一种由轮毂电机驱动的一体式麦克纳姆轮的制作方法

本发明涉及一种麦克纳姆轮，具体是一种由轮毂电机驱动的一体式麦克纳姆轮。

背景技术：

目前基于麦克纳姆轮技术的全方位运动设备是通过4个这种新型轮子进行组合，可以灵活方便的实现前行、横移、斜行、旋转及其组合等全方位运动方式。但传统麦克纳姆轮系统中空间占用大，具有小滚子装配困难且无法独立更换，占用空间大，不够轻便，成本高的缺点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种由轮毂电机驱动的一体式麦克纳姆轮，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种由轮毂电机驱动的一体式麦克纳姆轮，由外轮毂、内轮毂、12个麦克纳姆轮小滚子组件、磁钢、定子、轮轴、两个轴承、驱动板、磁编码器芯片和磁编码器磁铁组成，所述小滚子组件由两个小滚子轴承、小滚子轴、小滚子内壳、小滚子外胶和两个铜环组成，12组小滚子组件的外轮缘共同构成了一个麦克纳姆轮的轮缘，定子通过连接键固定在轮轴上，而驱动板通过螺丝锁紧在定子上，轮轴通过两个轴承分别与内轮毂和外轮毂相连接，磁编码器芯片通过螺丝锁紧在轮轴在轮内的端面上，磁编码器磁铁固定在磁编码器芯片正上方的外轮毂上，内轮毂和外轮毂通过内轮毂上的螺丝轴向锁紧，并通过轮毂上的卡位沿圆周方向卡住，轮轴为中空轴，轮内侧面开有通孔，轮毂内部所有走线全部从轮轴中引出，内轮毂和外轮毂的轮缘上开有12对半月槽，半月槽轴心轴向与轮轴轴向夹角为45°，小滚子组件从侧面与轮轴的轴线方向斜45°卡入内轮毂和外轮毂边缘上的相应卡槽内，然后通过螺丝从麦克纳姆轮两侧锁紧，一套麦克纳姆轮驱动的系统由四个麦克纳姆轮构成，其中左前轮和右后轮为右旋麦克纳姆轮，右前轮和左后轮为左旋麦克纳姆轮；

当需要驱动机构前进的时候，则驱动四个轮子按同样的转速前进，此时前后轮的左右方向的摩擦力相互抵消，四个轮子向前的摩擦力带动机构向前直行，后退则四轮转向相反；当需要驱动机构向右横行时，则令由右前轮和左后轮向后旋转，右后轮和左前轮向前旋转，四轮转速一致，此时四个轮子的前后方向的摩擦力相互抵消，四个轮子水平向右的摩擦力驱动机构水平向右直行，向左直行则四轮转向相反；当需要驱动机构沿顺时针自转的时候，左前轮和左后轮向前转动，右前轮和右后轮向后转动，转速一致，此时左前轮摩擦力方向为正右前方向，右前轮摩擦力方向为正右后方向，右后轮摩擦力方向为正左后方向，左后轮摩擦力方向为正左前方向；四个轮子的摩擦力共同带动机构绕其几何中心顺时针转动，逆时针则四轮转向相反；当需要驱动机构沿正右前方向直行时，则令左前轮和右后轮向前转动，转速一致，右前轮和左后轮静止；此时右后轮和左前轮的摩擦力方向皆为正右前方，摩擦力带动机构沿右前方向直行，右前轮和左后轮此时为从动轮，大轮保持静止，与地面接触的小滚子组件绕小滚子轴从动旋转，向左后方向直行时，则左前轮与右后轮转向相反；当需要驱动机构沿左前方向直行时，则保持左前轮与右后轮静止，左后轮和右前轮向前转动，当需要驱动机构沿右后方向直行时，则左后轮与右前轮转向相反。

作为本发明再进一步的方案：4个独立驱动的麦克纳姆轮组成的一套机构通过调节各个麦克纳姆轮转动实现多种运动方式。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明占用空间极小，更加轻便，成本更加低廉，控制精度更高，控制更方便，外观更加美观。

附图说明

图1A为由轮毂电机驱动的一体式麦克纳姆轮中左旋一体式麦克纳姆轮结构示意图。

图1B为由轮毂电机驱动的一体式麦克纳姆轮中右旋一体式麦克纳姆轮结构示意图。

图2为由轮毂电机驱动的一体式麦克纳姆轮中左旋一体式麦克纳姆轮爆炸图。

图3A为由轮毂电机驱动的一体式麦克纳姆轮中单个小滚子外胶件轮廓图。

图3B为由轮毂电机驱动的一体式麦克纳姆轮中小滚子外胶件沿轴心方向斜45°的投影视图。

图3C为由轮毂电机驱动的一体式麦克纳姆轮中小滚子垂直于轴心方向的投影视图。

图4A为由轮毂电机驱动的一体式麦克纳姆轮中12个小滚子的外胶件的主视图。

图4B为由轮毂电机驱动的一体式麦克纳姆轮中12个小滚子的外胶件的俯视图。

图5为由轮毂电机驱动的一体式麦克纳姆轮中一套麦克纳姆轮驱动的底板的俯视图。

其中：1、外轮毂 2、轴承 3、磁编码器磁铁 4、磁轭 5、磁钢 6、麦克纳姆轮小滚子组件 7、垫片 8、小滚子锁紧螺丝 9、定子 10、驱动板 11、驱动板锁紧螺丝 12、内轮毂 13、轮毂锁紧螺丝 14轴承 15、防水圈 16、铜环 17小滚子轴 18、小滚子轴承19、小滚子内壳 20、小滚子外胶 21、小滚子轴承 22、铜环。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例中，一种由轮毂电机驱动的一体式麦克纳姆轮，由外轮毂1、内轮毂12、12个麦克纳姆轮小滚子组件6、磁钢5、定子9、轮轴、两个轴承2、驱动板10、磁编码器芯片和磁编码器磁铁3组成，所述小滚子组件由两个小滚子轴承19、小滚子轴17、小滚子内壳19、小滚子外胶20和两个铜环22组成，12组小滚子组件的外轮缘共同构成了一个麦克纳姆轮的轮缘，定子9通过连接键固定在轮轴上，而驱动板10通过螺丝锁紧在定子9上，轮轴通过两个轴承2分别与内轮毂12和外轮毂1相连接，磁编码器芯片通过螺丝锁紧在轮轴在轮内的端面上，磁编码器磁铁3固定在磁编码器芯片正上方的外轮毂1上，内轮毂12和外轮毂1通过内轮毂12上的螺丝轴向锁紧，并通过轮毂上的卡位沿圆周方向卡住，轮轴为中空轴，轮内侧面开有通孔，轮毂内部所有走线全部从轮轴中引出，内轮毂12和外轮毂1的轮缘上开有12对半月槽，半月槽轴心轴向与轮轴轴向夹角为45°，小滚子组件从侧面与轮轴的轴线方向斜45°卡入内轮毂12和外轮毂1边缘上的相应卡槽内，然后通过螺丝从麦克纳姆轮两侧锁紧，一套麦克纳姆轮驱动的系统由四个麦克纳姆轮构成，其中左前轮和右后轮为右旋麦克纳姆轮，右前轮和左后轮为左旋麦克纳姆轮；

当需要驱动机构前进的时候，则驱动四个轮子按同样的转速前进，此时前后轮的左右方向的摩擦力相互抵消，四个轮子向前的摩擦力带动机构向前直行，后退则四轮转向相反；当需要驱动机构向右横行时，则令由右前轮和左后轮向后旋转，右后轮和左前轮向前旋转，四轮转速一致，此时四个轮子的前后方向的摩擦力相互抵消，四个轮子水平向右的摩擦力驱动机构水平向右直行，向左直行则四轮转向相反；当需要驱动机构沿顺时针自转的时候，左前轮和左后轮向前转动，右前轮和右后轮向后转动，转速一致，此时左前轮摩擦力方向为正右前方向，右前轮摩擦力方向为正右后方向，右后轮摩擦力方向为正左后方向，左后轮摩擦力方向为正左前方向；四个轮子的摩擦力共同带动机构绕其几何中心顺时针转动，逆时针则四轮转向相反；当需要驱动机构沿正右前方向直行时，则令左前轮和右后轮向前转动，转速一致，右前轮和左后轮静止；此时右后轮和左前轮的摩擦力方向皆为正右前方，摩擦力带动机构沿右前方向直行，右前轮和左后轮此时为从动轮，大轮保持静止，与地面接触的小滚子组件绕小滚子轴17从动旋转，向左后方向直行时，则左前轮与右后轮转向相反；当需要驱动机构沿左前方向直行时，则保持左前轮与右后轮静止，左后轮和右前轮向前转动，当需要驱动机构沿右后方向直行时，则左后轮与右前轮转向相反。4个独立驱动的麦克纳姆轮组成的一套机构通过调节各个麦克纳姆轮转动实现多种运动方式。

本发明的工作原理是：参考图2、3：单个一体式麦克纳姆轮由12个小滚子组件组成。其中每个小滚子与其大轮毂轴心呈45°夹角。当单个麦克纳姆轮在地面滚动动时， 右旋麦克纳姆轮会沿滚动方向向右斜45°夹角的方向运动，左旋麦克纳姆轮则会沿滚动方向向左斜45度夹角方向运动。由于该特性，由4个独立驱动的麦克纳姆轮组成的一套机构可以通过调节各个麦克纳姆轮转动从而实现多种运动方式。

当单个麦克纳姆轮需要运转时，控制信号和电源信号输入到对应的一体式麦克纳姆轮内的驱动板10上，驱动定子9上的线圈产生变化的电流，从而产生变化的磁场，变化的磁场与轮毂上的磁钢5产生作用力，带动麦克纳姆轮按指定的转速转动。

轮轴顶端的磁编码芯片在转动的同时反馈转动的角度信号给驱动板10，并通过驱动板10输出角度和转速信号。

参考图5：一套由麦克纳姆轮驱动的机构包括4个单独驱动的麦克纳姆轮。其中左前轮和右后轮为右旋一体式麦克纳姆轮，右前轮和左后轮为左旋一体式麦克纳姆轮。按此方式排列可以使机构实现多种运动方向。

当需要驱动机构前进的时候，则驱动四个轮子按同样的转速前进，此时前后轮的左右方向的摩擦力相互抵消，四个轮子向前的摩擦力带动机构向前直行，后退则四轮转向相反；

当需要驱动机构向右横行时，则令由右前轮和左后轮向后旋转，右后轮和左前轮向前旋转，四轮转速一致，此时四个轮子的前后方向的摩擦力相互抵消，四个轮子水平向右的摩擦力驱动机构水平向右直行，向左直行则四轮转向相反；

当需要驱动机构沿顺时针自转的时候，左前轮和左后轮向前转动，右前轮和右后轮向后转动，转速一致，此时左前轮摩擦力方向为正右前方向，右前轮摩擦力方向为正右后方向，右后轮摩擦力方向为正左后方向，左后轮摩擦力方向为正左前方向。四个轮子的摩擦力共同带动机构绕其几何中心顺时针转动，逆时针则四轮转向相反。

当需要驱动机构沿正右前方向直行时，则令左前轮和右后轮向前转动，转速一致，右前轮和左后轮静止。此时右后轮和左前轮的摩擦力方向皆为正右前方，摩擦力带动机构沿右前方向直行，右前轮和左后轮此时为从动轮，大轮保持静止，与地面接触的小滚子组件绕小滚子轴17从动旋转，向左后方向直行时，则左前轮与右后轮转向相反。当需要驱动机构沿左前方向直行时，则保持左前轮与右后轮静止，左后轮和右前轮向前转动，当需要驱动机构沿右后方向直行时，则左后轮与右前轮转向相反。

本发明具体如下优点：

（1）完全省去传动麦克纳姆轮四轮驱动中各个轮子的传动机构，并且将底座上的驱动机构转移至各个麦克纳姆轮的轮芯位置。为底座节约出很大空间。

（2）由于轮毂电机直接驱动各个麦克纳姆轮的运动，该机构完全避开了传统传动过程中由于传动机构可能产成的一系列运动误差，并且由于轮毂电机自身的运动精度较高误差较小，使得单个轮子运动精度得以极大地提高。

（3）轮毂电机的控制精度由磁极数决定，可以达到一个很高的精度水平，所以该机构可以更加精确的控制单轮运转精度，从而更加精确的控制由麦克纳姆轮四轮驱动系统的整体运动精度。

（4）从成本的角度去看，该机构完全省去了传统驱动中的传动机构，所以整体成本有所降低。

（5）由于麦克纳姆轮自身运动特性，小滚子容易磨损，因此小滚子更换相对比较重要。小滚子侧面卡入式的安装结构使得麦克纳姆轮的小滚子能够在大轮毂已经安装完成的前提下，进行小滚子的拆装跟换。完美的解决了传统麦克纳姆轮所不能解决的小滚子更换问题。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。