一種兩自由度車輪的製作方法

2023-05-08 14:21:42

本發明涉及一種兩自由度車輪，用於車輛或其它設備的移動。

背景技術：

目前，常規車輪多為單自由度車輪，因此，汽車在做轉彎、掉頭等運動時，需要一定的大轉向半徑；在車輛進行側方停車時，需要進行幾個步驟的移動和較好的停車技術才能準確的完成停車；在倒車入庫過程中，同樣需要分為幾個部分在能完成準確的從任意位置、任意角度完成倒車步驟；以上均在行車過程中帶來一定不便的駕駛體驗，非常考驗駕駛員的技術，易發生剮蹭等事故。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種具有兩自由度的車輪。

為了解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案：一種兩自由度車輪，包括輪體吊架、第一旋轉驅動機構、第二旋轉驅動機構以及兩個滾動行走體；

所述第一旋轉驅動機構具有兩個輸出軸，且所述第一旋轉驅動機構的兩個輸出軸共軸線，兩個所述滾動行走體分別與第一旋轉驅動機構的兩個輸出軸相連接；

所述第二旋轉驅動機構與輪體吊架相連接，所述第一旋轉驅動機構與第二旋轉驅動機構的輸出軸相連接。

進一步地，兩個所述滾動行走體均呈H≤R的球缺形。

進一步地，所述第二旋轉驅動機構的輸出軸垂直於第一旋轉驅動機構的兩個輸出軸。

進一步地，兩個所述滾動行走體均包括內側的轂架和外側的殼體。

進一步地，兩個所述滾動行走體與第一旋轉驅動機構之間分別設有第一軸承。

進一步地，所述第一旋轉驅動機構與第二旋轉驅動機構之間設有第二軸承。

進一步地，所述第一旋轉驅動機構包括第一電機，所述第一電機為雙軸電機。

進一步地，所述第一旋轉驅動機構還包括用於固定第一電機的第一電機支架，兩個所述滾動行走體與第一旋轉驅動機構之間分別設有第一軸承，所述第一軸承的內環與第一電機支架相連接，所述第一軸承的外環與相應的滾動行走體相連接。

進一步地，所述第二旋轉驅動機構包括第二電機。

進一步地，所述第二旋轉驅動機構還包括用於固定第二電機的第二電機支架，所述第一旋轉驅動機構與第二旋轉驅動機構之間設有第二軸承，所述第二軸承的內環與第二電機支架相連接，所述第二軸承的外環與第一旋轉驅動機構相連接。

本發明的有益效果體現在：

本發明使用時，在第一旋轉驅動機構的驅動下，兩個滾動行走體繞第一旋轉驅動機構的兩個輸出軸旋轉而實現行走，而在第二旋轉驅動機構的驅動下，兩個滾動行走體繞第二旋轉驅動機構的輸出軸旋轉而實現行走，從而實現本車輪具有兩個自由度的功能，而且在運動時兩個自由度不受約束。

另外，本發明結構簡單、易於製作，不僅可以應用在車輛領域，還可以用於其它需要移動的設備上。

附圖說明

圖1是本發明一實施例的結構示意圖。

圖2是本發明一實施例去除滾動行走體的殼體後的結構示意圖。

圖3是本發明一實施例的剖視圖。

圖4a至圖4e是本發明一實施例的幾種運動方式示意圖。

附圖中各部件的標記為：10輪體吊架、20第一旋轉驅動機構、201第一電機、2021第一電機套、2022第一端蓋、30第二旋轉驅動機構、301第二電機、3021第二電機套、3022第二端蓋、40滾動行走體、401轂架、402殼體、50第一軸承、501軸承壓片、60第二軸承、601第二軸承壓片。

具體實施方式

需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。下面將參考附圖來詳細說明本發明。

參見圖1、圖2和圖3。

本發明兩自由度車輪，包括輪體吊架10、第一旋轉驅動機構20、第二旋轉驅動機構30以及兩個滾動行走體40；

所述第一旋轉驅動機構20具有兩個輸出軸，且所述第一旋轉驅動機構20的兩個輸出軸共軸線，兩個所述滾動行走體40分別與第一旋轉驅動機構20的兩個輸出軸相連接；

所述第二旋轉驅動機構30與輪體吊架10相連接，所述第一旋轉驅動機構20與第二旋轉驅動機構30的輸出軸相連接。

本車輪使用時，在第一旋轉驅動機構20的驅動下，兩個滾動行走體40繞第一旋轉驅動機構20的兩個輸出軸旋轉而實現行走，而在第二旋轉驅動機構30的驅動下，第一旋轉驅動機構20旋轉，繼而兩個滾動行走體40繞第二旋轉驅動機構30的輸出軸旋轉而實現行走，從而實現本車輪具有兩個自由度的功能，而且在運動時兩個自由度不受約束。

在一實施例中，所述第二旋轉驅動機構30的輸出軸垂直於第一旋轉驅動機構20的兩個輸出軸。採用這種設計，車輪的兩個自由度相互垂直，實用性更強，更易控制。

在一實施例中，兩個所述滾動行走體40均呈H≤R的球缺形。採用這種設計，兩個所述滾動行走體可以大體上形成球體車輪，這樣其在任何方向上行走時，滾動圈都成圓形，行走更加順暢。這裡的H是球缺的高，R是球缺的半徑，當H＝R時，球缺為半球形，第一旋轉驅動機構20的中心位於球體車輪的幾何中心，第二旋轉驅動機構30的輸出軸的軸線延長線經過球體車輪的幾何中心。

具體實施中，輪體吊架10由一段弧形杆和一段徑向杆相連構成，弧形杆的自由端設有連接頭，第二旋轉驅動機構30連接在徑向杆的自由端。這樣設計，結構簡單，不會幹澀兩個滾動行走體40的運動。

在一實施例中，兩個所述滾動行走體40均包括內側的轂架401和外側的殼體402。採用此種結構可以使車輪整體圓滑，方便車輪完成各種姿態運行,而且結構簡單、容易製作，穩定性也很可靠。轂架401的形狀也大體上呈H≤R的球缺形，圖中例示的轂架401包括兩根十字交叉的弧形杆，用於支撐球面，以及兩個十字交叉的直杆，用於支撐該兩根十字交叉的弧形杆。

在一實施例中，所述第一旋轉驅動機構20包括第一電機201，所述第一電機201為雙軸電機；所述第二旋轉驅動機構30包括第二電機301。使用電機驅動，容易操作、控制，而且容易製作、安裝。

在一實施例中，兩個所述滾動行走體40與第一旋轉驅動機構20之間分別設有第一軸承50；所述第一旋轉驅動機構20與第二旋轉驅動機構30之間設有第二軸承60。設置的各軸承可以在上述相應兩個相對旋轉的部件之間起到支撐作用，並使兩個相對旋轉的部件之間的旋轉更加順暢。

在一實施例中，所述第一旋轉驅動機構20還包括用於固定第一電機201的第一電機支架，兩個所述滾動行走體40與第一旋轉驅動機構20之間分別設有第一軸承50，所述第一軸承50的內環與第一電機支架相連接，所述第一軸承50的外環與相應的滾動行走體40，優選滾動行走體40的轂架401相連接。這種設計，結構簡單，牢固穩定，便於安裝軸承。

在一實施例中，所述第一電機支架包括套設在第一電機201外的第一電機套2021以及兩個分別連接在第一電機套2021的兩端的第一端蓋2022，所述第一電機201與兩個第一端蓋2022相連接，所述第一電機201的兩個輸出軸分別從相應的第一端蓋2022穿出，所述第一軸承50的內環與相應的第一端蓋2022相連接。這種第一電機支架結構簡單，易於電機等各部件的連接。

具體實施中，第一端蓋2022具有軸向向外伸出的空心凸柱，第一軸承50的內環套設在該空心凸柱上，第一電機201的輸出軸穿過該空心凸柱伸出，第一軸承50的軸線方向兩側分別設有第一軸承壓片501，以將第一軸承50壓緊在相應轂架401與第一端蓋2022之間，第一電機201的輸出軸與相應轂架401相連接。

在一實施例中，所述第二旋轉驅動機構30還包括用於固定第二電機301的第二電機支架，所述第一旋轉驅動機構20與第二旋轉驅動機構30之間設有第二軸承60，所述第二軸承60的內環與第二電機支架相連接，所述第二軸承60的外環與第一旋轉驅動機構20相連接。同樣地，這種設計，結構簡單，牢固穩定，便於安裝軸承。

在一實施例中，所述第二電機支架包括第二電機套3021以及連接在第二電機套3021的一端的第二端蓋3022，第二電機套3021的另一端一體成型或連接在輪體吊架10上，第二電機301與第二端蓋3022相連接，第二電機301的輸出軸穿過第二端蓋3022與第一電機套2021連接。第二軸承60的軸線方向外側設有第二軸承壓片601，第二軸承壓片601連接在第一電機套2021，以此將第二軸承60壓緊。

參見圖4a至圖4d，圖中虛線為第一電機的旋轉中心線，本發明兩自由度車輪當第二電機旋轉一定角度後，第一電機單獨作用存在以下三種轉動狀態：

第一種：如圖4a所示，第二電機的旋轉中心線平行於地面，第一電機的旋轉中心線平行於地面，此時，第一電機的轉動半徑達到最大，為車輪球半徑R輪，此時，R轉＝R輪,車輪的實際轉速與第一電機輸出軸的轉速相同，即：

v實際＝ω第一電機×R轉

其中，v實際表示車輪對地的實際移動速度，ω第一電機表示第一電機轉動的角速度，R轉表示車輪對地的實際轉動半徑；

第二種：如圖4b、4c所示，第二電機的旋轉中心線平行於地面，第一電機的旋轉中心線與地面存在夾角，此時根據勾股定理計算車輪的實際轉動半徑R轉，車輪的速度計算公式如下：

v實際＝ω第一電機×cosθo×R輪

其中，式中v實際表示車輪對地的實際移動速度，ω第一電機表示第一電機轉動的角速度，R輪表示車輪球半徑，θo為第一電機的旋轉中心線與地面的夾角；

第三種：如圖4d所示，第二電機的旋轉中心線平行於地面，第一電機的旋轉中心線也垂直於地面，此時第一電機的轉動半徑達到最小，為0，此時，車輪的實際轉速為0，可進行側向平移，且側向平移速度與第一電機的輸出軸速度相同。

另外，當第一電機和第二電機同時旋轉作用整個車輪時，車輪前進的方向和第一電機和第二電機的轉速有關如圖4e所示：

其中，v實際表示車輪對地的實際移動速度，v第一表示第一電機轉動方向上輪子的速度，v第二表示第二電機轉動方向上輪子的速度，ω第一電機表示第一電機轉動的角速度，θo為第一電機的旋轉中心線與地面的夾角，R輪表示車輪球的半徑，ω第二電機表示第二電機的轉速。

在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連接」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，一體地連接，也可以是可拆卸連接，如通過螺釘；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接連接，相對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語的具體含義。

應當理解本文所述的例子和實施方式僅為了說明，並不用於限制本發明，本領域技術人員可根據它做出各種修改或變化，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。