CN101817308A - 差动式全方位车轮装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种差动式全方位车轮装置。它包括一个车轮、一个安装底板以及与安装底板固定连接的驱动电机和回转电机，车轮安装在一个回转体上，回转电机通过回转传动机构驱动回转体转动，驱动电机通过驱动传动机构驱动车轮转动，实现车轮转向和驱动组合，达到全方位驱动。本发明结构紧凑，提高了装置的承载能力，有利于机构的小型化，且回转和驱动的两个电机都是固定的。

Description

差动式全方位车轮装置

技术领域：

本发明专利涉及一种利用差动轮系将转向、驱动功能集于一体的两自由度车轮装置，多个该类型的车轮装置构建的运动平台具有良好的全方运动能力。

背景技术

在文献《差动机构在全方位移动机器人上的应用》中作者提出了一种由差动轮系组成的两自由度的车轮机构，每个车轮组包涵一个主动轮和一个从动轮。该车轮组转向运动时，作用在主动轮和从动轮上的摩擦力会产生一个摩擦力矩，该力矩会驱动由多个该类车轮组构成的运动平台发生旋转，其结构仍存在一些不足之处，没有实现驱动与转向运动的解耦。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术的不足，提供一种改进的差动式全方位车轮装置。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种差动式全方位车轮装置，包括一个车轮、一个安装底板、以及与安装底板固定连接的一个驱动电机和一个回转电机，其特征在于所述的车轮安装在一个回转体上，所述的回转电机通过回转传动机构驱动所述回转体转动，所述的驱动电机通过驱动传动机构驱动所述的车轮转动，实现车轮转向和驱动组合，达到全方位驱动。

上所述的车轮安装在回转体上的结构是：由一块下连接板固定连接一块左支撑和一块右支撑构成叉形转向体，在左支撑和右支撑的下部各安装一个车轮轴轴承，所述车轮通过键安装在一根车轮轴而由所述两个车轮轴轴承支承。

上述回转传动机构是：所述回转电机的输出轴连接一根回转蜗杆，该回转蜗杆与一个回转蜗轮啮合，回转蜗轮固定安装在一个回转蜗轮安装架上，该回转蜗轮安装架的下端与所述回转体的下连接板固定连接；所述回转蜗轮安装架的内腔，通过两个转向用轴承支承于一根固定轴上，并由一个推力轴承实现垂直方向的轴向支承，所述固定轴与所述安装底板固定连接。

上述驱动传动机构是：所述驱动电机的输出轴连接一个主动蜗轮，主动齿轮与一个传动齿轮啮合，传动齿轮与一根驱动蜗杆同轴安装，驱动蜗杆与一个驱动蜗轮啮合，驱动蜗轮通过键安装在一根传动轴上，传动轴通过两个驱动用轴承插装在所述固定轴的中心孔中，而下端伸出固定轴而处在所述回转体的下连接板下面的轴端固定安装一个水平锥齿轮，水平锥齿轮与一个安装在左支撑内侧的垂直锥齿轮啮合，一个过渡齿轮与垂直锥齿轮同轴安装，过渡齿轮与一个驱动齿轮啮合，驱动齿轮固定安装在所述车轮轴上。

与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.通过在固定轴的内外设置支撑轴承，实现驱动和转向运动的组合，具有结构紧凑的优点；

2.在机构设计中增设了能够承受较大轴向力的推力轴承，并且设有传力隔圈，提高了该装置的承载能力。

3.通过蜗轮副自锁功能，实现了车轮支撑架的可靠锁定，即回转电机不工作时，车轮支撑架是不运动的，同时也使得回转电机不需要自带刹车机构，有利于机构的小型化。

4.借助锥齿轮差动轮系，实现了回转动轴线和驱动动力轴线的一致，实现了两个电机可以都是固定的。

5.在结构布置上，通过车轮副过渡实现了动力传动轴线(固定轴6的轴线)位与车轮宽度的中间平面内，理论上实现了零摩擦阻力矩。

附图说明：

图1本发明的一个实施例的总结构示意图

图2是图1的轴侧立体视图

图3是A-A剖视图

图4是去除了安装底板的轴侧立体视图

具体实施方式：

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一：参见图1、图2和图3，一种差动式全方位车轮装置，包括一个车轮17、一个安装底板1、以及与安装底板固定连接的一个驱动电机33和一个回转电机32，其特征在于所述的车轮17安装在一个回转体38上，所述的回转电机32通过回转传动机构驱动所述回转体38转动，所述的驱动电机33通过驱动传动机构驱动所述的车轮17转动，实现车轮17转向和驱动组合，达到全方位驱动。

实施例二：本实施例基本上与实施例一相同，特别之处在于：车轮17安装在回转体38上的结构是：由一块下连接板12固定连接一块左支撑21和一块右支撑14构成叉形转向体38，在左支撑21和右支撑14的下部各安装一个车轮轴轴承20，所述车轮17通过键安装在一根车轮轴18而由所述两个车轮轴轴承20支承。

回转传动机构是：所述回转电机32的输出轴连接一根回转蜗杆37，该回转蜗杆37与一个回转蜗轮9啮合，回转蜗轮9固定安装在一个回转蜗轮安装架28上，该回转蜗轮安装架的下端与所述回转体38的下连接板12固定连接；所述回转蜗轮安装架28的内腔，通过两个转向用轴承7支承于一根固定轴6上，并由一个推力轴承8实现垂直方向的轴向支承，所述固定轴6与所述安装底板1固定连接。

驱动传动机构是：所述驱动电机32的输出轴连接一个主动齿轮34，主动齿轮34与一个传动齿轮35啮合，传动齿轮35与一根驱动蜗杆36同轴安装，驱动蜗杆36与一个驱动蜗轮5啮合，驱动蜗轮5通过键安装在一根传动轴4上，传动轴4通过两个驱动用轴承2插装在所述固定轴6的中心孔中，而下端伸出固定轴6而处在所述回转体38的下连接板12下面的轴端固定安装一个水平锥齿轮13，水平锥齿轮13与一个安装在左支撑21内侧的垂直锥齿轮23啮合，一个过渡齿轮27与垂直锥齿轮23同轴安装，过渡齿轮27与一个驱动齿轮19啮合，驱动齿轮19固定安装在所述车轮轴18上。

实施例三：本实施例与实施例二基本相同，更详细结构说明如下：如图1、图2、图3和图4所示，安装底板1是整个车轮装置的连接底板，用于车轮装置与其他机构的连接；驱动用轴承2上下各配备了1个，其内圈与传动轴4配合，其外圈与固定轴6配合；轴端盖板3通过螺栓与传动轴4固连；传动轴4通过驱动用轴承2，实现其在固定轴6中的轴向定位，其仅仅能作相对于固定轴6的旋转运动；驱动蜗轮5通过键与传动轴4连接，在传动轴4上实现周向定位，调整轴套的长度，使得驱动蜗轮5与驱动蜗杆36良好啮合；固定轴6通过螺栓与安装底板1连接；回转用轴承7的内圈与固定轴6配合，外圈与回转蜗轮安装座28配合，通过在回转蜗轮安装座28的上下位置各配置1个回转用轴承7，实现回转蜗轮安装座28相对于固定轴6的轴向定位；推力轴承8安放在回转蜗轮安装座28内，推力轴承8的上端通过隔圈与回转用轴承7接触，下端与传力隔圈10接触；回转蜗轮9通过螺栓和销轴与回转蜗轮安装座28固连，并与转向蜗杆37啮合；传力隔圈10安放在推力轴承8和下回转用轴承7中间，起支撑作用；锁紧螺母11通过螺旋与固定轴6旋合，并调整回转用轴承7的间隙；下连接板12通过螺栓与回转蜗轮安装座28固连；水平锥齿轮13通过键与传动轴4连接；右支撑14通过螺栓与下连接板12固连，并开有轴承孔；右轴承盖板15通过螺栓固定在右支撑14上；车轮轴套16空套在车轮轴18上，两端分别与车轮及车轮轴轴承20的内圈配合；车轮17通过键与车轮轴18连接；车轮轴18通过车轮轴轴承20安装在右支撑14和左支撑21之间，并支撑车轮17和驱动齿轮19；驱动齿轮19通过键与车轮轴18连接；车轮轴轴承20安装在左、右支撑的轴承孔内，并由左右轴承盖板实现轴向定位；左支撑21通过螺栓与下连接板12固连，并开有轴承孔；左轴承盖板22通过螺栓与左支撑21固连；垂直锥齿轮23通过键与中间支撑轴24连接；中间支撑轴24通过中间支撑轴轴承26支撑在左支撑21上，可以做相对转动；中间支撑轴轴承26通过螺栓固定在左支撑21，并对中间支撑轴轴承26进行轴向定位；中间支撑轴轴承26的内圈与中间支撑轴24配合，外圈与左支撑21配合；过渡齿轮27通过键与中间支撑轴24连接；回转蜗轮安装座28通过螺栓与下连接板12固连，并通过回转用轴承7支撑在固定轴6上，可绕固定轴6作相对转动；左侧电机安装板29通过螺栓与安装底板1固连，并开有用于支撑蜗杆的轴承孔；蜗杆轴承盖板30通过螺栓固定在左侧蜗杆安装板29上；右侧电机安装板31通过螺栓固定于安装底板1上；回转电机32通过螺栓固连于右侧电机安装板31，电机转轴通过键与回转蜗杆37连接；驱动电机33通过螺栓固连于右侧电机安装板31，电机转轴通过键与主动齿轮34连接；主动齿轮34通过键连接于驱动电机的输出轴，并与被动齿轮35啮合；被动齿轮35通过键连接与驱动蜗杆36，并与主动齿轮34啮合；驱动蜗杆36通过轴承支撑在左侧蜗杆安装板29和右侧电机安装板31，可以做相对转动；转向蜗杆37通过轴承支撑在左侧蜗杆安装板29和右侧电机安装板31，可以做相对转动.

动作流程：当回转电机32不工作，由于蜗轮蜗杆的自锁作用，回转蜗轮安装座28和下连接板12将固定不动，即支撑车轮的框架是不动的。在此情况下驱动电机33动作，其输出轴带动驱动蜗杆36旋转，通过与驱动蜗轮5的啮合，将运动传递至传动轴4，带动水平锥齿轮13运动，通过锥齿轮副的啮合将运动传递至中间支撑轴24，通过键将运动传递至过渡齿轮27，通过齿轮副的啮合，将运动传递至驱动齿轮19，进而驱动车轮轴18，最终驱动车轮17。通过改变驱动电机的转向，可以实现车轮的正向转动和反向转动。

当驱动电机33不工作，由于蜗轮蜗杆的自锁作用，水平锥齿轮13将静止不动。在此情况下，转向电机33动作，其输出轴带动转向蜗杆37旋转，通过蜗轮副啮合，带动回转蜗轮9旋转，进而带动支撑在固定轴6上的回转蜗轮安装座28回转，从而带动下连接板12绕固定轴6的轴线回转，实现车轮绕固定轴6轴线的转向，在结构设计中保证固定轴6的轴线位于车轮的中心平面内，回转力臂为零，因此车轮回转时摩擦阻力矩为零。由于垂直锥齿轮23与水平锥齿轮13的啮合，车轮在回转时，垂直锥齿轮23存在绕中间支撑轴24轴线的自转和绕固定轴6轴线的公转，自转的存在会使得车轮前后运动。

为实现车轮的原地回转，必须施加一个反向的运动，使得由驱动电机33工作所产生的车轮运动刚好与由回转运动所产生的自转而形成的车轮驱动相抵消。当然，通过驱动电机和回转电机运动速度的不同组合，可以实现车轮在平面上沿任意轨迹的驱动和转动，从而实现由一个或多个该机构组成的运动平台，实现平面上的全方位运动，即x、y向的平动，z向的转动。

Claims (4)

1.一种差动式全方位车轮装置，包括一个车轮(17)、一个安装底板(1)、以及与安装底板固定连接的一个驱动电机(33)和一个回转电机(32)，其特征在于所述的车轮(17)安装在一个回转体(38)上，所述的回转电机(32)通过回转传动机构驱动所述回转体(38)转动，所述的驱动电机(33)通过驱动传动机构驱动所述的车轮(17)转动，实现车轮(17)转向和驱动组合，达到全方位驱动。

2.根据权利要求1所述的差动式全方位车轮装置，其特征在于所述的车轮(17)安装在回转体(38)上的结构是：由一块下连接板(12)固定连接一块左支撑(21)和一块右支撑(14)构成叉形转向体(38)，在左支撑(21)和右支撑(14)的下部各安装一个车轮轴轴承(20)，所述车轮(17)通过键安装在一根车轮轴(18)而由所述两个车轮轴轴承(20)支承。

3.根据权利要求2所述的差动式全方位车轮装置，其特征在于所述回转传动机构是：所述回转电机(32)的输出轴连接一根回转蜗杆(37)，该回转蜗杆(37)与一个回转蜗轮(9)啮合，回转蜗轮(9)固定安装在一个回转蜗轮安装架(28)上，该回转蜗轮安装架的下端与所述回转体(38)的下连接板(12)固定连接；所述回转蜗轮安装架(28)的内腔，通过两个转向用轴承(7)支承于一根固定轴(6)上，并由一个推力轴承(8)实现垂直方向的轴向支承，所述固定轴(6)与所述安装底板(1)固定连接。

4.根据权利要求3所述的差动式全方位车轮装置，其特征在于所述驱动传动机构是：所述驱动电机(33)的输出轴连接一个主动齿轮(34)，主动齿轮(34)与一个传动齿轮(35)啮合，传动齿轮(35)与一根驱动蜗杆(36)同轴安装，驱动蜗杆(36)与一个驱动蜗轮(5)啮合，驱动蜗轮(5)通过键安装在一根传动轴(4)上，传动轴(4)通过两个驱动用轴承(2)插装在所述固定轴(6)的中心孔中，而下端伸出固定轴(6)而处在所述回转体(38)的下连接板(12)下面的轴端固定安装一个水平锥齿轮(13)，水平锥齿轮(13)与一个安装在左支撑(21)内侧的垂直锥齿轮(23)啮合，一个过渡齿轮(27)与垂直锥齿轮(23)同轴安装，过渡齿轮(27)与一个驱动齿轮(19)啮合，驱动齿轮(19)固定安装在所述车轮轴(18)上。

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