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動方向，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)整方向舵，在行進一段曲線軌跡后調(diào)整所有車輪轉(zhuǎn)軸垂直于前進方向時，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采用雙輪差動機構(gòu)，可以實現(xiàn)零轉(zhuǎn)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(zhuǎn)到指定方向，然后才能沿指定方向運動。

上述兩種情況均無法實現(xiàn)在車輛無自轉(zhuǎn)角速度時平移。

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)置了從動輪，其車輪排布均可實現(xiàn)零半徑旋轉(zhuǎn)以及任意方向直線移動。

專利jp2007-210576中描述的車輪實現(xiàn)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(dān)車體自重。為實現(xiàn)足夠的承載力和驅(qū)動力，必須在兩個半球間設(shè)置一定距離的間隙。在確保驅(qū)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(zhuǎn)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(chǔ)上對車輪做出了改進，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?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動不連續(xù)性問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種從原理上可以解決球輪運動不連續(xù)性問題的方法與設(shè)計。即從原理上提供一種不連續(xù)性與動力輸入軸尺寸無關(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)不斷增大動力輸入軸尺寸來改善動力傳輸軸的剛度和強度。

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，間斷點的數(shù)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(chǎn)生間隙的位置。

本發(fā)明的一個主題是一種用于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(dān)車身重量產(chǎn)生的負載彎矩，其特征在于：球輪沿動力輸入軸轉(zhuǎn)動一周與地面產(chǎn)生的所有接觸點近似構(gòu)成一個球面（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輪（111,112）、第二組從動輪（211,212）、從動輪（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于零。所有從動輪可以繞動力輸入軸公轉(zhuǎn)，可以繞自身的轉(zhuǎn)軸自轉(zhuǎn)。兩種運動合成車輪沿地面的全向運動。

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個本發(fā)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(nèi)，且所有軸線不全部平行。

本發(fā)明提出的全向輪設(shè)計方法通過一個具體的設(shè)計實例進行描述，通過查閱附圖可以充分了解本發(fā)明中提出的具體實現(xiàn)方法，充分了解本發(fā)明的優(yōu)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(fā)明設(shè)計實例的前視圖；

圖2示出了本發(fā)明設(shè)計實例沿剖面b的剖視圖；

圖3為剖面b關(guān)于動力傳動軸參數(shù)的細部；

圖4示出了本發(fā)明設(shè)計實例的立體圖；

圖5示出了本發(fā)明設(shè)計實例應(yīng)用于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(zhuǎn)。從動輪111,112對稱置于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。

依照圖1和圖2，所述的從動輪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，從動輪31通過剛性軸鉸于骨架結(jié)構(gòu)（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。

其中由于對稱布置，a1，a2與a5，a6性質(zhì)相同，其中，a1，a2對于軸線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(zhì)進行討論。a1的產(chǎn)生于半球形從動輪111放置從動輪211的圓形開口與從動輪211的圓形端面之間。由于實際生產(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a1處設(shè)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a3，a4處存在一定間隙。a3，a4劃分為第二類斷點。

斷點a7產(chǎn)生于半球從動輪111，112之間，該斷點處理論上間隙可以無線接近于零，實際設(shè)計中為了防止兩半球產(chǎn)生機械干涉，因此可以設(shè)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(shè)計中避免全向輪自身的從動輪之間產(chǎn)生機械干涉而產(chǎn)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(xù)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(yīng)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。

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平臺。該全向輪包括動力輸入軸（41），用于連接電機和全向輪；第一組從動輪（111,112），第二組從動輪（211,212），從動輪（31）各自的外表面包絡(luò)于球面（0）；3組從動輪通過鉸接形式與骨架結(jié)構(gòu)（61）連接。3組從動輪的旋轉(zhuǎn)軸線與動力輸入軸（41）的旋轉(zhuǎn)軸線（4）垂直。第一組從動輪的旋轉(zhuǎn)軸線（101,102）分別于第二組從動輪的旋轉(zhuǎn)軸（201,202）垂直。從動輪（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