CN111873698A - 具有变角全向轮的全向车 - Google Patents

Abstract

一种变角全向轮，包括：转盘、转角调节装置、滚子单元和连接支链装置；转角调节装置包括：旋转主动件、连杆和支撑轮毂；连接支链装置包括：支链、丝杆和螺母。滚子单元包括：支撑架、旋转副和滚子，其中：支撑架设置于支链末端，滚子通过旋转副活动设置于支撑架内。具有变角全向轮的全向车，包括：车身和四个变角全向轮；本发明通过转角调节装置将中心轴的旋转运动转换为与此轴线垂直的均匀分布在圆周上的若干滚子的旋转运动，滚子在转角调节装置的作用下可以同步地旋转任意安装角度且互不干扰，滚子安装角度的变化使得地面给予滚子的摩擦力方向可变，进一步提高全向的灵活性，既可以实现平台的全向运动又能兼顾安装紧凑性与不同运动状态下的前进效率。

Description

具有变角全向轮的全向车

技术领域

本发明涉及的是一种运输自动化领域的技术，具体是一种具有变角全向轮的全向车。

背景技术

麦克纳姆轮、Omni轮等在全向移动系统中运用广泛，这是由于均匀布置在圆周上的各个滚子的轴线与圆周中心线统一形成了一个角度，根据四个或者多个麦克纳姆轮、Omni轮的分力组合，使得平台能够以各种位姿运动。但是在有些运动状态下，例如平台直线向前移动的时候，如果仍然依靠固定的分力，那么驱动效率会降低，如果可以改变滚子的安装角度，使得在向前移动时，所有分力的主方向都可以尽量与运动方向一致，就可以提高驱动效率。

除了常见的麦克纳姆轮，实现平台全向移动的方法也可以是：轮子与平台之间再增加一个垂直于平台的旋转自由度，这种轮子称为驱动全向轮，运动学建模简单，但是在安装紧凑性方面仍然有待提高。另外，要改变整个轮子的安装角度需要克服较大的地面摩擦力。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种具有变角全向轮的全向车，通过转角调节装置将中心轴的旋转运动转换为与此轴线垂直的均匀分布在圆周上的若干滚子的旋转运动，滚子在转角调节装置的作用下可以同步地旋转任意安装角度且互不干扰，滚子安装角度的变化使得地面给予滚子的摩擦力方向可变，进一步提高全向的灵活性，既可以实现平台的全向运动又能兼顾安装紧凑性与不同运动状态下的前进效率，更加可以降低整个系统的驱动维度，减少对控制系统的要求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种变角全向轮，包括：转盘、转角调节装置、滚子单元和连接支链装置，其中：转角调节装置设置于转盘上，连接支链装置均匀设置于转角调节装置圆周一圈上，滚子单元通过连接支链装置与转角调节装置相连。

所述的转角调节装置包括：旋转主动件、连杆和支撑轮毂，其中：旋转主动件设置于转盘外并设置于支撑轮毂内，连杆一端均匀设置于旋转主动件圆周上，另一端与连接支链装置相连。

所述的连接支链装置包括：支链、丝杆和螺母，其中：丝杆设置于支撑轮毂圆周上，支链设置于丝杆内并与滚子单元相连，螺母一端与连杆相连，另一端垂直贯穿支链。

所述的滚子单元包括：支撑架、旋转副和滚子，其中：支撑架设置于支链末端，滚子通过旋转副活动设置于支撑架内。

所述的转角调节装置设有作用轮和惰轮，其中：作用轮和惰轮依次相邻设置于旋转主动件圆周一圈，连杆一端与作用轮相连，另一端与连接支链装置相连。

本发明涉及一种具有上述变角全向轮的全向车，包括：车身和至少三个变角全向轮。

所述的车身为以下任意一种结构组合：

①包括：第一主驱轴、从动轴、主动齿轮和从动齿轮，其中：主动齿轮和从动齿轮分别设置于第一主驱轴两端并分别与从动轴相连，至少三个变角全向轮分别与从动轴相连。

②包括：至少三个设置于角落且相互独立的第二主驱轴，其中：第二主驱轴分别与变角全向轮相连。

技术效果

本发明整体解决了现有全向轮系统因为单个全向轮的受地面的力的方向不可改变导致的驱动效率难以优化的问题以及全向轮系统驱动维度一般大于3，不可避免地会出现“多电机速度控制”，对控制系统的同步精度有较高要求。

本发明通过变角全向轮可以通过主动控制滚子安装角度实现受力方向的控制，从而提高驱动效率，变角全向轮的安装角度可以主动控制，从而使得运动学模型中的变量增加了4个，因此允许各个轮子的驱动速度的维度降低为1，便于布置轮系传动系统，从而令驱动电机个数只需要1个，大大降低控制难度。

与现有技术相比，本发明通过转角调节装置将中心轴的旋转运动转换为与此轴线垂直的均匀分布在圆周上的若干滚子的旋转运动，滚子在转角调节装置的作用下可以同步地旋转任意安装角度且互不干扰，滚子安装角度的变化使得地面给予滚子的摩擦力方向可变，进一步提高全向的灵活性，既可以实现平台的全向运动又能兼顾安装紧凑性与不同运动状态下的前进效率，更加可以降低整个系统的驱动维度，减少对控制系统的要求。

附图说明

图1为本发明实施例1结构示意图；

其中：a为整体示意图，b为局部放大示意图；

图2为本发明实施例2结构示意图；

图3为本发明实施例3结构示意图；

图4为本发明滚子单元组示意图；

图5为本发明滚子单元组组合形式示意图；

其中：a为左视图，b为主视图；

图6为本发明变角全向轮与车身安装角度实施例示意图；

其中：a为90°安装示意图，b为60°、45°混合安装；

图7为本发明实施例4单主驱多调节全向车；

图8为本发明实施例5多主驱多调节全向车；

图9为本发明实施例6全向车受力分析示意图；

图10为本发明多个滚子的安装角度的调节示意图；

图中：旋转主动件1、连杆2、螺母3、支撑轮毂4、丝杠5、支链6、作用轮7、惰轮8、支撑架9、触地滚子10、非触地滚子11、转角调节装置12、变角全向轮13、滚子单元14、车身15、第一主驱轴16、从动轴17、主动齿轮18、从动齿轮19、第二主驱轴20、连接支链装置21、旋转副22、转盘23。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，为本实施例涉及的一种变角全向轮13，其中包含：转盘23、转角调节装置12、滚子单元14和连接支链装置21，其中：转角调节装置12设置于转盘23上，连接支链装置21均匀设置于转角调节装置12圆周一圈上，滚子单元14通过连接支链装置21与转角调节装置12相连。

所述的转角调节装置12包括：旋转主动件1、连杆2和支撑轮毂4，其中：旋转主动件1设置于转盘23外并设置于支撑轮毂4内，连杆2一端均匀设置于旋转主动件1圆周上，另一端与连接支链装置21相连。

所述的连接支链装置21包括：支链6、丝杆5和螺母3，其中：丝杆5设置于支撑轮毂4圆周上，支链6设置于丝杆5内并与滚子单元14相连，螺母3一端与连杆2相连，另一端垂直贯穿支链6。

所述的滚子单元14包括：支撑架9、旋转副22、触地滚子10和非触地滚子11，其中：支撑架9设置于支链6末端，触地滚子10和非触地滚子11通过旋转副22活动设置于支撑架9内。

如图1所示，R代表旋转副，P代表移动副，H代表螺旋副，S代表球面副，旋转主动件1的旋转会通过平面RRRP形成的曲柄滑块机构变为螺母3的移动传递到螺旋副H中，最终由于螺旋副H中的丝杠5的移动被限制，而这里的螺旋副H不具备自锁功能，因此螺母3的移动使得丝杠5产生纯旋转运动，与支链6末端固定连接的滚子(图4)的安装角度被改变。

如图5所示，所述的驱动轴两端设置于在支撑轮毂4上，并被主动驱动，转盘1与驱动轴固定相连，当驱动轴被主动驱动，可带动转角调节装置12运动，从而改变滚子的安装角度；转角调节装置的组数与滚子的个数相同，因此只需要一个驱动轴便可同步地调节所有滚子的安装角度。

实施例2

本实施例涉及一种变角全向轮13，基本结构与实施例1一致，不同之处在于：

如图2所示，由于空间RSSR与圆平面不在一个平面内，旋转主动件1的旋转会通过空间RSSR传递到支链6末端使其旋转，与支链6末端固定连接的滚子(如图4所示)的安装角度被改变。

如图10所示，为类似于图2的空间RSSR机构为例实现多个滚子的安装角度RIA的调节。该机构有n+1条支链，每条支链共享一个转盘(即并联机构中的"动平台")。这n+1条支链中，有一条支链是机架与转盘形成的转动副R₁，另外n条支链(即：SSR)的结构完全相同，由转盘、构件P₁到P₄以及滚子支架组成，其中，转盘与P₁之间为固定副，P₁与P₂之间为S副，P₂与P₃之间为S副，P₃与P₄之间为固定副，P₄与滚子支架之间为固定副，滚子支架与机架之间为转动副R₂。滚子(未示出)与滚子支架之间有滚子轴，滚子绕着该轴可以自由转动。当R₁产生角位移之后，n条SSR支链末端的R₂也产生相应角位移，如果n条支链完全相应，则产生的n个角位移也完全相同，从而实现联动。从R₁到R₂的本质其实是空间RSSR机构。

实施例3

本实施例涉及一种变角全向轮13，基本结构与实施例1一致，不同之处在于：所述的车身包括：四个设置于角落且相互独立的第二主驱轴，其中：第二主驱轴分别与变角全向轮相连。

如图3所示，所述的转角调节装置包括：旋转主动件1、连杆2、支撑轮毂4、作用轮7和惰轮8，其中：旋转主动件1设置于支撑轮毂4内，作用轮7和惰轮8依次相邻设置于旋转主动件1圆周一圈，连杆2一端与作用轮相连，另一端与连接支链装置21相连。

所述的旋转主动件1带动第一个作用轮7转动，作用轮7通过若干惰轮8传递旋转运动，与支链6末端固定连接的滚子(图4)的安装角度被改变。

实施例4

如图7所示，本实施例涉及一种具有上述实施例1、2、3的变角全向轮的全向车，包括：车身15和四个变角全向轮13，其中：四个变角全向轮13设置于车身15四个角。

所述的车身15包括：第一主驱轴16、从动轴17、主动齿轮18和从动齿轮19，其中：主动齿轮18和从动齿轮19分别设置于第一主驱轴16两端并分别与从动轴17相连，四个变角全向轮13分别与从动轴17相连。

如图7所示，车身15内部唯一的电机带动第一主驱轴16转动，主动齿轮18带动从动齿轮19转动，因此与从动轴17转动，达到单主驱的效果。驱动过程中，各个变角全向轮13的滚子单元14可以任意调节角度，综合形成单主驱多调节的效果。

实施例5

如图8所示，本实施例涉及一种具有上述实施例1、2、3的变角全向轮的全向车，基本结构一致，不同之处在于：

所述的车身15包括：四个设置于角落且相互独立的第二主驱轴20，其中：第二主驱轴20分别与变角全向轮13相连。

如图8所示，车身内部四个独立的电机带动第二主驱轴20转动，达到多主驱的效果。驱动过程中，各个变角全向轮的滚子单元组可以任意调节角度，综合形成多主驱多调节的效果。

实施例6

所述的变角全向轮13的驱动速度的函数具体为[ω_i]＝f(v_x，v_y，ω，α_i，θ_i，R，r)，其中：ω_i为变角全向轮13的驱动速度，α_i为滚子的安装角度，θ_i为变角全向轮13与车身15之间的安装角度，R、r分别是变角全向轮13的半径与滚子的半径，v_x，v_y，ω是系统的运动速度；R、r固定不变，当θ_i固定，且α_i可调时，则成为变角全向轮；当给定ω_i与v_x，v_y，ω，则可计算出α_i的具体值，从而通过转角调节装置将滚子安装角度调节至α_i。

经过具体实际实验，以图6a所示的尺寸为例，且R、r分别等于50与2.5。实验1：令四个变角全向轮的驱动速度分别为ω₁＝-ω₂＝ω₃＝-ω₄＝50，并且令系统期望的速度为v_x＝v_y＝0以及ω＝20(即：纯旋转)，可计算得到所需的滚子安装角度分别为α₁＝-21.9117、α₂＝-66.7054、α₃＝66.7054、α₄＝21.9117。在仿真环境下，将四个变角全向轮的驱动速度分别设置为上述值，将四个变角全向轮的滚子安装角度分别设置为上述值。最后将四个变角全向轮与地面之间设置一定的3D接触以模拟摩擦力。最终，根据动力学计算结果可得，整个系统的运动速度达到了期望的速度，也印证了单驱动维度的可行性。实验2：令四个变角全向轮的驱动速度分别为ω₁＝-ω₂＝ω₃＝-ω₄＝20，并且令系统期望的速度为v_x＝0，v_y＝10以及ω＝0(即：纯竖移)，可计算得到所需的滚子安装角度分别为α₁＝α、α₂＝0、α₃＝α、α₄＝0，其中α可以是任意值。α越小，该变角全向轮所受摩擦力的方向与系统运动方向越是一致，则驱动效率越高。在仿真环境下，将四个变角全向轮的驱动速度分别设置为上述值，将四个变角全向轮的滚子安装角度分别设置为α＝5、10、15等值。最后将四个变角全向轮与地面之间设置一定的3D接触以模拟摩擦力。最终，根据动力学计算结果可得，整个系统的运动速度达到了期望的速度(无论α为多少)，因此，印证了提高驱动效率的可行性。

与现有技术相比，本装置利用滚子安装角度可变的变角全向轮①提高全向系统的驱动效率，(2)降低全向系统的驱动维度从而减少控制难度。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (5)

1.一种变角全向轮，其特征在于，包括：转盘、转角调节装置、滚子单元和连接支链装置，其中：转角调节装置设置于转盘上，连接支链装置均匀设置于转角调节装置圆周一圈上，滚子单元通过连接支链装置与转角调节装置相连；

所述的转角调节装置包括：旋转主动件、连杆和支撑轮毂，其中：旋转主动件设置于转盘外并设置于支撑轮毂内，连杆一端均匀设置于旋转主动件圆周上，另一端与连接支链装置相连。

2.根据权利要求1所述的变角全向轮，其特征是，所述的滚子单元包括：支撑架、旋转副和滚子，其中：支撑架设置于支链末端，滚子通过旋转副活动设置于支撑架内。

3.根据权利要求1或2所述的变角全向轮，其特征是，所述的转角调节装置设有作用轮和惰轮，其中：作用轮和惰轮依次相邻设置于旋转主动件圆周一圈，连杆一端与作用轮相连，另一端与连接支链装置相连。

4.根据权利要求1所述的变角全向轮，其特征是，所述的连接支链装置包括：支链、丝杆和螺母，其中：丝杆设置于支撑轮毂圆周上，支链设置于丝杆内并与滚子单元相连，螺母一端与连杆相连，另一端垂直贯穿支链。

5.一种基于权利要求1～4中任一所述的具有变角全向轮的全向车，包括：车身和至少三个变角全向轮，车身为以下任意一种结构组合：

①包括：第一主驱轴、从动轴、主动齿轮和从动齿轮，其中：主动齿轮和从动齿轮分别设置于第一主驱轴两端并分别与从动轴相连，至少三个变角全向轮分别与从动轴相连；

②包括：至少三个设置于角落且相互独立的第二主驱轴，其中：第二主驱轴分别与变角全向轮相连。

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