一种多组件的球形全向车轮及使用该轮的车辆

摘要

本发明涉及一种多组件的全向轮及使用该全向轮的车辆或者移动平台。该全向轮由三个结构形式相同的组件构成，每个组件均由（1）大从动轮、（2）小从动轮、（3）小从动轮轴、（4）大从动轮支撑构成；其中第一组件由（1‑1）（2‑1）（3‑1）（4‑1）构成，其中第二组件由（1‑2）（2‑2）（3‑2）（4‑2）构成，其中第三组件由（1‑3）（2‑3）（3‑3）（4‑3）构成。三个组件均连接到（5）刚性骨架。（5）刚性骨架与动力（6）传动轴刚性连接。构成了全向轮（10）。其中三个（1）大从动轮的（7‑1,7‑2,7‑3）旋转轴线相交于一点且该点落在与（6）传动轴的旋转轴线（8）上。（1）大从动轮的外表面成球面，与球心为O，半径为R的球面重合。（2）小从动轮可绕（3）小从动轮轴的中心轴线旋转，（2）小从动轮的外表面与球心为O，半径为R的球面相切。

权利要求

1.一种用于车辆的全向轮，该全向轮绕传动轴的轴线旋转，其特征在于：该全向轮由N个相同的组件构成，N为大于等于三的整数，每个组件分别由大从动轮、小从动轮构成；由刚性骨架作为整个全向轮的主框架，刚性骨架与传动轴刚性连接；N个大从动轮和N个小从动轮分别铰接于刚性骨架；大从动轮外表面与球心为O，半径为R的球面重合；每个大从动轮由一个通过球心O，顶角为360/N度的圆锥面界定；且大从动轮的球形外表面的中心处存在一个圆形开口，用于布置小从动轮；小从动轮的旋转轴线与大从动轮的旋转轴线垂直；小从动轮的外表面与球心为O，半径为R的球面相切于一段圆弧，小从动轮的两端由两平面界定。

2.根据权利要求1所述的全向轮，其特征在于：N个大从动轮的旋转轴线相交于球心O。

3.根据权利要求1或2所述的全向轮，其特征在于：N个小从动轮的旋转轴线在同一平面上。

4.根据权利要求1或2所述的全向轮，其特征在于：大从动轮和小从动轮构成的组件为三组或四组。

5.根据权利要求1或2所述的全向轮，其特征在于：大从动轮和小从动轮的主体均为刚性结构，其外表面采用橡胶作为外罩。

6.根据权利要求5要求的全向轮，其特征在于：所述刚性结构与外罩之间存在增大两者之间附着力的凹槽或粘合剂。

7.根据权利要求1或2所述的全向轮，其特征在于：传动轴的截面形状是正多边形或者圆形。

8.根据权利要求1或2所述的全向轮，其特征在于：各个大从动轮之间的未覆盖空间设置有大防尘罩。

9.根据权利要求1或2所述的全向轮，其特征在于：大从动轮与小从动轮之间的未覆盖空间设置有小防尘罩。

10.一种车辆，至少包含3个根据权利要求1-9中任一项所述的全向轮，且各个全向轮的转动轴线不全部平行。

说明书

一种多组件的球形全向车轮及使用该轮的车辆

技术领域

[0001] 本发明涉及一种多组件的球形全向轮，该全向轮用于可以全向行驶的车辆或机器人移动平台。

背景技术

[0002] 目前的三轮和四轮车辆，方向控制通过方向舵对前轮的驱动实现。这种方向控制方式存在较大的转弯半径，无法原地自转，且转弯速度需要受到严格限制以防侧翻，重心偏高的车辆转弯速度就会更慢，转弯半径更大。

[0003] 常见的服务机器人、扫地机器人、工业领域的AGV平台等移动平台采用双轮差动机构，可以实现零转弯半径。但沿任意指定方向直线运动时，其必须首先原地旋转到指定方向，然后才能沿指定方向运动。对于短距离位置调整，显得动作繁琐，动作幅度大。

[0004] 某些双轮差动的仓储机器人平台搬运长度较大的货架，为了保证货架方向不发生改变，在上方增加了一个转动平台，用于抵消非直线运动时产生的角位移，增加了成本的同时增加了整个机械系统的复杂度。

[0005] 上述三种运动平台均无法真正在不产生自转的同时沿任意曲线运动。

[0006] 常用的麦克纳姆轮，以及CN 2855792 Y中提到的全向轮，均可实现全向运动，但轮边缘处的小滚轮极易卷入毛发等杂物，影响其使用性能。

[0007] 如专利JP 2007-210576中描述的车轮具有双半球结构，改善了上述卷入杂物的问题。但是其描述的车轮存在一定缺陷。每个全向轮包含两个有平行截面的半球从动轮，传动轴从两半球中间的间隙传入球形车轮中。由于传动轴承担车体全部自重，为实现足够的承载力，必须在两个半球间设置一定足够间隙，确保有足够大截面的轴能够穿入球轮。在确保驱动轴具有安全抗弯刚度的情况下，该间隙不能被减小，且车轮每转动一周，间隙接触地面两次，在正常速度行驶时将产生很大的噪音。

发明内容

[0008] 本发明提出了一种从原理上消除球轮间隙的方法，并且可以大大提升球轮传动轴的刚度。

[0009] 本发明的一个主题是一种用于全向移动车辆的球形轮，其特征在于：球轮通过传动轴6将动力由电机11传输给球轮本身，且传动轴6同时承担车身重量产生的负载弯矩；传动轴6与刚性骨架5刚性连接，刚性骨架5由三个组件构成，每个组件包含一个大从动轮1和一个小从动轮2；他们分别于刚性骨架5铰接；大从动轮1外表面与一个半径为R的球面重合，小从动轮2的外表面与该球面相切于一段圆弧；大从动轮1的旋转轴线7-1,7-2,7-3交于圆心O，小从动轮2的旋转轴线14-1,14-2,14-3在同一个平面上。大从动轮1和同组的小从动轮2的旋转轴线垂直。组件的数量可以多于三组，相应的界定大从动轮1的圆锥面顶角角度为
360/N，其中N为组数。上述的这种机构的实现方式从原理上消除了球轮半球间的间隙，降低了震动，并可以大大提高球轮传动轴的刚度。

[0010] 本发明的另一主题是应用这种全向轮的车辆至少包含3个本发明介绍的全向轮。

附图说明

[0011] 本发明通过一个实施例阐明了一种消除球轮间隙的设计方法，通过查阅附图可以更容易理解本发明中提出的具体实现方法和发明的特点，同一个零件在不同视图中用相同的序号表示，其中1代表大从动轮，1-1，1-2，1-3分别代表不同组件中大从动轮1的不同个体，同理序号2，3，4，7，9，10，11，13，14的不同个体也分别用A-B的形式出现，其中A代表零部件号，B代表个体号。

[0012] 图1 示出了本发明实施例的前视图。

[0013] 图2 示出了本发明实施例沿剖面C的剖视图。

[0014] 图3 示出了本发明实施例的右视图。

[0015] 图4 示出了本发明实施例的立体图。

[0016] 图5 图6示出了本发明球形轮的实施例应用于一个移动车辆实施例的示意图。

[0017] 图7 图8 为本发明所述球轮的另一种实施例的示意图。

具体实施方式

[0018] 依照图1，图2，图3全向轮10由刚性骨架5作为主框架，三个大从动轮1通过轴承4铰接于刚性骨架5，优选地成120度分布；同样地，小从动轮2通过小从动轮轴3和小轴承铰接于刚性骨架5，优选地成120度分布。大从动轮1的外表面与半径为R的球面重合，小从动轮2的外边面与该球面相切于截面C上的一段圆弧。

[0019] 依照图1，图2可知，理想情况下，C截面所截得的大从动轮1和小从动轮2的外轮廓线即为球轮绕轴线8旋转一圈与地面接触的点组成的线。由图2可知，大从动轮1之间和大从动轮1与小从动轮2存在间隙，有图2可以看出，该间隙可以不断优化，理论上接近于零。

[0020] 大从动轮1的外表面是由顶点位于圆心O顶角为120度的锥面界定的一个球面的一部分，该部分球面中心存在一个圆形开口用于布置小从动轮2。

[0021] 三个大从动轮1-1，1-2，1-3的旋转轴线7-1，7-2，7-3相交于点球心O，小从动轮2的旋转轴线14-1，14-2，14-3在同一平面上；7-1,7-2,7-3分别与14-1，14-2，14-3的轴线垂直。

[0022] 优选地，三个大从动轮1-1，1-2，1-3的旋转轴线7-1，7-2，7-3位于同一平面上，垂直于全向轮旋转轴线8。

[0023] 优选地，由大从动轮1和小从动轮2构成的组件数量可以多于三组。图7，图8给出了N=4时的全向轮结构。其中N为组件数量。此时界定大从动轮1的外表面的椎面顶角为90度。

[0024] 依照图3，车轮传动轴6截面最大区域可以认为是图3中部的等边三角形，若选用圆形截面的传动轴，优选地，传动轴6的截面理论最大半径为上述三角形的内切圆半径，为0.5R。同理，依照图8，传动轴6的理论最大半径为中心正方形的内切圆半径，约为0.707R。可见，组数越多，可用的传动轴6越粗，承载能力越强。

[0025] 依照图1，大防尘罩9和小防尘罩11的外表面依照球心为O的球面，由于在大从动轮1上附有增大摩擦力的柔性包覆材料，在其受力时发生变形，因此大防尘罩9和小防尘罩11的的外球面半径应选择小于R，以免与地面或地面上的障碍发生接触。

[0026] 大从动轮1和小从动轮2表面依照工作的路面选择合适的条纹类型，由于大从动轮1和小从动轮2存在围绕轴线8的公转和围绕各自旋转轴线7和14的自转，因此其外表面应该选择各向同性的布置方法。

[0027] 本发明涉及的车辆实施例，依照图5，图6，优选地，三车轮均匀布置于底盘12底部，每个轮10由电机11带动，三球轮的旋转轴方向不平行；当三个电机11旋转方向相同时，底盘12原地自转；当三个电机11旋转方向不同时，会在三个旋转轴线8的方向上产生轴向摩擦力，该摩擦力交替作用于大从动轮1和小从动轮2，使其自由转动，从动轮围绕旋转轴线8的公转和其自转的合成使球轮在地面上沿某一方向运动。