基于人工势场的球形全向车轮机构的制作方法

本发明涉及轮式道路行走机构，具体为一种基于人工势场的球形全向车轮机构。

背景技术：

四轮汽车是人们日常生活广泛使用的交通工具，车轮车体支撑和驱动是其基本单元。

目前，常见的车轮往往只能绕与车轮平面垂直的转轴回转，因此汽车通常不能实现横移，这容易限制汽车停车入库和快速避险的灵活性。

最近，英国发明家马修利迪亚德(matthewliddiard)设计了一种可横向驱动的全向轮机构并将其应用在汽车车轮，称为liddiardwheel。这种全向车轮运动时可以沿着车体行进的方向横向滚动，从而使汽车能够流畅地从左边(右边)横向移动到右边(左边)。该机构的设计原理是在轮毂中间装有可以驱动的节轮，节轮的转轴平行于车轮平面。

目前，这种车轮已有物理样件装在试验的乘用小汽车上，取得了一定的效果。然而，liddiardwheel的驱动节轮与车胎需要压紧接触，并且两者通过摩擦来传递动力，而车胎则与路面直接接触，这样可能会因为外界的泥水沙尘等导致节轮和轮胎之间出现打滑的现象，从而影响动力传递的效果；另外，轮胎外层处于拉伸状态而内层处于挤压状态，这样当轮胎横向滚动时会反复拉伸，长时间运行时可能会导致轮胎过度疲劳，从而降低使用寿命。

全向球形机器人是一种能够实现全方位运动的机构，可以为汽车车轮设计提供思路。比如，申请号为cn201620109635.x的实用新型提出了一种《摩擦式内驱动全方位球形机器人机构》，该机构由内外两个球壳构成，其中，内部小球采用偏心设计并装有带驱动的全向轮，全向轮与外球壳内壁接触，通过摩擦驱动其全方位运动；另外，内球壳在重力势场下保持小角度范围的稳定。然而，当该机构作为车轮在高速、重载下工作时，根据相对运动原理，由于重力产生的恢复力矩有限，内部偏心小球容易发生高速的周转，从而造成小球晃动及系统不稳定现象，因此其作为车轮应用尚存在一些问题。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出了一种保证系统稳定运行的基于人工势场的球形全向车轮机构。

能够解决上述技术问题的基于人工势场的球形全向车轮机构，其技术方案包括同球心的内、外球壳以及基于内球壳设于外球壳内的外球壳驱动组件，所不同的是所述外球壳驱动组件包括于内、外球壳下部之间圆周均布的三个单排全向轮，三个单排全向轮的回转中心线斜向下方相交于一点且该交点处于过球心的垂直线上，各单排全向轮通过对应轮架安装于内球壳对应位置上，各轮架与内球壳之间设有弹性元件将对应单排全向轮抵压预紧在外球壳的内壳面上，各轮架上设有驱动对应单排全向轮的行走电机；所述内球壳安装于隔磁板底部，所述隔磁板上设有上拱的同球心鼓形架，所述鼓形架通过其上均布的牛眼轮与外球壳的上半内壳面滚动连接，鼓形架内的隔磁板顶部通过电磁铁支架安装球内电磁铁；所述外球壳通过车轮架安装于汽车底盘上，所述汽车底盘与外球壳之间的车轮架内设有与球内电磁铁对位的球外电磁铁，所述球外电磁铁与球内电磁铁相对的极端异极相吸。

上述结构中，球内电磁铁和球外电磁铁构成的人工势场可产生与重力势场等效的恢复力矩，起到加强重力势场和增强内球壳恢复力矩的作用；当各单排全向轮正常工作时，在恢复力矩的作用下，可有效地避免内部发生周转现象，从而保证内部系统的稳定性。

所述车轮架的一种结构包括上部的笼形架体和下部的环形架体，所述环形架体环绕在外球壳的球径处并通过其上圆周均布的牛眼轮与外球壳滚动连接，所述笼形架体的上部内通过牛眼轮架安装有牛眼轮，水平圆周均布的牛眼轮与外球壳的上部滚动连接。

为使球内电磁铁更靠近球外电磁铁，所述鼓形架顶部开设有使球内电磁铁顶部露出的开口。

常规上，所述鼓形架上的牛眼轮设置为三个，三个牛眼轮的位置对称于三个单排全向轮与外球壳的内壳面抵触的位置。

本发明的有益效果：

1、本发明基于人工势场的球形全向车轮机构的结构中，由电磁铁系统产生的人工势场可加强重力势场，从而增强恢复力矩，进而使得球形全向车轮机构的内部系统更加稳定(可避免三个单排全向轮随内球壳发生周转运动)，可人为改变人工势场的相关参数来增强恢复力矩。

2、本发明结构中，内部系统组成的综合体质心位于球形全向车轮机构的下部，这种质心偏置的结构以及在恢复力矩的作用下可使内部系统保持基本稳定，从而避免了内部系统发生周转现象带来的不利影响。

3、本发明结构中，三个单排全向轮经过电机驱动产生三个不同方向的速度矢量，这三个不同方向的速度矢量可合成空间中任意方向的速度矢量，从而实现外球壳的全方位运动。

4、本发明结构中，外球壳将内部系统封闭在其中，从而防止了外界环境对内部传动的不利影响。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的结构示意图。

图2为图1实施方式中下半球系统的结构示意图。

图3为图1实施方式中上半球系统的结构示意图。

图4(a)为图1中的a—a剖视图。

图4(b)图3中球内电磁铁的装配示意图。

图号标识：1、内球壳；2、外球壳；3、单排全向轮；4、轮架；5、弹性元件；6、行走电机；7、隔磁板；8、电磁铁支架；9、球内电磁铁；10、鼓形架；11、牛眼轮；12、车轮架；12-1、笼形架体；12-2环形架体；13、汽车底盘；14、球外电磁铁；15、牛眼轮架。

具体实施方式

下面结合附图所示实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明基于人工势场的球形全向车轮机构，其结构包括外球壳2，所述外球壳2通过车轮架12安装于汽车底盘13底部，外球壳2内部设有同球心的内球壳1，所述内球壳1上设有驱动外球壳2转动的外球壳驱动组件，如图1所示。

所述车轮架12包括上部的笼形架体12-1(下部大而上部小)和下部的环形架体12-2，所述环形架体12-2环绕在外球壳2的球径处并通过其上圆周均布的牛眼轮11与外球壳2滚动连接，所述笼形架体(12-1)的上部内通过斜向内下方的牛眼轮架15安装有牛眼轮11，各牛眼轮11水平圆周均布且与外球壳2的上部滚动连接，笼形架体12-1的上部内还设有安装于笼形架体12-1顶部的球外电磁铁14，所述球外电磁铁14下极端处于圆周均布的牛眼轮11之间且与外球壳2的顶部保持有间隔，如图2、图3所示。

所述外球壳驱动组件包括于内、外球壳1、2下部之间圆周均布的三个单排全向轮3，三个单排全向轮3的回转中心线斜向下方相交于一点且该交点处于过球心的垂直线上，各单排全向轮3通过对应轮架4安装于内球壳1下部的对应位置上，各轮架4与内球壳1之间设有弹性元件5将对应单排全向轮3抵压预紧在外球壳2的内壳面上，各轮架4上安装有驱动对应单排全向轮3的行走电机6；所述内球壳1安装于外球壳2上部内的隔磁板7底部，所述隔磁板7上设有上拱的同球心鼓形架10，所述鼓形架10通过其上的三个牛眼轮11(位置分别对称于三个单排全向轮3与外球壳2的内壳面抵触的位置)与外球壳2的上半内壳面滚动连接，鼓形架10内的隔磁板7顶部通过电磁铁支架8安装球内电磁铁9，所述球内电磁铁9的上极端通过鼓形架10顶部的开口伸出在外球壳2并与球外电磁铁14的下极端相对且异性相吸，如图1、图2、图3、图4(a)、图4(b)所示。

本发明的工作原理为：

1、内球系统(包括内球壳1、三个单排全向轮3和球内电磁铁9及其相关零部件)采用偏心结构，当三个单排全向轮3不工作时，内球系统的偏心与球形全向车轮的质心处于同一条铅垂直线上；内球系统在三个单排全向轮3的转动作用下也会一起运动，此时内球系统的偏心与球形全向球轮的质心就不在一条铅垂直线上，这样将会导致内部系统发生周转现象。

由电磁铁系统(球外电磁铁14和球内电磁铁9)产生的人工势场可加强重力势场，从而增强恢复力矩，进而使得内部系统更加稳定且避免了内部系统周转的现象；其中电磁力可通过改变电磁铁通电线圈中的电流、通电线圈的匝数等参数进行人为控制，进而可人为控制恢复力矩。

2、即使在不工作的状态下，弹性元件5也将对应单排全向轮3压紧在外球壳2的内壳面上，同时，三个运转的单排全向轮3产生三个不同方向的速度矢量，这三个不同方向的速度矢量合成空间中任意方向的速度矢量，从而实现外球壳2的全方位运动。