述第二旋轉軸線相互平行但不共線，所述基準旋轉軸線經過所述滾輪的著地點。
可選擇地，所述基準旋轉軸線與所述第一旋轉軸線之間的間距等於所述第一旋轉軸線與所述第二旋轉軸線之間的間距。
可選擇地，所述基準旋轉軸線與所述第一旋轉軸線之間的間距為第一間距，該第一間距在所述輪軸的軸線方向上的分量為所述基準旋轉軸線與所述第一旋轉軸線之間的偏心間距。
可選擇地，所述第一鉸接結構構造為第一軸承，所述第二鉸接結構構造為第二軸承，所述第一軸承包括第一內圈和第一外圈，所述第二軸承包括第二內圈和第二外圈，所述第一內圈和所述第一外圈中的一者與所述支架固定連接，所述第一內圈和所述第一外圈中的另一者與所述第二內圈和所述第二外圈中的一者固定連接。
可選擇地，所述第一外圈與所述支架固定連接，所述第一內圈與所述第二外圈固定連接。
可選擇地，所述第一軸承與所述第二軸承之間設置有軸承座，該軸承座固定於所述第一內圈，所述第二外圈固定於所述軸承座。
可選擇地，所述支架包括彼此平行的第一連接板和第二連接板以及連接在所述第一連接板和第二連接板之間的中間連接部，所述輪軸固定於在所述第一連接板和所述第二連接板之間，且所述輪軸的軸線與所述第一連接板和所述第二連接板垂直。
可選擇地，所述中間連接部設置有凹槽，該凹槽用作所述第一軸承的軸承室，所述第一外圈固定於所述凹槽中。
在上述技術方案的基礎上，本發明還提供一種行走機構，包括底座，其中，所述行走機構還包括多個上述的萬向輪，每個萬向輪的所述第一鉸接結構通過所述第二鉸接結構與所述底座連接，所述支架、所述滾輪和所述第一鉸接結構整體能夠繞所述第二旋轉軸線相對於所述底座轉動。
此外，本發明還提供一種自主移動搬運機器人，該自主移動搬運機器人包括上述的行走機構。
通過上述技術方案，本發明提供的萬向輪具有兩個垂直旋轉軸線，即第一旋轉軸線和第二旋轉軸線，第一鉸接結構與萬向輪的第一鉸接點位於第一旋轉軸線B上，第二鉸接結構與行走機構的第二鉸接點位於第二旋轉軸線C上，由於基準旋轉軸線A、所述第一旋轉軸線B與所述第二旋轉軸線C相互平行但不共線，因此三者中兩兩之間具有間距，為了便於描述，定義基準旋轉軸線A與第一旋轉軸線B之間的間距為R，第一旋轉軸線B與第二旋轉軸線C之間的間距為r。通過設置第一鉸接結構，基準旋轉軸線A與第二旋轉軸線C之間的間距可以為[|R-r|,（R+r）]區間的任意值，因此，第一鉸接點的存在使得第二鉸接點能夠在其自身所在的水平面（此處的“水平面”是指與第二旋轉軸線垂直的平面）內到達以|R-r|為半徑、繞第一基準旋轉線A所畫的圓與以（R+r）為半徑、繞第一基準旋轉線A所畫的圓之間的區域內的任意一個位置，也就是說，由於第一鉸接點的存在，打斷了第二鉸接點與基準旋轉軸線A之間的固定距離，第二鉸接點相對於萬向輪的著地點G具有多個自由度。當行走機構的行駛方向改變大於90°的角度時，在滾輪繞其著地點G旋轉以調整其水準旋轉軸線的方向的過程中，第二鉸接點的運動軌跡不再受到限制，能夠直接切換運動方向，不會出現運動死點，從而能夠避免行走機構轉向行駛的過程出現不必要的晃動，保證行駛的平穩性。本發明提供的行走機構和自主移動搬運機器人包括上述萬向輪，因此同樣具有上述優點，為了避免重複，在此不再贅述。
以下結合附圖對本發明的具體實施例進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用於說明和解釋本發明，並不用於限制本發明。
在本發明中，所使用的方位詞如“內、外”是指相對於對應的部件的輪廓的內、外。另外，本發明所使用的術語“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是僅為了區別一個要素和另一個要素，不具有順序性和重要性。
依據本發明的具體實施例，提供一種萬向輪2，圖3至圖5示出了其一種實施方式。參照圖3至圖5中所示，萬向輪2包括支架21和通過輪軸22安裝於所述支架21的滾輪23，所述萬向輪2還包括第一鉸接結構和第二鉸接結構，所述第一鉸接結構限定與所述輪軸22的軸線O（即滾輪23的水準旋轉軸線）垂直的第一旋轉軸線B，所述第二鉸接結構限定與所述第一旋轉軸線B平行的第二旋轉軸線C，所述支架21通過所述第一鉸接結構與所述第二鉸接結構連接，以使得所述支架21與所述滾輪23一起能夠繞所述第一旋轉軸線B轉動，同時，使得所述支架21與所述滾輪23以及所述第一鉸接結構一起能夠繞所述第二旋轉軸線C轉動，過所述滾輪23的中心點的基準旋轉軸線A、所述第一旋轉軸線B與所述第二旋轉軸線C相互平行但不共線，所述基準旋轉軸線A經過所述滾輪23的著地點G。
本發明提供的萬向輪2可以應用於任意的行走機構，萬向輪2通過第二鉸接結構與行走機構連接。通過上述技術方案，本發明提供的萬向輪2具有兩個垂直旋轉軸線，即第一旋轉軸線和第二旋轉軸線，第一鉸接結構與萬向輪的第一鉸接點位於第一旋轉軸線B上，第二鉸接結構與行走機構的第二鉸接點位於第二旋轉軸線C上，由於基準旋轉軸線A、所述第一旋轉軸線B與所述第二旋轉軸線C相互平行但不共線，因此三者中兩兩之間具有間距，為了便於描述，定義基準旋轉軸線A與第一旋轉軸線B之間的間距為R，第一旋轉軸線B與第二旋轉軸線C之間的間距為r。通過設置第一鉸接結構，基準旋轉軸線A與第二旋轉軸線C之間的間距可以為[|R-r|,（R+r）]區間的任意值，因此，第一鉸接點的存在使得第二鉸接點能夠在其自身所在的水平面（此處的“水平面”是指與第二旋轉軸線垂直的平面）內到達以|R-r|為半徑、繞第一基準旋轉線A所畫的圓與以（R+r）為半徑、繞第一基準旋轉線A所畫的圓之間的區域內的任意一個位置，也就是說，由於第一鉸接點的存在，打斷了第二鉸接點與基準旋轉軸線A之間的固定距離，第二鉸接點相對於萬向輪的著地點G具有多個自由度。當行走機構的行駛方向改變大於90°的角度時，在滾輪23繞其著地點G旋轉以調整其水準旋轉軸線的方向的過程中，第二鉸接點的運動軌跡不再受到限制，能夠直接切換運動方向，不會出現運動死點，從而能夠避免行走機構轉向行駛的過程出現不必要的晃動，保證行駛的平穩性。
具體地，參照圖6所示，第二鉸接點（用“□”表示）在初始位置c時的初始狀態為沿箭頭N所指的方向行駛，此時第一鉸接點（用“△”表示）位於初始位置b，位置c和位置b以及著地點G（用“○”表示）共線且該直線與箭頭N所指的方向重合，著地點G與位置b之間的間距為基準旋轉軸線A與第一旋轉軸線B之間的間距R，位置b與位置c之間的間距為第一旋轉軸線B與第二旋轉軸線C之間的間距r。因此，經過上述分析可知，在該圖中，第二鉸接點能夠到達的區域是以G為圓心、以R+r為半徑所畫的圓（對應該圖中的外圓）與以G為圓心、以|R-r|為半徑所畫的圓（該圖中R=r，因此，未示出該圓）之間的部分。若第二鉸接點欲改變方向（大於90°）行駛，即從初始位置c改變為以沿箭頭N1（對應變向角度為120°）或N2（對應變向角度為135°）或N3（對應變向角度為150°）或N4（對應變向角度為165°）所指的方向行駛，那麼，因為過初始位置c、沿箭頭N1或N2或N3或N4方向延伸的直線的初始段（位置a與位置c1或位置c2或位置c3或位置c4之間的直線距離）落入第二鉸接點能夠到達的區域內，因此，第二鉸接點能夠從初始位置a直接換向以沿箭頭N1或N2或N3或N4所指的方向直線行駛，在從位置a運動到位置c1或位置c2或位置c3或位置c4的過程中，第一鉸接點在其所在的水平面（此處的“水平面”是指與第一旋轉軸線垂直的平面）內繞基準旋轉軸線A（經過著地點G）、以R為半徑所畫的圓上運動，即滾輪23繞其著地點G轉動。當第二鉸接點到達位置c1或位置c2或位置c3或位置c4時，基準旋轉軸線A、第一旋轉軸線B和第三旋轉軸線C共面，此時，從該圖上看，第一鉸接點和第二鉸接點與著地點G共線。當第二鉸接點越過位置c1或位置c2或位置c3或位置c4時，在萬向輪2調整其自身水準旋轉軸線的方向的同時，滾輪23還繞水準旋轉軸線轉動，以隨行走機構一起移動。
其中，通過設置所述基準旋轉軸線A與所述第一旋轉軸線B之間的間距R與所述第一旋轉軸線B與所述第二旋轉軸線C之間的間距r，能夠獲得所需的改變方向的最大角度，即所改變的方向的角度小於該最大角度時，不會出現運動死點。可選擇地，所述基準旋轉軸線A與所述第一旋轉軸線B之間的間距R可以等於所述第一旋轉軸線B與所述第二旋轉軸線C之間的間距r，在這種情況下，第二鉸接點在改變180°方向（沿箭頭N5方向）時能夠從初始位置直接反向直線行駛，對應於圖6中所示，第二鉸接點能夠從初始位置c沿箭頭N方向行駛直接改變為箭頭N5所指的方向直線行駛。對應地，在R=r時，允許無運動死點地180°的方向改變。
另外，所述基準旋轉軸線A與所述第一旋轉軸線B之間的間距R在所述輪軸（22）的軸線（即上述水準旋轉軸線）方向上具有分量，該分量為所述基準旋轉軸線A與所述第一旋轉軸線B之間的偏心間距P，參照圖5所示。由於此偏心間距P的存在，使得滾輪23在相對於地面滾動的過程中，所受到的摩擦力使得滾輪23總是有繞第一旋轉軸線B轉動的趨勢，即改變滾輪23的行駛方向。因此，當萬向輪23在直線行駛的情況下轉彎時，以上敘述使得滾輪23能夠立即改變行駛方向，不會出現鎖死的現象。
在本發明提供的具體實施方式中，第一鉸接結構和第二鉸接結構可以以任意合適的方式構造。可選擇地，所述第一鉸接結構構造為第一軸承24，所述第二鉸接結構構造為第二軸承25，參照圖3中所示，所述第一軸承24包括第一內圈241和第一外圈242，所述第二軸承25包括第二內圈251和第二外圈252，所述第一內圈241和所述第一外圈242中的一者與所述支架21固定連接，所述第一內圈241和所述第一外圈242中的另一者與所述第二內圈251和所述第二外圈252中的一者固定連接。作為一種選擇，所述第一外圈242與所述支架21固定連接，所述第一內圈241與所述第二外圈252固定連接。為了便於設置，所述第一軸承24與所述第二軸承25之間設置有軸承座26，該軸承座26固定於所述第一內圈241，所述第二外圈252固定於所述軸承座26。
在本發明提供的具體實施方式中，萬向輪支架21可以以任意合適的方式構造。可選擇地，參照圖3和圖5中所示，所述萬向輪支架21包括彼此平行的第一連接板211和第二連接板212以及連接在所述第一連接板211和第二連接板212之間的中間連接部213，所述輪軸22固定於在所述第一連接板211和所述第二連接板212之間，且所述輪軸22的軸線O與所述第一連接板211和所述第二連接板212垂直。為了便於第一軸承24設置，所述中間連接部213設置有凹槽，該凹槽用作所述第一軸承24的軸承室，所述第一外圈242固定於所述凹槽中。
在上述方案的基礎上，本發明還提供一種行走機構，包括底座11，其中，所述行走機構還包括多個上述的萬向輪2，每個萬向輪2的所述第一鉸接結構通過所述第二鉸接結構與所述底座11連接，所述支架21、所述滾輪23和所述第一鉸接結構整體能夠繞所述第二旋轉軸線C相對於所述底座11轉動。在上述具體實施方式中，第二軸承25的第二內圈251固定於底座11。
此外，本發明還提供一種自主移動搬運機器人，該自主移動搬運機器人包括上述的行走機構。
以上結合附圖詳細描述了本發明的較佳實施方式，但是，本發明並不限於上述實施方式中的具體細節，在本發明的技術構思範圍內，可以對本發明的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬於本發明的保護範圍。
另外需要說明的是，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術特徵，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合。為了避免不必要的重複，本發明對各種可能的組合方式不再另行說明。
此外，本發明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發明的思想，其同樣應當視為本發明所公開的內容。
11‧‧‧底座 2‧‧‧萬向輪 21‧‧‧支架 211‧‧‧第一連接板 212‧‧‧第二連接板 213‧‧‧中間連接部 22‧‧‧輪軸 23‧‧‧滾輪 24‧‧‧第一軸承 241‧‧‧第一內圈 242‧‧‧第一外圈 25‧‧‧第二軸承 251‧‧‧第二內圈 252‧‧‧第二外圈 26‧‧‧軸承座
圖1係示出了現有技術中的萬向輪轉向大於90°的情況下萬向輪與行走機構的鉸接點的運動軌跡的俯視示意圖； 圖2係本發明的實施例提供的行走機構的立體示意圖； 圖3係本發明的實施例提供的萬向輪的立體示意圖； 圖4係本發明的實施例提供的萬向輪的側視示意圖； 圖5係本發明的實施例提供的萬向輪的主視示意圖； 圖6係示出了本發明的實施例提供的萬向輪轉向大於90°的情況下第一鉸接點、第二鉸接點的運動軌跡的俯視示意圖。
2‧‧‧萬向輪
21‧‧‧支架
22‧‧‧輪軸
23‧‧‧滾輪
24‧‧‧第一軸承
241‧‧‧第一內圈
242‧‧‧第一外圈
25‧‧‧第二軸承
251‧‧‧第二內圈
252‧‧‧第二外圈
26‧‧‧軸承座

Claims (9)

  1. 一種萬向輪，包括支架(21)和通過輪軸(22)安裝於所述支架(21)的滾輪(23)，其特徵在於，所述萬向輪(2)還包括第一鉸接結構和第二鉸接結構，所述第一鉸接結構限定與所述輪軸(22)的軸線(O)垂直的第一旋轉軸線(B)，所述第二鉸接結構限定與所述第一旋轉軸線(B)平行的第二旋轉軸線(C)，所述支架(21)通過所述第一鉸接結構與所述第二鉸接結構連接，以使得所述支架(21)與所述滾輪(23)一起能夠繞所述第一旋轉軸線(B)轉動，同時，使得所述支架(21)與所述滾輪(23)以及所述第一鉸接結構一起能夠繞所述第二旋轉軸線(C)轉動，過所述滾輪(23)的中心點的基準旋轉軸線(A)、所述第一旋轉軸線(B)與所述第二旋轉軸線(C)相互平行但不共線，所述基準旋轉軸線(A)經過所述滾輪(23)的著地點(G)，所述基準旋轉軸線(A)與所述第一旋轉軸線(B)之間的間距為第一間距，該第一間距在所述輪軸(22)的軸線方向上的分量為所述基準旋轉軸線(A)與所述第一旋轉軸線(B)之間的偏心間距(P)。
  2. 如請求項1所述的萬向輪，所述基準旋轉軸線(A)與所述第一旋轉軸線(B)之間的間距等於所述第一旋轉軸線(B)與所述第二旋轉軸線(C)之間的間距。
  3. 如請求項1所述的萬向輪，所述第一鉸接結構構造為第一軸承(24)，所述第二鉸接結構構造為第二軸承(25)，所述第一軸承(24)包括第一內圈(241)和第一外圈(242)，所述第二軸承(25)包括第二內圈(251)和第二外圈(252)，所述第一內圈(241)和所述第一外圈(242)中的一者與所述支架(21)固定連接，所述第一內圈(241)和所述第一外圈(242)中的另一者與所述第二內圈(251)和所述第二外圈(252)中的一者固定連接。
  4. 如請求項3所述的萬向輪，所述第一外圈(242)與所述支架(21)固定連接，所述第一內圈(241)與所述第二外圈(252)固定連接。
  5. 如請求項4所述的萬向輪，所述第一軸承(24)與所述第二軸承(25)之間設置有軸承座(26)，該軸承座(26)固定於所述第一內圈(241)，所述第二外圈(252)固定於所述軸承座(26)。
  6. 如請求項5所述的萬向輪，所述支架(21)包括彼此平行的第一連接板(211)和第二連接板(212)以及連接在所述第一連接板(211)和第二連接板(212)之間的中間連接部(213)，所述輪軸(22)固定於在所述第一連接板(211)和所述第二連接板(212)之間，且所述輪軸(22)的軸線(O)與所述第一連接板(211)和所述第二連接板(212)垂直。
  7. 如請求項6所述的萬向輪，所述中間連接部(213)設置有凹槽，該凹槽用作所述第一軸承(24)的軸承室，所述第一外圈(242)固定於所述凹槽中。
  8. 一種行走機構，包括底座(11)，其特徵在於，所述行走機構還包括多個依據請求項1-7中任意一項所述的萬向輪(2)，每個萬向輪(2)的所述第一鉸接結構通過所述第二鉸接結構與所述底座(11)連接，所述支架(21)、所述滾輪(23)和所述第一鉸接結構整體能夠繞所述第二旋轉軸線(C)相對於所述底座(11)轉動。
  9. 一種自主移動搬運機器人，其特徵在於，所述自主移動搬運機器人包括根據請求項第8項所述的行走機構。
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