专利名称：全方位车轮系统及其操作方法
技术领域：
本发明涉及全方位车轮(omni traction wheel)系统。更具体地,本发明涉及采用一体化差速机构的全方位车轮系统。
背景技术：
全方位车轮也被称为全方向车轮，是一种滚动装置，包括主车轮和沿着主车轮的边缘分布的一组周边车轮。主车轮可以向前和向后旋转，同时该组周边车轮可以左右旋转。这样，采用该全方位车轮的运输系统可以在主车轮实际上不转向的情况下侧向地或斜向地行进。与其它车轮系统不同，全方位车轮系统提供极好的可操纵性，原因是其能够在较短的时间段内且在较小的空间内改变行进方向。由于其高可操纵性，全方位车轮系统广泛用于低速运输系统领域，例如电子车轮座椅系统和机器人系统。在过去已经尝试通过对每个周边车轮单独地供电和控制来实施全方位车轮系统。然而，这样的实施需要大量的电子部件、传动齿轮和旋转装置。因此，传统的全方位车轮系统存在许多缺陷，例如尺寸大、重量重和功率消耗大。因此，本领域中需要尺寸较小、重量较轻且功率消耗较小的全方位车轮系统。
发明内容
本发明的一个方面在于，通过采用一体化差速机构来改进传统的全方位车轮系统，该一体化差速机构沿纵向方向和侧向方向两者驱动全方位车轮。一体化差速机构的优点包括但不限于，减少了电子部件、旋转装置和传动齿轮的量，并且通过沿纵向方向和侧向方向的直接牵引产生整体推力。全方位车轮系统可以包括:一对纵向齿轮；旋转装置，其用于使每个纵向齿轮独立地和单独地旋转；多个周边车轮组件，每个都具有车轮构件和连接齿轮，该连接齿轮用于将该对纵向齿轮之间的差速推力传递到车轮构件。
在一个实施例中，本发明为全方位车轮，其可以包括:沿着第一轴线中心地对准的第一和第二齿轮；多个周边车轮组件，每个周边车轮组件都具有车轮构件和连接齿轮，该车轮构件沿着第二轴线中心地对准，该第二轴线基本垂直于第一轴线，该连接齿轮具有用于接合第一和第二齿轮的远侧端部以及用于接合该对车轮的近侧端部，远侧端部和近侧端部限定了径向轴线，径向轴线基本上平行于左齿轮和右齿轮的共同半径并且基本上垂直于第一轴线和第二轴线；以及旋转装置，该旋转装置用于使第一齿轮绕第一轴线以第一角速度旋转并且用于使第二齿轮绕第一轴线以第二角速度旋转，由此每个周边车轮组件的连接齿轮被构造为当第一角速度与第二角速度不同时使该周边车轮组件的相应的车轮构件绕相应的第二轴线旋转。在另一个实施例中，本发明为采用全方位车轮的运输系统，其可以包括:沿着第一轴线中心地对准的左齿轮和右齿轮，左齿轮和右齿轮之间限定了圆柱形空间，该圆柱形空间具有周向区域；沿着圆柱形空间的周向区域分布的多个周边车轮组件，每个周边车轮组件都具有连接齿轮和一对车轮，该对车轮沿着第二轴线中心地对准，该第二轴线基本垂直于第一轴线，该连接齿轮具有用于接合左齿轮和右齿轮的远侧端部以及用于接合该对车轮的近侧端部，远侧端部和近侧端部限定了径向轴线，径向轴线基本上平行于左齿轮和右齿轮的共同半径并且基本上垂直于第一轴线和第二轴线；以及旋转装置，该旋转装置用于使左齿轮绕第一轴线以左角速度旋转并且用于使右齿轮绕第一轴线以右角速度旋转，由此每个周边车轮组件的连接齿轮被构造为使该周边车轮组件的相应的一对车轮绕相应的第二轴线以由左角速度和右角速度之间的差限定的侧向角速度旋转，并且由此每个周边车轮组件的连接齿轮被构造为沿着周向区域以由左角速度和右角速度的组合限定的共同角速度。在另一个实施例中，本发明为用于操作全方位车轮的方法，其可以包括以下步骤经由多个连接齿轮将多个周边车轮接合到第一和第二齿轮；使第一齿轮以第一角速度旋转；以及使第二齿轮以第二角速度旋转，其中当第一角速度与第二角速度不同以使得连接齿轮被构造为使周边车轮旋转时该全方位车轮沿侧向行进。在另一个实施例中，本发明为全方位车轮，其可以包括沿着第一轴线中心地对准的第一和第二板；多个周边车轮组件，每个周边车轮组件都具有车轮构件和连接构件，该车轮构件沿着第二轴线中心地对准，该第二轴线基本垂直于第一轴线，该连接构件具有用于接合第一和第二板的远侧端部以及用于接合车轮构件的近侧端部，远侧端部和近侧端部限定了径向轴线，径向轴线基本上平行于左板和右板的共同半径并且基本上垂直于第一轴线和第二轴线；以及旋转装置，该旋转装置用于使第一板绕第一轴线以第一角速度旋转并且用于使第二板绕第一轴线以第二角速度旋转，由此每个周边车轮组件的连接构件被构造为当第一角速度与第二角速度不同时使该周边车轮组件的相应的车轮构件绕相应的第二轴线旋转。
在审查以下的附图和详细说明的情况下，本发明的其它系统、方法、特征和优点对于本领域技术人员而言将会是或变得清楚。期望的是，所有这些额外的系统、方法、特征和优点包含在该说明内，处于本发明的范围内，并且由所附的权利要求保护。附图中所示的组成部分不必按比例绘制，并且可能被夸大以更好地示出本发明的重要特征。在附图中，在全部不同的视图中，相同的附图标记表示相同的部分，其中图1A示出了根据本发明实施例的全方位车轮系统(OTWS)的透视图；图1B示出了根据本发明实施例的OTWS的分解图；图2示出了根据本发明实施例的OTWS的侧视图；图3A、3B和3C示出了根据本发明各种实施例的分别具有三个周边车轮组件(PM)、四个PWA和八个PWA的OTWS的侧视图；图4A示出了根据本发明实施例的OTWS的横截面侧视图；图4B示出了根据本发明实施例的PWA的横截面图；图5示出了根据本发明各种实施例的具有若干齿轮构造的OTWS的横截面前视图；图6示出了根据本发明各种实施例的外齿轮和锥形齿轮的示例性模型；图7示出了根据本发明各种实施例的正齿轮、螺旋齿轮和双螺旋齿轮的示例性模型；
图8A示出了根据本发明实施例的OTWS差速机构的高水平的概念视图；图8A和8B示出了根据本发明各种实施例的OTWS的若干部件的角速度；图9示出了根据本发明实施例的OTWS的共同模式操作；图10示出了根据本发明实施例的OTWS的差速模式操作；图11示出了根据本发明实施例的OTWS的向前差速模式操作；图12示出了根据本发明实施例的OTWS的向后差速模式操作；图13示出了根据本发明各种实施例的OTWS相对于差速角速度和共同角速度的各种组合的全部行进方向；图14示出了根据本发明实施例的具有摩擦控制的OTWS的横截面侧视图；以及图15示出了根据本发明实施例的用于操作全方位车轮系统的方法的步骤的流程图。
具体实施例方式现在将参考附图描述实施本发明各种特征的实施例的设备、系统和方法。附图和相关的说明用来图示说明本发明的某些实施例，而并非用来限制本发明的范围。在全部附图中，附图标记重复用来表示所参考的元件之间的对应关系。此外，每个附图标记的第一个数字表示该元件第一次出现的图。图1A示出了根据本发明实施例的示例性全方位车轮系统(OTWS) 100的透视图。通常，0TWS100可以包括由一对保护板102限定的一对主车轮以及位于保护板102的边沿之间的多个周边车轮组件(PWA) 106。此外，OTffSlOO可以联接到腿部120，该腿部将0TWS100结合到可以采用一个或多个0TWS100的运输系统。例如，运输系统可以是采用四个0TWS100的轮式座椅、采用三个0TWS100的移动机器人或者采用一个0TWS100的独轮车。图1B示出了根据本发明实施例的0TWS100的分解图。更具体地，0TWS100还可以具有由保护板102保护的一对纵向齿轮108、用于使纵向齿轮108旋转的一对旋转装置104、为0TWS100提供结构支撑的间隔构件110。图2示出了根据本发明实施例的全方位车轮系统200的侧视图。0TWS200与图1A的0TWS100类似，可以包括两个纵向齿轮202，每个纵向齿轮都具有沿着周向区域204的一组齿。两个纵向齿轮202通常具有共同纵向半径R，使得他们的表面积基本上相同。此外，因为两个纵向齿轮202具有共同纵向半径R，所以两个纵向齿轮202的周向区域204可以具有相同的形状，从而保持相同数量的齿。如图2所示，0TWS200也可以包括多个周边车轮组件210。根据本发明实施例，每个PWA210都可以具有连接齿轮211和车轮构件212。PWA210可以绕两个纵向齿轮202分布。更具体地，每个PWA210的连接齿轮211可以设置在两个纵向齿轮202的周向区域204之间，而每个PWA210的车轮构件212可以沿着外部区域206设置。外部区域206的宽度由车轮构件212的侧向半径r限定。因此，主车轮208具有纵向半径ROTe。根据本发明实施例，纵向半径Rmc可以在从大约IOcm到大约40cm的范围内。更具体地，纵向半径Rmc可以为15cm。根据本发明实施例，侧向半径r可以在从大约2cm到大约8cm的范围内。更具体地，侧向半径r可以为3cm。因此，纵向半径Rmc和侧向半径r之间的周向比可以在从I到20的范围内。更具体地，纵向半径Rffle和侧向半径r之间的周向比可以为大约5。尽管图2示出了 0TWS200具有十二个PWA210，但是根据本发明的各种实施例，0TWS200也可以具有不同数量的PWA。例如，图3A示出了 0TWS200可以具有三个PWA302 ;图3B示出了 0TWS200可以具有四个PWA303 ;图3C示出了 0TWS200可以具有八个PWA304。为了方便主车轮更加平滑的旋转，可以增加额外的一组周边组件。例如，如示意图312所示，根据本发明实施例，额外的一组三个额外的PWA302添加到0TWS200。对于另一个例子，如示意图313所示，根据本发明另一个实施例，额外的一组四个额外的PWA303添加到0TWS200。现在讨论0TWS200的内部结构。在示出了 0TWS200的横截面侧视图的图4A中，为了清楚起见，仅仅示出了一个纵向齿轮402。根据本发明实施例，0TWS200可以具有设置在两个纵向齿轮402之间的间隔构件401。通常，间隔构件401可以具有中心轴405和两个平行盘403，使得中心轴405垂直于两个平行盘403。间隔构件401可以操作地联接到两个纵向齿轮402，以帮助提供用于0TWS200的结构支撑。一方面，通过防止两个纵向齿轮402之间的任何显著位移，两个平行盘403与中心轴405 —起将两个纵向齿轮402保持就位。另一方面，平行盘403允许纵向齿轮402绕中心轴405自由旋转。更具体地，即使在两个纵向齿轮402均操作地联接到间隔构件401的情况下，两个纵向齿轮402也可以独立地旋转，而不互相干涉。因此，根据本发明实施例，一个纵向齿轮402的角速度应当不会影响另一个纵向齿轮402的角速度。尽管间隔构件401为纵向齿轮402提供结构支撑，但是其可以或可以不与纵向齿轮402 —起旋转。例如，如果间隔构件401联接使纵向齿轮402旋转的旋转装置(未示出)，那么有可能间隔构件401将相对于两个纵向齿轮402保持角度静止；否则，间隔构件401可以与纵向齿轮402 —起旋转。参见图4A，0TWS200可以具有绕纵向齿轮402分布的若干PWA。为了简明起见，图4A仅仅示出了 PWA410和460。然而，应当理解，根据本发明的各种实施例，0TWS200可以包括不止两个PWA。通常，每个PWA都可以具有连接齿轮420和车轮构件，该车轮构件可以包括第一车轮430和可选的第二车轮440。例如，PWA410和PWA460在结构上彼此类似，不同的是PWA410的车轮构件具有第一车轮430和可选的第二车轮440，而PWA460的车轮构件仅仅具有第一车轮430。在实施过程中，0TWS200可以采用PWA410或PWA460，或者0TWS200可以采用PWA410和460两者。参见图4B，其示出了 PWA410和460的横截面图，第一车轮430可以具有由半径r限定的周向部432。第一车轮430可以经由接收齿轮434与连接齿轮420接合，使得当连接齿轮420旋转时，第一车轮430可以绕周边轴436旋转。每个PWA410或460的连接齿轮420可以具有远侧端部422和近侧端部424。远侧端部422应当沿着两个纵向齿轮402的周向区域404与这两个纵向齿轮402接合并且被夹在这两个纵向齿轮402之间，并且近侧端部424应当经由第一车轮430的接收齿轮434与第一车轮430接合。因此，从高水平创新性观点看，连接齿轮420可以起到两个功能。第一，连接齿轮420可以将两个纵向齿轮402之间的差速角速度传递到相应的第一车轮430，从而使得该相应的第一车轮430相对于纵向齿轮402的旋转垂直地旋转。第二，连接齿轮420可以通过接收两个纵向齿轮402的共同角速度而绕中心轴405旋转，使得整个PWA410和460也可以绕中心轴405旋转。
根据本发明的实施例，远侧端部422可以经由径向轴426联接到近侧端部424，该径向轴426基本上平行于两个纵向齿轮402的共同半径R。径向轴426可以具有延伸的区段451，以用于将整个PWA410或460联接到间隔构件401的中心轴405。或者，PWA410或460可以经由支撑构件450联接到间隔构件401或一对保护板408。支撑构件450可以具有稳定器455，用于稳定径向轴426的定位，从而确保接收齿轮434正确地接合到连接齿轮420的近侧端部424。再次参见图4A，0TWS200可以具有保护板406，以用于保护旋转装置、纵向齿轮402以及PWA410和460。具体地，保护板406可以具有外部区域408，以用于保护PWA410和460。根据本发明实施例，保护板406可以经由中心轴405联接到间隔构件401，该中心轴405穿过两个纵向齿轮402的中心。或者，根据本发明的另一个实施例，保护板406可以联接到两个纵向齿轮402。尽管图4A仅仅示出了 0TWS200的一种齿轮构造，但是根据本发明的各种实施例，0TWS200可以具有其它齿轮构造。例如，图5示出了具有若干齿轮构造510、520和530的0TWS200的横截面前视图。为了简明起见，在每个齿轮构造中仅仅示出顶部和底部PWA550。然而，应当理解，在每个齿轮构造中可以包括若干更多的PWA，并且PWA550与相对于图4A和4B讨论的PWA410和460类似。更具体地，PWA550可以包括具有接收齿轮553和周边轴551的第一车轮以及具有远侧端部554和近侧端部552的连接齿轮。根据本发明实施例，齿轮构造510可以采用一对外齿轮513作为纵向齿轮402。外齿轮513可以具有一组直切齿、螺旋齿或双螺旋齿。连接齿轮的远侧端部554可以是锥形齿轮，其具有一组与外齿轮513匹配的齿。相似地，连接齿轮的近侧端部552可以为锥形齿轮，其具有一组与接收齿轮553匹配的齿，接收齿轮553可以是正齿轮、螺旋齿轮或双螺旋齿轮。齿轮构造510还可以包括间隔构件511以及两个旋转装置514和515。间隔构件511可以具有从外侧固定外齿轮513的一对盘512以及穿过外齿轮513的中心的中心轴516。旋转装置514和515可以联接到中心轴516，使得旋转装置514和515可以使每个外齿轮513独立地和单独地绕中心轴516旋转。尽管齿轮构造510采用两个旋转装置，但是一个旋转装置可能就足够了，只要其能够使每个外齿轮513独立地和单独地旋转。根据本发明另一个实施例，齿轮构造520可以采用一对外齿轮523作为纵向齿轮402。外齿轮523可以具有一组直切齿、螺旋齿或双螺旋齿。连接齿轮的远侧端部554可以是锥形齿轮，其具有一组与外齿轮523匹配的齿。相似地，连接齿轮的近侧端部552可以为锥形齿轮，其具有一组与接收齿轮553匹配的齿，接收齿轮553可以是正齿轮、螺旋齿轮或双螺旋齿轮。齿轮构造520还可以包括间隔构件521以及两个旋转装置524和525。间隔构件521可以具有从内侧固定外齿轮523的一对盘522以及穿过外齿轮523的中心的中心轴526。旋转装置524和525可以联接到中心轴526的两个端部，使得旋转装置524和525可以使每个外齿轮523独立地和单独地绕中心轴526旋转。尽管齿轮构造520采用两个旋转装置，但是一个旋转装置可能就足够了，只要其能够使每个外齿轮523独立地和单独地旋转。根据本发明另一个实施例，齿轮构造530可以米用一对修改的外齿轮533作为纵向齿轮402。修改的外齿轮533可以具有一组直切齿、螺旋齿或双螺旋齿。连接齿轮的远侧端部554可以是锥形齿轮，其具有一组与修改的外齿轮533匹配的齿。相似地，连接齿轮的近侧端部552可以为锥形齿轮，其具有一组与接收齿轮553匹配的齿，接收齿轮553可以是正齿轮、螺旋齿轮或双螺旋齿轮。齿轮构造530还可以包括间隔构件531以及两个旋转装置534和535。间隔构件531可以具有嵌入在修改的外齿轮533中间的一对内部盘532以及联接在内部盘532之间的中心轴536。旋转装置534和535可以设置在中心轴536内，以用于使该一对内部盘532独立地和单独地旋转。因此，该一对修改的外齿轮533由于联接到内部盘532而可以独立地和单独地旋转。尽管齿轮构造530采用两个旋转装置，但是一个旋转装置可能就足够了，只要其能够使每个修改的外齿轮533独立地和单独地旋转。应当理解，每个齿轮构造的各部件可以是可互换的。在本发明的实施例中，间隔构件511可以用于齿轮构造520。在本发明的另一个实施例中，具有嵌入旋转装置534和535的中心轴536可以用于齿轮构造510。在本发明的另一个实施例中，夕卜齿轮523可以用于齿轮构造530。为了进行示意性的说明，图6和7提供为示出本文所讨论的若干齿轮的示例性模型。例如，图6示出了外齿轮和锥形齿轮的示例性模型。对于另一个例子，图7示出了正齿轮、螺旋齿轮和双螺旋齿轮的示例性模型。应当理解，纵向齿轮、连接齿轮和接收齿轮可以采取其它可选的形式，只要它们的组合符合一般的机械原理。现在讨论OTWS的物理现象。在示出了根据本发明实施例的OTWS的高水平概念视图的图8A中，该一对纵向齿轮可以由左齿轮(或可互换地为第一齿轮)802和右齿轮(可互换地为第二齿轮)804表示。尽管术语“左”和“右”在说明书的剩余部分中一致地使用，但是要强调的是，它们是可互换的，并且是相对限定的，从而它们不应当被认为是绝对意义上的。左齿轮802和右齿轮804平行于第一平面Sx且垂直于第一轴线(可互换地为纵向轴线)Αχ。左角速度和右角速度Va和Vxr分别表示左齿轮和右齿轮802和804的角速度。左角速度和右角速度Va和Vxr是沿顺时针方向绕第一轴线Ax以每秒弧度数测量的。当左角速度和右角速度Va和Vxk为正，意味着左齿轮和右齿轮802和804沿顺时针方向旋转时，0TWS800以正纵向速度Vffle向前行进。当左角速度和右角速度Va和Vxk为负，意味着左齿轮和右齿轮802和804沿逆时针方向旋转时，0TWS800以负纵向速度VOTe向后行进。如本文所限定，术语“纵向”与向前和向后方向相关，而术语“侧向”与左和右方向相关。尽管术语“向前”和“向后”在说明书的剩余部分中一致地使用，但是要强调的是，它们是可互换的，并且是相对限定的，从而它们不应当被认为是绝对意义上的。左齿轮和右齿轮802和804之间限定了圆柱形空间806，并且圆柱形空间806具有周向区域808。根据本发明实施例，每个PWA810的连接齿轮820的远侧端部822可以沿着周向区域808分布，使得连接齿轮820可以绕径向轴线Ay旋转，该径向轴线Ay基本上平行于圆柱形空间806的半径。因此，每个PWA810的径向轴线Ay应当基本上垂直于第一轴线Ax，并且每个PWA810的径向平面Sy应当基本上平行于圆柱形空间806的侧表面。在本发明的实施例中，连接齿轮820的远侧端部822接合在左齿轮和右齿轮802和804两者之间。因此，连接齿轮820的角速度Vy为左齿轮和右齿轮802和804之间的差速角速度Vdiff的函数。更具体地，差速角速度Vdiff限定为Va-VXK。例如，如果Kxy表示纵向齿轮802和连接齿轮820之间的齿轮比，那么角速度Vy等于KxyX (Vdiff)。在该差速机构，连接齿轮820可以(I)当左角速度Va大于右角速度Vxk (即差速角速度Vdiff大于O)时绕径向轴线Ay以正角速度Vy顺时针旋转；(2)当左角速度Va小于右角速度Vxr (即差速角速度Vdiff小于O)时绕径向轴线Ay以负角速度Vy逆时针旋转；以及(3)当左角速度Va与右角速度Vxk基本上相同(即左角速度和右角速度Va和Vxr沿相同的方向且为相同的大小)时保持角度静止(即不旋转)。参见图8A，PWA810沿着与第一平面Sx平行且定位在圆柱形空间806中间的平面是对称的。第一车轮的接收齿轮830与连接齿轮820的近侧端部824接合，使得当连接齿轮820时，第一车轮可以绕第二轴线(可互换地为周边轴线)Az旋转。因为近侧端部824具有与远侧端部822相同的角速度，所以第一车轮的角速度Vz为远侧端部822的角速度Vy的函数，其最终取决于左角速度和右角速度Va和Vxk之间的差速角速度Vdiff。更具体地,如果Kyz表示连接齿轮820和接收齿轮830之间的齿轮比，那么角速度Vz等于Kyz X Vy,其最终等于 KyzXKxyX (Vdiff)0根据本发明实施例,左角速度和右角速度Va和Vxk可以在从大约每秒O弧度到大约每秒正或负20弧度的范围内。更具体地，左角速度和右角速度Vxl和Vxk可以为大约每秒正或负8弧度。根据本发明实施例，纵向齿轮802和804的半径可以为大约8cm，连接齿轮420的半径可以为大约O. 5cm，接收齿轮830的半径可以为大约2. 5cm。因此，齿轮比Kxy可以为大约16，且齿轮比Kyz可以为大约O. 2。例如，第一车轮可以(1)当左角速度Va大于右角速度Vxk (即差速角速度Vdiff大于O)时绕第二轴线Az以正角速度Vz顺时针旋转；(2)当左角速度Va小于右角速度Vxk(即差速角速度Vdiff小于O)时绕径向轴线Az以负角速度Vz逆时针旋转；以及(3)当左角速度与右角速度Vxk基本上相同时保持角度静止。为了清楚起见，图8B概述了当左角速度Va小于右角速度Vxk (即差速角速度Vdiff〈0)时角速度Vy和Vz的旋转方向；图8C概述了当左角速度Va大于右角速度Vxk (即差速角速度Vdiff>0)时角速度Vy和Vz的旋转方向。当第一车轮以正角速度Vz旋转时，0TWS800可以以等于VzXr的正侧向速度Vlat沿侧向向左行进。反之，当第一车轮以负角速度Vz旋转时，0TWS800可以以等于VzXr的负侧向速度Vut沿侧向向右行进。此外，如果左角速度Vxl没有基本上抵消右角速度VXK，那么整个PWA810可以通过沿着周向区域808以共同角速度Vram行进而绕第一轴线Ax旋转。现在讨论OTWS的若干操作模式。图9证实了根据本发明实施例的0TWS800的共同模式操作。在该共同模式操作下，左齿轮和右齿轮802和804总是以共同角速度VcoJM转，意味着左齿轮802具有与右齿轮802相同的角速度和相同的旋转方向。如示意图901和903所示，左齿轮和右齿轮802和804均可以同时以相同的角速度顺时针或逆时针旋转。因此，PWA810可以以共同角速度Vram绕第一轴线Ax旋转。例如，示意图901中的PWA810可以绕第一轴线Ax以小于O的负共同角速度V·旋转。因此，0TWS800可以以负纵向速度Vffle向后行进。对于另一个例子，示意图901中的PWA810可以绕第一轴线Ax以大于O的正共同角速度V·旋转。因此，0TWS800可以以正纵向速度Vmc向前行进。参见示出了示意图901的横截面后视图的示意图902，左角速度VXl产生左推力Txl,以引导连接齿轮820的远侧端部822绕径向轴线Ay逆时针旋转，而右角速度Vxk产生右推力τχκ，以引导连接齿轮820的远侧端部822绕径向轴线Ay顺时针旋转。然而，因为左角速度Va基本上等于右角速度VXK，所以左推力Ta基本上抵消右推力Τχκ，使得连接齿轮820的远侧端部822保持角度静止。相似地,在示出了示意图903的横截面后视图的示意图904中，左角速度Va产生左推力Ta，以引导连接齿轮820的远侧端部822绕径向轴线Ay顺时针旋转，而右角速度Vxk产生右推力Τχκ，以引导连接齿轮820的远侧端部822绕径向轴线Ay逆时针旋转。再次，因为左角速度Va基本上等于右角速度Vxk，所以左推力Ta基本上抵消右推力Txk，使得连接齿轮820的远侧端部822保持角度静止。图10证实了根据本发明另一个实施例的0TWS800的差速模式操作。在该差速模式操作下，左齿轮和右齿轮802和804总是以一对相反的角速度旋转，意味着左齿轮802具有与右齿轮802相同的角速度但是具有与右齿轮802相反的旋转方向。如示意图1001和1003所示，左齿轮和右齿轮802和804可以同时以相同的角速度以一对相反的方向旋转。因为左角速度Va基本上抵消右角速度Vxr,所以PWA810将不会绕第一轴线Ax旋转，使得0TWS800将不会沿纵向行进。参见示出了示意图1001的横截面后视图的示意图1002，左角速度VXl产生左推力Txl,以引导连接齿轮820的远侧端部822绕径向轴线Ay顺时针旋转，而右角速度Vxk也产生右推力Τχκ，以引导连接齿轮820的远侧端部822绕径向轴线Ay顺时针旋转。因此，连接齿轮820引导第一车轮的接收齿轮830绕第二轴线Az以角速度Vz旋转。因为第一车轮顺时针旋转，所以0TWS800可以以正侧向速度Vut沿侧向向左行进。相似地,在示出了示意图1003的横截面前视图的示意图1004中，左角速度Va产生左推力Ta，以引导连接齿轮820的远侧端部822绕径向轴线Ay逆时针旋转，而右角速度Vxe也产生右推力Τχκ，以引导连接齿轮820的远侧端部822绕径向轴线Ay逆时针旋转。因此，连接齿轮820引导第一车轮的接收齿轮830绕第二轴线Az以角速度Vz旋转。因为第一车轮逆时针旋转，所以0TWS800可以以负侧向速度Vlat沿侧向向右行进。图11证实了根据本发明另一个实施例的0TWS800的向后差速模式操作。在一个实施例中，在向后差速模式操作下，角速度Va应当显著不同于右角速度Vxk，并且左齿轮和右齿轮802和804的共同角速度V.将总是为负的且绕第一轴线Ax沿逆时针方向。例如，如示意图1101所示，左齿轮和右齿轮802和804两者均绕第一轴线Ax逆时针旋转，但是左角速度Vxl的大小显著大于右角速度Vxk的大小。因此，共同角速度Vconi与Vxr基本上相同。对于另一个例子，如示意图1103所示，左齿轮和右齿轮802和804两者均绕第一轴线Ax逆时针旋转，但是左角速度Va的大小显著小于右角速度Vxk的大小。因此,共同角速度V.与Va基本上相同。在任何情况下，具有优势角速度(B卩，在示意图1101中为左角速度Va，在示意图1103中为右角速度Vxk)的纵向齿轮应当逆时针旋转，使得PWA810可以绕第一轴线Ax逆时针旋转，而不管其它纵向齿轮的旋转方向。也就是，示意图1101中的右齿轮804可以顺时针旋转，只要右角速度Vxr的大小小于左角速度Vxl的大小；并且相似地,示意图1103中的左齿轮802可以逆时针旋转,只要左角速度Va的大小小于右角速度Vxr的大小。参见示出了示意图1101的横截面后视图的示意图1102，左角速度VXl产生左推力Txl,以引导连接齿轮820的远侧端部822绕径向轴线Ay逆时针旋转，而右角速度Vxk产生右推力τχκ，以引导连接齿轮820的远侧端部822绕径向轴线Ay顺时针旋转。因为左推力Txl强于右推力Τχκ，所以左推力TXl克服右推力Τχκ，并且由此使得连接齿轮820的远侧端部822逆时针旋转。因此，连接齿轮820引导第一车轮的接收齿轮830绕第二轴线Az以角速度Vz逆时针旋转，使得0TWS800可以沿侧向以负侧向速度Vut向右行进。通过以纵向速度Vlong和侧向速度Vut同时驱动，0TWS800可以沿后-右方向斜向地行进。相似地,在示出了示意图1103的横截面后视图的示意图1104中，左角速度Va产生左推力Ta，以引导连接齿轮820的远侧端部822绕径向轴线Ay逆时针旋转，而右角速度Vxe产生右推力Τχκ，以引导连接齿轮820的远侧端部822绕径向轴线Ay顺时针旋转。因为左推力TXl弱于右推力Txk，所以左推力TXl让路于右推力Τχκ，并且由此使得连接齿轮820的远侧端部822顺时针旋转。因此，连接齿轮820引导第一车轮的接收齿轮830绕第二轴线Az以角速度Vz顺时针旋转，使得0TWS800可以沿侧向以正侧向速度Vlat向左行进。通过以纵向速度Vmc和侧向速度Vlat同时驱动，0TWS800可以沿后-左方向斜向地行进。图12证实了根据本发明另一个实施例的0TWS800的向前差速模式操作。在向前差速模式操作下，左角速度Vxl应当显著不同于右角速度VXK，并且左齿轮和右齿轮802和804的共同角速度V.将总是为正的且绕第一轴线Ax沿顺时针方向。例如，如示意图1201所示，左齿轮和右齿轮802和804两者均绕第一轴线Ax顺时针旋转，但是左角速度Va的大小显著大于右角速度Vxk的大小。因此，共同角速度^ 与乂矹基本上相同。对于另一个例子，如示意图1203所示，左齿轮和右齿轮802和804两者均绕第一轴线Ax顺时针旋转，但是左角速度Va的大小显著小于右角速度Vxr的大小。因此，共同角速度V。》与Vxl基本上相同。在任何情况下，具有优势角速度(即，在示意图1201中为左角速度Va，在示意图1203中为右角速度Vxk)的纵向齿轮应当顺时针旋转，使得PWA810可以绕第一轴线Ax顺时针旋转，而不管其它纵向齿轮的旋转方向。也就是，示意图1201中的右齿轮804可以逆时针旋转，只要右角速度Vxr的大小 小于左角速度Vxl的大小；并且相似地,示意图1203中的左齿轮802可以逆时针旋转,只要左角速度Va的大小小于右角速度Vxr的大小。参见示出了示意图1201的横截面后视图的示意图1202，左角速度VXl产生左推力Txl,以引导连接齿轮820的远侧端部822绕径向轴线Ay顺时针旋转，而右角速度Vxk产生右推力Τχκ，以引导连接齿轮820的远侧端部822绕径向轴线Ay逆时针旋转。因为左推力Txl强于右推力Τχκ，所以左推力TXl克服右推力Τχκ，并且由此使得连接齿轮820的远侧端部822顺时针旋转。因此，连接齿轮820引导第一车轮的接收齿轮830绕第二轴线Az以角速度Vz顺时针旋转，使得0TWS800可以沿侧向以正侧向速度Vut向左行进。通过以纵向速度Vlong和侧向速度Vut同时驱动，0TWS800可以沿前-左方向斜向地行进。相似地,在示出了示意图1203的横截面后视图的示意图1204中，左角速度Va产生左推力Ta，以引导连接齿轮820的远侧端部822绕径向轴线Ay顺时针旋转，而右角速度Vxk产生右推力Txk，以引导连接齿轮820的远侧端部822绕径向轴线Ay逆时针旋转。因为左推力TXL弱于右推力Txk，所以左推力TXL让路于右推力Τχκ，并且由此使得连接齿轮820的远侧端部822逆时针旋转。因此，连接齿轮820引导第一车轮的接收齿轮830绕第二轴线Az以角速度Vz逆时针旋转，使得0TWS800可以沿侧向以负侧向速度Vlat向右行进。通过以纵向速度Vmc和侧向速度Vlat同时驱动，0TWS800可以沿前-右方向斜向地行进。图13相对于差速角速度Vdiff和共同角速度V-的各种组合提供0TWS800的所有行进方向的概述。例如，图表1301到1303表示当V·小于0(即向后模式)时0TWS800的行进方向。对于另一个例子，图表1304到1306表示当V_等于0(即纯差速模式)时0TWS800的行进方向。对于另一个例子，图表1307到1309表示当Vram大于0(即向前模式)时0TWS800的行进方向。在差速机构下，通过改变左角速度和右角速度Va和Vxk之间的差可以调节纵向速度Vmc和侧向速度Vut的大小。通常，侧向速度Vlat的大小与差速角速度Vdiff成比例地增大，而纵向速度Vmc与共同角速度V·成比例地增大。根据本发明实施例，纵向速度V·和侧向速度Vlat的大小可以在从大约Om/s到大约正或负10m/s的范围内。更具体地，纵向速度Vmc和侧向速度Vlat的大小可以为大约正或负2m/s。本发明的各种实施例在致动差速机构时采用齿轮系统。然而，根据可选的实施例，通过采用摩擦系统可以致动OTSW的差速机构。例如，再次参见图8A，该一对纵向齿轮802和804可以替换为一对板，每个板都具有面对彼此的摩擦表面。如图14所示，该一对板1402和1404可以具有面对彼此的摩擦表面1406和1408。摩擦表面1406和1408可以经由连接构件1420与PWA1410接合。与连接齿轮820类似，当该一对板之间的差速角速度Vdiff大于零或小于零时，连接构件1420可以绕径向轴线Ay旋转。然而，与连接齿轮820不同的是，连接构件1420不具有带齿的表面。相反，连接构件1420可以具有与该一对板1402和1404类似的摩擦表面。连接构件1420可以具有用于与该一对板1402和1404的摩擦表面1406和1408接合的远侧端部以及用于与第一车轮1430接合的近侧端部，该第一车轮1430也具有与该一对板1402和1404类似的摩擦表面。因此，当该一对板1402和1404之间的差速角速度Vdiff大于零或小于零时，PWA1410可以绕第二轴线Az旋转。图15为示出了根据本发明实施例的用于操作全方位车轮的方法步骤的流程图。这些方法步骤涉及相对于图2到12的讨论。尽管这些步骤可能引入与前述讨论不同的术语，但是这些步骤与前述讨论的精神和概念是一致的，并且不应当以其它方式构造。在步骤1502中，多个周边车轮经由多个连接齿轮接合到第一和第二齿轮。在步骤1504中，第一齿轮以第一角速度旋转。在步骤1506中，第二齿轮以第二角速度旋转，其中该全方位车轮(1)当第一角速度与第二角速度不同以使得每个连接齿轮被构造为使相应的周边车轮旋转时，沿侧向行进；(2)当第一和第二角速度沿相同的方向以使得每个连接齿轮与相应的周边车轮一起被构造为绕定位在第一和第二齿轮之间且与第一和第二齿轮基本上平行的圆形板旋转时，沿纵向行进；(3)当第一角速度与第二角速度不同时且当第一和第二角速度沿相同的方向时，斜向地行进；(4)当第一角速度基本上等于第二角速度时，保持侧向静止；以及(5)当第一和第二角速度的和基本上为零时，保持纵向静止。公开的例子的前述说明是为了使本领域普通技术人员能够制造或使用所公开的方法或设备。对这些例子的各种修改形式对于本领域技术人员而言将会是容易明显的，并且在不脱离所公开的方法和设备的精神或范围的情况下，本文所限定的原理可以应用于其它例子。所述的实施例在各方面被认为仅仅是示例性的而非限制性的，因此，本发明的范围由后附的权利要求书指出，而不是由前述说明指出。落在权利要求的等效意义和范围内的所有变化都包含在权利要求的范围内。
权利要求
1.一种全方位车轮，其包括: 第一齿轮和第二齿轮，所述第一齿轮和所述第二齿轮沿着第一轴线中心地对准； 多个周边车轮组件，每个周边车轮组件都具有: 车轮构件，所述车轮构件沿着第二轴线中心地对准，所述第二轴线基本上垂直于所述第一轴线，和 连接齿轮，所述连接齿轮具有远侧端部和近侧端部，所述远侧端部用于接合所述第一齿轮和所述第二齿轮，所述近侧端部用于接合所述车轮构件，所述远侧端部和所述近侧端部限定了径向轴线，所述径向轴线基本上平行于左齿轮和右齿轮的共同半径并且基本上垂直于所述第一轴线和所述第二轴线；以及 旋转装置，所述旋转装置用于使所述第一齿轮绕所述第一轴线以第一角速度旋转，并且用于使所述第二齿轮绕所述第一轴线以第二角速度旋转， 由此，每个周边车轮组件的所述连接齿轮被构造为当所述第一角速度与所述第二角速度不同时使该周边车轮组件的相应的车轮构件绕相应的第二轴线旋转。
2.根据权利要求1所述的全方位车轮，其中所述第一齿轮和所述第二齿轮之间限定了圆柱形空间，所述圆柱形空间具有周向区域，并且其中每个周边车轮组件的所述连接齿轮被构造为沿着所述周向区域以所述第一角速度和所述第二角速度的共同角速度旋转。
3.根据权利要求1所述的全方位车轮，其中所述旋转装置包括第一马达和第二马达，所述第一马达联接到所述第一齿轮以用于使所述第一齿轮旋转，所述第二马达联接到所述第二齿轮以用于使所述第二齿轮旋转，从而所述左齿轮和所述右齿轮独立地旋转。
4.根据权利要求1所述的全方位车轮，其中所述第一齿轮和所述第二齿轮与定位在所述第一齿轮和所述第二齿轮 中间的平面基本上平行，并且其中每个周边车轮组件的所述车轮构件沿着所述平面基本上对称。
5.根据权利要求1所述的全方位车轮，其还包括间隔构件，所述间隔构件联接在所述第一齿轮和所述第二齿轮之间，所述间隔构件被构造为保持所述第一齿轮和所述第二齿轮之间的基本上恒定的距离。
6.根据权利要求5所述的全方位车轮，其中所述间隔构件具有: 第一盘，所述第一盘操作地联接到所述第一齿轮， 第二盘，所述第二盘操作地联接到所述第二齿轮，以及 轴，所述轴联接在所述第一盘和所述第二盘之间，使得所述第一盘、所述第二盘和所述轴被构造为当所述第一齿轮和所述第二齿轮通过所述旋转装置进行旋转时保持角度静止。
7.根据权利要求6所述的全方位车轮，其中每个周边组件具有支撑构件，所述支撑构件用于将相应的车轮构件操作地连接到所述间隔构件的所述第一盘或所述第二盘。
8.根据权利要求6所述的全方位车轮，其中每个周边组件的所述连接齿轮具有径向轴，所述径向轴用于连接所述连接齿轮的所述近侧端部和所述远侧端部，使得所述径向轴基本上垂直于所述间隔构件的中心轴。
9.根据权利要求1所述的全方位车轮，其中每个周边车轮组件的所述连接齿轮被构造为:当所述第一角速度显著大于所述第二角速度时绕所述连接齿轮的径向轴线顺时针旋转，并且当所述第一角速度显著小于所述第二角速度时绕所述连接齿轮的径向轴线逆时针旋转。
10.根据权利要求1所述的全方位车轮，其中每个周边车轮组件的所述车轮构件具有第一车轮、第二车轮和车轮轴，所述车轮轴中心地联接在所述第一车轮和所述第二车轮之间，所述第一车轮具有接收齿轮，以用于接合该周边车轮组件的连接齿轮的近侧端部。
11.一种采用全方位车轮的运输系统，其包括: 左齿轮和右齿轮，所述左齿轮和所述右齿轮沿着第一轴线中心地对准，所述左齿轮和所述右齿轮之间限定了圆柱形空间，所述圆柱形空间具有周向区域； 多个周边车轮组件，所述多个周边车轮组件沿着所述圆柱形空间的所述周向区域分布，每个周边车轮组件都具有: 一对车轮，所述一对车轮沿着第二轴线中心地对准，所述第二轴线基本上垂直于所述第一轴线，和 连接齿轮，所述连接齿轮具有远侧端部和近侧端部，所述远侧端部用于接合所述左齿轮和所述右齿轮，所述近侧端部用于接合所述一对车轮，所述远侧端部和所述近侧端部限定了径向轴线，所述径向轴线基本上平行于所述左齿轮和所述右齿轮的共同半径并且基本上垂直于所述第一轴线和所述第二轴线；以及 旋转装置，所述旋转装置用于使所述左齿轮绕所述第一轴线以左角速度旋转，并且用于使所述右齿轮绕所述第一轴线以右角速度旋转， 由此，每个周边车轮组件的所述连接齿轮被构造为使该周边车轮组件的相应的一对车轮绕相应的第二轴线以侧向角速度旋转，所述侧向角速度由所述左角速度和所述右角速度之间的差速角速度限定，并且 由此，每个周边车轮组件的所述连接齿轮被构造为沿着所述周向区域以所述左角速度和所述右角速度的共同角速度旋转。
12.根据权利要求11所述的全方位车轮系统，其中所述旋转装置包括左马达和右马达，所述左马达联接到所述左齿轮以用于使所述左齿轮旋转，所述右马达联接到所述右齿轮以用于使所述右齿轮旋转，从而所述左齿轮和所述右齿轮被独立地驱动。
13.根据权利要求11所述的运输系统，其还包括间隔构件，所述间隔构件联接在所述左齿轮和所述右齿轮之间，所述间隔构件被构造为保持所述左齿轮和所述右齿轮之间的基本上恒定的距离，所述间隔构件具有: 左盘，所述左盘操作地联接到所述左齿轮， 右盘，所述右盘操作地联接到所述右齿轮，以及 轴，所述轴联接在所述左盘和所述右盘之间，使得所述左盘、所述右盘和所述轴被构造为当所述左齿轮和所述右齿轮通过所述旋转装置进行旋转时保持角度静止。
14.根据权利要求13所述的全方位车轮系统，其中每个周边组件具有支撑构件，所述支撑构件用于将相应的车轮构件操作地连接到所述间隔构件的所述左盘或所述右盘。
15.根据权利要求11所述的运输系统，其中每个周边车轮组件的所述一对车轮具有第一车轮、第二车轮和车轮轴，所述车轮轴中心地联接在所述第一车轮和所述第二车轮之间，所述第一车轮具有接收齿轮，以用于接合相应的连接齿轮的近侧端部。
16.一种用于操作全方位车轮的方法，其包括以下步骤: 将多个周边车轮经由多个连接齿轮接合到第一齿轮和第二齿轮； 使所述第一齿轮以第一角速度旋转；以及使所述第二齿轮以第二角速度旋转， 其中当所述第一角速度与所述第二角速度不同以使得每个连接齿轮被构造为使相应的周边车轮旋转时，所述全方位车轮沿侧向行进。
17.根据权利要求16所述的方法，其中当所述第一角速度与所述第二角速度沿相同的方向以使得每个连接齿轮与相应的周边车轮一起被构造为绕定位在所述第一齿轮和所述第二齿轮之间且与所述第一齿轮和所述第二齿轮基本上平行的圆形板旋转时，所述全方位车轮沿纵向行进。
18.根据权利要求16所述的方法，其中当所述第一角速度与所述第二角速度不同时且当所述第一角速度与所述第二角速度沿相同的方向时，所述全方位车轮斜向地行进。
19.根据权利要求16所述的方法，其中当所述第一角速度与所述第二角速度基本上相等时，所述全方位车轮保持侧向静止。
20.根据权利要求16所述的方法，其中当所述第一角速度与所述第二角速度的和基本上为零时，所述全方位车轮保持纵向静止。
21.一种全方位车轮，其包括: 第一板和第二板，所述第一板和所述第二板沿着第一轴线中心地对准； 多个周边车轮组件，每个周边车轮组件都具有: 车轮构件，所述车轮构件沿着第二轴线中心地对准，所述第二轴线基本上垂直于所述第一轴线，和 连接构件，所述连接构件具有远侧端部和近侧端部，所述远侧端部用于接合所述第一板和所述第二板，所述近侧端部用于接合所述车轮构件，所述远侧端部和所述近侧端部限定了径向轴线，所述径向轴线基本上平行于左板和右板的共同半径并且基本上垂直于所述第一轴线和所述第二轴线；以及 旋转装置，所述旋转装置用于使所述第一板绕所述第一轴线以第一角速度旋转，并且用于使所述第二板绕所述第一轴线以第二角速度旋转， 由此，每个周边车轮组件的所述连接构件被构造为当所述第一角速度与所述第二角速度不同时使该周边车轮组件的相应的车轮构件绕相应的第二轴线旋转。
22.根据权利要求21所述的全方位车轮，其中所述第一板和所述第二板每个都具有摩擦表面，以用于接合每个周边车轮组件的所述连接构件的远侧端部。
23.根据权利要求21 所述的全方位车轮，其中每个周边车轮组件的所述车轮构件具有摩擦表面，以用于接合相应的连接构件的近侧端部。
全文摘要
本发明涉及全方位车轮系统，其采用一体化差速机构以产生纵向和侧向牵引力。全方位车轮系统可以包括旋转装置，该旋转装置传递能够单独地控制的旋转力，其差速输出可以驱动多个周边车轮沿侧向旋转，并且其共同输出可以驱动一对纵向板沿纵向旋转。因此，该全方位车轮系统可以沿所有方向行进。
文档编号B60B19/12GK103079838SQ201180040916
公开日2013年5月1日 申请日期2011年7月11日 优先权日2010年7月23日
发明者上原康生 申请人:丰田自动车工程及制造北美公司