本發(fā)明涉及一種球形的全向輪，用于可以全向行駛的車輛。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的三輪、四輪或者多輪的車輛采用在前輪上設(shè)置方向舵來控制車輛的運(yùn)動(dòng)方向，轉(zhuǎn)彎時(shí)車輛依照符合阿克曼角的運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)，存在一定的轉(zhuǎn)彎半徑。沿任意指定方向做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，車輛必須首先不斷調(diào)整方向舵，在行進(jìn)一段曲線軌跡后調(diào)整所有車輪轉(zhuǎn)軸垂直于前進(jìn)方向時(shí)，車輛才能沿指定的方向直線運(yùn)動(dòng)。

目前agv小車，掃地機(jī)器人等移動(dòng)平臺(tái)采用雙輪差動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑。但沿任意指定方向直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，其必須首先原地旋轉(zhuǎn)到指定方向，然后才能沿指定方向運(yùn)動(dòng)。

上述兩種情況均無法實(shí)現(xiàn)在車輛無自轉(zhuǎn)角速度時(shí)平移。

已經(jīng)被采用過的全向車輪如專利jp2007-210576和專利cn104379361a中描述的車輪均具有雙半球結(jié)構(gòu)，均在雙半球兩側(cè)設(shè)置了從動(dòng)輪，其車輪排布均可實(shí)現(xiàn)零半徑旋轉(zhuǎn)以及任意方向直線移動(dòng)。

專利jp2007-210576中描述的車輪實(shí)現(xiàn)方式具有明顯的缺點(diǎn)。每個(gè)全向輪包含兩個(gè)有平行截面的半球從動(dòng)輪，全向輪與車體間通過傳動(dòng)軸直接連接，傳動(dòng)軸軸線與兩截面平行且穿入球面，傳動(dòng)軸傳輸動(dòng)力的同時(shí)承擔(dān)車體自重。為實(shí)現(xiàn)足夠的承載力和驅(qū)動(dòng)力，必須在兩個(gè)半球間設(shè)置一定距離的間隙。在確保驅(qū)動(dòng)軸具有安全抗彎剛度的情況下，該的間隙不能被減小，且傳動(dòng)軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，間隙接觸地面兩次。

專利cn104379361a中描述的車輪在專利jp2008-210576的基礎(chǔ)上對(duì)車輪做出了改進(jìn)，將兩半球的截面設(shè)置為相交平面，這樣兩半球之間的間隙不恒定，在某一方向上達(dá)到最大間隙，專利cn104379361a將傳動(dòng)軸在最大間隙處穿入球面。在相同的傳動(dòng)軸截面尺寸下，能夠?qū)⒔佑|地面的間隙縮小為專利jp2008-210576理論間隙的50%左右，并未從原理上充分解決運(yùn)動(dòng)不連續(xù)性問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種從原理上可以解決球輪運(yùn)動(dòng)不連續(xù)性問題的方法與設(shè)計(jì)。即從原理上提供一種不連續(xù)性與動(dòng)力輸入軸尺寸無關(guān)的解決方案。即在不增加間隙的情況下，可以在一定范圍內(nèi)不斷增大動(dòng)力輸入軸尺寸來改善動(dòng)力傳輸軸的剛度和強(qiáng)度。

本發(fā)明試圖提出一種方案，在解決不連續(xù)性問題的基礎(chǔ)上，間斷點(diǎn)的數(shù)量最少。此處間斷點(diǎn)的含義是球輪在地面上滾動(dòng)過程中，不同從動(dòng)輪著地點(diǎn)切換的位置，即可以產(chǎn)生間隙的位置。

本發(fā)明的一個(gè)主題是一種用于全向移動(dòng)車輛的球形輪，球輪通過動(dòng)力輸入軸將動(dòng)力由電機(jī)傳輸給球輪本身，且動(dòng)力輸入軸同時(shí)需要承擔(dān)車身重量產(chǎn)生的負(fù)載彎矩，其特征在于：球輪沿動(dòng)力輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周與地面產(chǎn)生的所有接觸點(diǎn)近似構(gòu)成一個(gè)球面（0）上的大圓，大圓所在平面垂直于軸線（4）。該大圓所在平面與第一組從動(dòng)輪（111,112）、第二組從動(dòng)輪（211,212）、從動(dòng)輪（3）相交產(chǎn)生的外輪廓線與大圓重合，所有外輪廓線分段布置于大圓上，每?jī)蓚€(gè)圓弧段間有一個(gè)微小間隙，所有間隙寬度理論上可以無限接近于零。所有從動(dòng)輪可以繞動(dòng)力輸入軸公轉(zhuǎn)，可以繞自身的轉(zhuǎn)軸自轉(zhuǎn)。兩種運(yùn)動(dòng)合成車輪沿地面的全向運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明的另一主題是應(yīng)用這種全向輪的車輛至少包含3個(gè)本發(fā)明闡述的全向輪，所有全向輪的動(dòng)力輸入軸軸線在同一個(gè)平面內(nèi)，且所有軸線不全部平行。

本發(fā)明提出的全向輪設(shè)計(jì)方法通過一個(gè)具體的設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行描述，通過查閱附圖可以充分了解本發(fā)明中提出的具體實(shí)現(xiàn)方法，充分了解本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與獨(dú)特之處，同一個(gè)零件在不同視圖中用相同的序號(hào)表示。

附圖說明

圖1示出了本發(fā)明設(shè)計(jì)實(shí)例的前視圖；

圖2示出了本發(fā)明設(shè)計(jì)實(shí)例沿剖面b的剖視圖；

圖3為剖面b關(guān)于動(dòng)力傳動(dòng)軸參數(shù)的細(xì)部；

圖4示出了本發(fā)明設(shè)計(jì)實(shí)例的立體圖；

圖5示出了本發(fā)明設(shè)計(jì)實(shí)例應(yīng)用于一個(gè)移動(dòng)車輛的示意圖。

具體實(shí)施方式

依照?qǐng)D1和圖2，全向輪300以4為軸線依靠41帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。從動(dòng)輪111,112對(duì)稱置于4兩側(cè)，通過軸承鉸接于骨架結(jié)構(gòu)（61），軸線101與102相交于球心；從動(dòng)輪211,212通過剛性軸鉸接于骨架結(jié)構(gòu)（61），軸線101與201垂直，軸線102與軸線202垂直。

依照?qǐng)D1和圖2，所述的從動(dòng)輪31的回轉(zhuǎn)中軸線3可不垂直與軸線4，但為了均勻，優(yōu)選地，軸線3垂直于軸線4且平行于通過球心的軸線5，并被通過軸線4且垂直于軸線5的平面平分，從動(dòng)輪31通過剛性軸鉸于骨架結(jié)構(gòu)（61）。

依照?qǐng)D2，從動(dòng)輪111,112,211,212,31的外輪廓線在截面b與球面0的截圓上，其截圓半徑為r0。

依照?qǐng)D2，各從動(dòng)輪銜接處存在斷點(diǎn)a1-a7。

其中由于對(duì)稱布置，a1，a2與a5，a6性質(zhì)相同，其中，a1，a2對(duì)于軸線101對(duì)稱，故此處將斷點(diǎn)a1，a2，a5，a6劃分為第一類斷點(diǎn)，只對(duì)a1性質(zhì)進(jìn)行討論。a1的產(chǎn)生于半球形從動(dòng)輪111放置從動(dòng)輪211的圓形開口與從動(dòng)輪211的圓形端面之間。由于實(shí)際生產(chǎn)中，111在上述開口處存在一定厚度，因此211的圓形端面為了避免與111的厚壁相交而發(fā)生干涉，需要在斷點(diǎn)a1處設(shè)置一定的間隙。

斷點(diǎn)a3,a4分別為從動(dòng)輪31與111和112之間的斷點(diǎn)，當(dāng)軸線3與軸線4垂直時(shí)，該斷點(diǎn)處理論上間隙可以無線接近于零，本例中由于111,112在平面1,2的方向上分別存在一定厚度，因此斷點(diǎn)a3，a4處存在一定間隙。a3，a4劃分為第二類斷點(diǎn)。

斷點(diǎn)a7產(chǎn)生于半球從動(dòng)輪111，112之間，該斷點(diǎn)處理論上間隙可以無線接近于零，實(shí)際設(shè)計(jì)中為了防止兩半球產(chǎn)生機(jī)械干涉，因此可以設(shè)置一個(gè)極小的間隙。a7劃分為第三類斷點(diǎn)。

上述3類斷點(diǎn)處的間隙均是為了實(shí)際具體設(shè)計(jì)中避免全向輪自身的從動(dòng)輪之間產(chǎn)生機(jī)械干涉而產(chǎn)生的，間隙大小均不因動(dòng)力輸入軸41的幾何尺寸而改變，即不因?yàn)?1的剛度增加而使運(yùn)動(dòng)的不連續(xù)性增加。

依照?qǐng)D2和圖3，動(dòng)力輸入軸41的橫截面為梯形，長(zhǎng)邊寬度為w,高為h，兩斜邊盡可能靠近平面1和2，其夾角為a，該梯形截面存在如下幾何關(guān)系，其內(nèi)切圓中心與軸41的旋軸軸線4重合。若選用常用的圓截面軸，則該梯形的內(nèi)接圓即可作為軸截面，則截面直徑。

從動(dòng)輪3的寬度

以圓截面軸為例，r0不變時(shí)，與增大動(dòng)力輸入軸的抗彎剛度，則需要增大上述截面直徑d及夾角a，同時(shí)增大從動(dòng)輪3的寬度l即可。

推廣到一般截面，其計(jì)算方法近似，擴(kuò)大軸截面響應(yīng)的擴(kuò)大夾角a和從動(dòng)輪3的寬度l即可在不增加間隙的情況下增大動(dòng)力輸入軸剛度。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明描述一種全向輪及使用該全向輪的車輛或者移動(dòng)平臺(tái)。該全向輪包括動(dòng)力輸入軸（41），用于連接電機(jī)和全向輪；第一組從動(dòng)輪（111,112），第二組從動(dòng)輪（211,212），從動(dòng)輪（31）各自的外表面包絡(luò)于球面（0）；3組從動(dòng)輪通過鉸接形式與骨架結(jié)構(gòu)（61）連接。3組從動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)軸線與動(dòng)力輸入軸（41）的旋轉(zhuǎn)軸線（4）垂直。第一組從動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)軸線（101,102）分別于第二組從動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)軸（201,202）垂直。從動(dòng)輪（31）的旋轉(zhuǎn)軸線（3）與（101,102,201,202）相交。

技術(shù)研發(fā)人員：孫紹華
受保護(hù)的技術(shù)使用者：孫紹華
技術(shù)研發(fā)日：2017.05.24
技術(shù)公布日：2017.09.08