一種球形的全向輪及使用該輪的車輛的製作方法

2023-05-31 16:15:41

本發明涉及一種球形的全向輪，用於可以全向行駛的車輛。

背景技術：

傳統的三輪、四輪或者多輪的車輛採用在前輪上設置方向舵來控制車輛的運動方向，轉彎時車輛依照符合阿克曼角的運動軌跡運動，存在一定的轉彎半徑。沿任意指定方向做直線運動時，車輛必須首先不斷調整方向舵，在行進一段曲線軌跡後調整所有車輪轉軸垂直於前進方向時，車輛才能沿指定的方向直線運動。

目前agv小車，掃地機器人等移動平臺採用雙輪差動機構，可以實現零轉彎半徑。但沿任意指定方向直線運動時，其必須首先原地旋轉到指定方向，然後才能沿指定方向運動。

上述兩種情況均無法實現在車輛無自轉角速度時平移。

已經被採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構，均在雙半球兩側設置了從動輪，其車輪排布均可實現零半徑旋轉以及任意方向直線移動。

專利jp2007-210576中描述的車輪實現方式具有明顯的缺點。每個全向輪包含兩個有平行截面的半球從動輪，全向輪與車體間通過傳動軸直接連接，傳動軸軸線與兩截面平行且穿入球面，傳動軸傳輸動力的同時承擔車體自重。為實現足夠的承載力和驅動力，必須在兩個半球間設置一定距離的間隙。在確保驅動軸具有安全抗彎剛度的情況下，該的間隙不能被減小，且傳動軸每轉動一圈，間隙接觸地面兩次。

專利cn104379361a中描述的車輪在專利jp2008-210576的基礎上對車輪做出了改進，將兩半球的截面設置為相交平面，這樣兩半球之間的間隙不恆定，在某一方向上達到最大間隙，專利cn104379361a將傳動軸在最大間隙處穿入球面。在相同的傳動軸截面尺寸下，能夠將接觸地面的間隙縮小為專利jp2008-210576理論間隙的50%左右，並未從原理上充分解決運動不連續性問題。

技術實現要素：

本發明提出了一種從原理上可以解決球輪運動不連續性問題的方法與設計。即從原理上提供一種不連續性與動力輸入軸尺寸無關的解決方案。即在不增加間隙的情況下，可以在一定範圍內不斷增大動力輸入軸尺寸來改善動力傳輸軸的剛度和強度。

本發明試圖提出一種方案，在解決不連續性問題的基礎上，間斷點的數量最少。此處間斷點的含義是球輪在地面上滾動過程中，不同從動輪著地點切換的位置，即可以產生間隙的位置。

本發明的一個主題是一種用於全向移動車輛的球形輪，球輪通過動力輸入軸將動力由電機傳輸給球輪本身，且動力輸入軸同時需要承擔車身重量產生的負載彎矩，其特徵在於：球輪沿動力輸入軸轉動一周與地面產生的所有接觸點近似構成一個球面（0）上的大圓，大圓所在平面垂直於軸線（4）。該大圓所在平面與第一組從動輪（111,112）、第二組從動輪（211,212）、從動輪（3）相交產生的外輪廓線與大圓重合，所有外輪廓線分段布置於大圓上，每兩個圓弧段間有一個微小間隙，所有間隙寬度理論上可以無限接近於零。所有從動輪可以繞動力輸入軸公轉，可以繞自身的轉軸自轉。兩種運動合成車輪沿地面的全向運動。

本發明的另一主題是應用這種全向輪的車輛至少包含3個本發明闡述的全向輪，所有全向輪的動力輸入軸軸線在同一個平面內，且所有軸線不全部平行。

本發明提出的全向輪設計方法通過一個具體的設計實例進行描述，通過查閱附圖可以充分了解本發明中提出的具體實現方法，充分了解本發明的優點與獨特之處，同一個零件在不同視圖中用相同的序號表示。

附圖說明

圖1示出了本發明設計實例的前視圖；

圖2示出了本發明設計實例沿剖面b的剖視圖；

圖3為剖面b關於動力傳動軸參數的細部；

圖4示出了本發明設計實例的立體圖；

圖5示出了本發明設計實例應用於一個移動車輛的示意圖。

具體實施方式

依照圖1和圖2，全向輪300以4為軸線依靠41帶動旋轉。從動輪111,112對稱置於4兩側，通過軸承鉸接於骨架結構（61），軸線101與102相交於球心；從動輪211,212通過剛性軸鉸接於骨架結構（61），軸線101與201垂直，軸線102與軸線202垂直。

依照圖1和圖2，所述的從動輪31的迴轉中軸線3可不垂直與軸線4，但為了均勻，優選地，軸線3垂直於軸線4且平行於通過球心的軸線5，並被通過軸線4且垂直於軸線5的平面平分，從動輪31通過剛性軸鉸於骨架結構（61）。

依照圖2，從動輪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。

依照圖2，各從動輪銜接處存在斷點a1-a7。

其中由於對稱布置，a1，a2與a5，a6性質相同，其中，a1，a2對於軸線101對稱，故此處將斷點a1，a2，a5，a6劃分為第一類斷點，只對a1性質進行討論。a1的產生於半球形從動輪111放置從動輪211的圓形開口與從動輪211的圓形端面之間。由於實際生產中，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的厚壁相交而發生幹涉，需要在斷點a1處設置一定的間隙。

斷點a3,a4分別為從動輪31與111和112之間的斷點，當軸線3與軸線4垂直時，該斷點處理論上間隙可以無線接近於零，本例中由於111,112在平面1,2的方向上分別存在一定厚度，因此斷點a3，a4處存在一定間隙。a3，a4劃分為第二類斷點。

斷點a7產生於半球從動輪111，112之間，該斷點處理論上間隙可以無線接近於零，實際設計中為了防止兩半球產生機械幹涉，因此可以設置一個極小的間隙。a7劃分為第三類斷點。

上述3類斷點處的間隙均是為了實際具體設計中避免全向輪自身的從動輪之間產生機械幹涉而產生的，間隙大小均不因動力輸入軸41的幾何尺寸而改變，即不因為41的剛度增加而使運動的不連續性增加。

依照圖2和圖3，動力輸入軸41的橫截面為梯形，長邊寬度為w,高為h，兩斜邊儘可能靠近平面1和2，其夾角為a，該梯形截面存在如下幾何關係，其內切圓中心與軸41的旋軸軸線4重合。若選用常用的圓截面軸，則該梯形的內接圓即可作為軸截面，則截面直徑。

從動輪3的寬度

以圓截面軸為例，r0不變時，與增大動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，同時增大從動輪3的寬度l即可。

推廣到一般截面，其計算方法近似，擴大軸截面響應的擴大夾角a和從動輪3的寬度l即可在不增加間隙的情況下增大動力輸入軸剛度。