全向移动平台及其舵轮和驱动轮的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种全向移动平台及其舵轮和驱动轮。该全向移动平台包括平台主体和轮组，轮组安装于所述平台主体的底部。轮组包括至少两个舵轮和至少两个驱动轮。舵轮和驱动轮都具有转向运动自由度和驱动运动自由度。舵轮的转向运动自由度主动控制，而舵轮的驱动运动自由度随动。驱动轮的驱动运动自由度主动控制，而驱动轮的转向运动自由度随动。本发明的全向移动平台可以很好地完成直行、侧行、斜行以及原地转向等运动，并且控制简单。
【专利说明】
全向移动平台及其舵轮和驱动轮
技术领域
[0001 ]本发明涉及轮式移动平台，具体涉及轮式全向移动平台。【背景技术】
[0002]轮式移动平台因其机动灵活性好、操控方便、运动平稳等优点，为电商物流、工厂物料搬运、军事排爆和家庭服务等行业提供了一个完美的解决方案。全向移动平台因其具有在不改变自身姿态的前提下向任意方向运动的能力，即具有在平面上3个或者3个以上的运动自由度，运动灵活性更高，非常适合在狭窄或空间受限的区域运行。
[0003]通常所采用的全向移动机构有球轮、麦克纳母轮、万向轮或是基于它们的变形产品。球形轮控制起来较难，实际使用中很少采用。麦克纳母轮因其设计和控制都较简单，在全向移动产品中使用较为广泛。但是因为它与地面的接触点不连续，而且只有一个可控运动自由度，导致运行中会引起打滑和噪音，造成运动效率低。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种全向移动平台，其可以很好地完成直行、侧行、斜行以及原地转向等运动，并且控制简单。
[0005]为实现上述目的，本发明提供了一种全向移动平台，所述全向移动平台包括平台主体和轮组，所述轮组安装于所述平台主体的底部。所述轮组包括:
[0006]至少两个舵轮，每一个所述舵轮具有转向运动自由度和驱动运动自由度，其中所述舵轮的转向运动自由度主动控制，而所述舵轮的驱动运动自由度随动；以及
[0007]至少两个驱动轮，每一个所述驱动轮具有转向运动自由度和驱动运动自由度，其中所述驱动轮的驱动运动自由度主动控制，而所述驱动轮的转向运动自由度随动。
[0008]—实施例中，每个所述舵轮包括第一电机，其中所述舵轮的转向运动自由度由所述第一电机驱动，且每个所述驱动轮包括第二电机，所述驱动轮的驱动运动自由度由所述第二电机驱动。
[0009]—实施例中，所述舵轮设有第一滚轮，其中所述舵轮的转向轴线与所述第一滚轮的滚动轴线之间设置一个第一偏置距离，以及所述驱动轮设有第二滚轮，所述驱动轮的转向轴线与所述第二滚轮的滚动轴线之间设置一个第二偏置距离。
[0010]优选地，所述第一偏置距离el为:1/6祁1〈61〈2/3*01，其中01为所述第一滚轮的直径;和/或所述第二偏置距离e2为:l/6*D2〈e2〈2/3*D2，其中D2为所述第二滚轮的直径。
[0011]—实施例中，所述舵轮包括第一壳体、第一下架体、第一滚轮以及第一电机，其中所述第一下架体可转动连接于所述第一壳体的下端，所述第一滚轮可转动地连接于所述第一下架体，以及所述第一电机与所述第一下架体关联以驱动所述第一下架体转动。
[0012]优选地，所述舵轮进一步包括第一传动轴，以及所述第一下架体包括相互间隔开预定距离的两个第一支臂，其中所述第一传动轴的两端分别可转动地连接于所述两个第一支臂，所述第一滚轮固定连接于所述第一传动轴并位于所述两个第一支臂之间。
[0013]优选地，所述第一下架体进一步包括第一盖体，所述第一盖体构造成包围所述两个第一支臂的至少一部分。
[0014]—实施例中，所述舵轮进一步包括位于所述第一壳体内部的第一齿轮组件，所述第一电机的输出轴与所述第一齿轮组件的输入端联接，所述第一齿轮组件的输出端与所述第一下架体关联以驱动所述第一下架体转动。
[0015]—实施例中，所述第一电机安装于所述第一壳体的顶部，所述第一电机的输出轴位于所述第一壳体内并与所述第一齿轮组件连接。
[0016]—实施例中，所述第一电机安装于所述第一壳体的侧部，所述第一电机的输出轴位于所述第一壳体内并与所述第一齿轮组件连接。
[0017]另一实施例中，所述第一电机置于所述第一壳体内部且所述第一电机的输出轴与所述第一下架体连接。
[0018]—实施例中，所述驱动轮包括第二壳体、第二下架体、第二滚轮以及第二电机，其中所述第二下架体可转动连接于所述第二壳体的下端，所述第二滚轮可转动地连接于所述第二下架体，以及所述第二电机与所述第二滚轮关联以驱动所述第二滚轮转动。
[0019]一实施例中，所述驱动轮进一步包括第二传动轴，以及所述第二下架体包括相互间隔开预定距离的两个第二支臂，其中所述第二传动轴的两端分别可转动地连接于所述两个第二支臂，以及所述第二滚轮固定连接于所述第二传动轴并位于所述两个第二支臂之间。
[0020]—实施例中，所述第二下架体进一步包括第二盖体，所述第二盖体构造成包围所述两个第二支臂的至少一部分。
[0021]—实施例中，所述第二电机的输出轴固定连接于所述第二传动轴，从而所述驱动轮的驱动运动自由度由所述第二电机驱动。[〇〇22]另一实施例中，所述第二电机为轮毂电机，其中所述轮毂电机安装于所述第二传动轴上，以及所述第二滚轮安装于所述轮毂电机上。
[0023]—实施例中，所述驱动轮进一步包括第二齿轮组件，其中所述第二电机的输出轴与所述第二齿轮组件的输入端联接，以及所述第二齿轮组件的输出端与所述第二滚轮关联以驱动所述第二滚轮转动。
[0024]—实施例中，所述第二电机安装于所述第二壳体的顶部，所述第二电机的输出轴位于所述第二壳体内并与所述第二齿轮组件连接。
[0025]—实施例中，所述全向移动平台进一步包括悬架结构，所述舵轮设有第一滚轮，及所述驱动轮设有第二滚轮，其中所述悬架结构为所述第一滚轮和所述第二滚轮提供竖直方向的运动自由度。
[0026]—实施例中，所述舵轮与所述平台主体之间以及所述驱动轮与所述平台主体之间均通过悬架结构连接。
[0027]—实施例中，所述悬架结构包括布置于所述舵轮与所述平台主体之间的弹簧。
[0028]—实施例中，所述全向移动平台进一步包括第一导向装置和第二导向装置，所述第一导向装置和所述第二导向装置分别配置成限制所述舵轮和所述驱动轮相对于所述平台主体径向移动并允许所述舵轮和所述驱动轮相对于所述平台主体在竖直方向上移动。 [〇〇29] 一实施例中，所述第一导向装置包括相互间隔开的至少两组导向结构，每组所述导向结构包括直线轴承和销轴，其中所述直线轴承固定安装于所述舵轮，所述销轴的一端固定连接于所述平台主体，所述销轴的另一端伸入所述直线轴承。
[0030]—实施例中，所述第一壳体的下端设有从所述第一壳体的下端径向向外凸出的法兰，所述法兰上设有连接孔;所述平台主体上设有安装孔；以及所述悬架结构包括销轴和弹簧;其中，所述弹簧置于所述法兰的上表面与所述平台主体的底面之间，所述销轴穿过所述连接孔、所述弹簧和所述安装孔，以及所述销轴的两端分别固定于所述法兰的下表面和所述平台主体上。
[0031]一实施例中，所述销轴的两端设有螺纹，以及所述销轴的两端分别与两个螺母旋合，从而将所述销轴的两端分别固定于所述法兰的下表面和所述平台主体上。
[0032]根据本发明的另一方面，提供了一种用于全向移动平台的舵轮。所述舵轮具有转向运动自由度和驱动运动自由度，其中所述舵轮的转向运动自由度主动控制，而所述舵轮的驱动运动自由度随动。
[0033]—实施例中，所述舵轮包括电机，其中所述舵轮的转向运动自由度由所述电机驱动。
[0034]—实施例中，所述舵轮包括壳体、下架体、滚轮以及电机，其中所述下架体可转动连接于所述壳体的下端，所述滚轮可转动地连接于所述下架体，以及所述电机与所述下架体关联以驱动所述下架体转动。
[0035]—实施例中，所述舵轮进一步包括传动轴，以及所述下架体包括相互间隔开预定距离的两个支臂，其中所述传动轴的两端分别可转动地连接于所述两个支臂，所述滚轮固定连接于所述传动轴并位于所述两个支臂之间。
[0036]—实施例中，所述舵轮进一步包括位于所述壳体内部的齿轮组件，所述电机的输出轴与所述齿轮组件的输入端联接，所述齿轮组件的输出端与所述下架体关联以驱动所述下架体转动。
[0037]—实施例中，所述电机安装于所述壳体的顶部，所述电机的输出轴位于所述壳体内并与所述齿轮组件连接。
[0038]—实施例中，所述电机安装于所述壳体的侧部，所述电机的输出轴位于所述壳体内并与所述齿轮组件连接。
[0039]另一实施例中，所述电机置于所述壳体内部且所述电机的输出轴与所述下架体连接。
[0040]根据本发明的又一方面，提供了一种用于全向移动平台的驱动轮。所述驱动轮具有转向运动自由度和驱动运动自由度，其中所述驱动轮的驱动运动自由度主动控制，而所述驱动轮的转向运动自由度随动。
[0041]—实施例中，所述驱动轮包括电机，所述驱动轮的驱动运动自由度由所述电机驱动。
[0042]—实施例中，所述驱动轮包括壳体、下架体、滚轮以及电机，其中所述下架体可转动连接于所述壳体的下端，所述滚轮可转动地连接于所述下架体，以及所述电机与所述滚轮关联以驱动所述滚轮转动。[〇〇43] 一实施例中，所述驱动轮进一步包括传动轴，以及所述下架体包括相互间隔开预定距离的两个支臂，其中所述传动轴的两端分别可转动地连接于所述两个支臂，以及所述滚轮固定连接于所述传动轴并位于所述两个支臂之间。
[0044]—实施例中，所述电机的输出轴固定连接于所述传动轴，从而所述驱动轮的驱动运动自由度由所述电机驱动。
[0045]—实施例中，所述下架体进一步包括盖体，所述盖体构造成包围所述两个支臂的至少一部分。
[0046]—实施例中，所述驱动轮进一步包括齿轮组件，其中所述电机的输出轴与所述齿轮组件的输入端联接，以及所述齿轮组件的输出端与所述滚轮关联以驱动所述滚轮转动。
[0047]—实施例中，所述电机安装于所述壳体的顶部，所述电机的输出轴位于所述壳体内并与所述齿轮组件连接。[〇〇48]另一实施例中，所述电机为轮毂电机，其中所述轮毂电机安装于所述传动轴上，以及所述滚轮安装于所述轮毂电机上。
[0049]本发明是一种基于舵轮和驱动轮的全向移动平台，舵轮负责控制整个平台的转向运动而驱动轮负责为整个平台提供移动的动力，实现整个平台的运动。它可以广泛应用于全向移动式机器人，电动轮椅、车辆等各种自动化设备。它主要的特点是通过舵轮和驱动轮上的各电机协同控制就可以使得整个移动平台在不改变自身姿态的条件下沿着任意方向运动，实现全向移动。平台主体与舵轮和驱动轮通过悬架结构连接起来，这样能保证移动平台在凹凸不平的路面上行走时能运行平稳以及四轮同时着地，通过悬架结构中的弹簧零件能有效地减少和降低移动平台在运行过程中的振动与噪音，并能根据实时路况做到相应的自适应调节。该全向移动平台结构简单、可靠，设计新颖，具有广阔的市场应用前景。【附图说明】
[0050]图1是根据本发明的一实施例的全向移动平台的立体图；
[0051]图2是图1的全向移动平台斜向上看时的立体图；[〇〇52]图2A是沿图2的剖面线A-A剖切的剖视图，其示出全向移动平台的悬架结构；
[0053]图2B是沿图2的剖面线B-B剖切的剖视图，其示出全向移动平台的导向装置；
[0054]图3A是图1的全向移动平台的舵轮的一实施例的立体图；[〇〇55]图3B是图3A的舵轮的另一立体图；[〇〇56]图4是图3A的舵轮的侧视图；
[0057]图5是沿图4的剖面线C-C剖切的剖视图；
[0058]图6是根据本发明的一替代实施例的舵轮的侧视图；
[0059]图7是沿图6的剖面线D-D剖切的剖视图；
[0060]图8是根据本发明的另一替代实施例的舵轮的侧视图；[0061 ]图9是沿图8的剖面线E-E剖切的剖视图；
[0062]图10A是图1的全向移动平台的驱动轮的一实施例的立体图；[〇〇63]图10B是图10A的驱动轮的另一立体图；[〇〇64]图11是图10A的驱动轮的侧视图；
[0065]图12是沿图11的剖面线F-F剖切的剖视图；
[0066]图13是根据本发明的一替代实施例的驱动轮的侧视图；
[0067]图14是沿图13的剖面线G-G剖切的剖视图；
[0068]图15是根据本发明的另一替代实施例的驱动轮的侧视图；
[0069]图16是沿图15的剖面线H-H剖切的剖视图；
[0070]图17是根据本发明的一实施例的连接有悬架结构和导向装置的舵轮的结构立体图；以及
[0071]图18是图17的舵轮的正视图。【具体实施方式】
[0072]以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
[0073]如图1-2所示，全向移动平台1包括平台主体2、两个驱动轮3和两个舵轮4,其中驱动轮3和舵轮4布置于平台主体2的底部并通过悬架结构5和导向装置6(如图2A-2B所示)连接到平台主体2上。驱动轮3和舵轮4在位置上采用关于平台中心轴线对称布置。驱动轮3和舵轮4共同驱动全向移动平台1朝向所需方向行进，其中驱动轮实现移动平台的平移，而舵轮实现移动平台的转向。
[0074]驱动轮具有转向运动自由度和驱动运动自由度。这里，驱动轮的转向运动自由度指的是驱动轮或其一部分相对于移动平台主体转动的自由度，而驱动轮的驱动运动自由度指的是驱动轮或其一部分相对于地面或其它参照物平移的自由度。驱动轮的驱动运动自由度主动控制，即驱动轮的平移运动由驱动轮本身所带动力，例如电机来驱动。驱动轮的转向运动自由度随动，即驱动轮的转向运动不由自身控制而是由驱动轮本身之外的其它动力源，例如舵轮带动。
[0075]类似地，舵轮具有转向运动自由度和驱动运动自由度。这里，舵轮的转向运动自由度指的是舵轮或其一部分相对于移动平台主体转动的自由度，而舵轮的驱动运动自由度指的是舵轮或其一部分相对于地面或其它参照物平移的自由度。舵轮的转向运动自由度主动控制，即舵轮的转向运动由舵轮本身所带动力，例如电机来驱动。舵轮的驱动运动自由度随动，即舵轮的平移运动不由自身控制而是由舵轮本身之外的其它动力源，例如驱动轮带动。
[0076]应理解的是，根据需要，可以布置所需数量的舵轮和驱动轮，例如可以布置3个、5 个、6个或更多个舵轮，和/或布置3个、5个、6个或更多个驱动轮。另外，舵轮和驱动轮的布置也可根据平台主体的具体形状和用途来设计，而不限于关于平台中心轴线对称布置。还应理解的是，除了舵轮和驱动轮之外，全移动平台还可包括其它辅助轮，例如驱动运动自由度和转向运动自由度均随动的滚轮。舵轮、驱动轮以及其它可选的辅助轮共同构成全向移动平台的轮组。该轮组布置于全向移动平台的底部，从而驱动全向移动朝向所需的方向行进。
[0077]以下详细说明组成全向移动平台的各个部分的结构及原理。
[0078]平台主体
[0079]平台主体是通常用于承载物料或设备等的平台，其可以具有任何所需的结构和形状，例如多边形体、长方体、圆柱体或其它形状。平台主体的底部通常设有用于安装舵轮和驱动轮的安装部。图1-2所示的实施例中，平台主体2设有底壁21，底壁21上设有多个安装孔，例如图2A-2B所示的安装孔211和212,舵轮和驱动轮通过这些安装孔固定连接于平台主体上。
[0080]腿 [〇〇81 ] 实施例一[〇〇82]图3A-5示出根据本发明的一实施例的舵轮100的结构示意图。如图3A-5所示，舵轮 100包括壳体101、下架体102、滚轮103以及电机104,其中电机104通过螺钉安装于壳体101 的顶部并与下架体102关联以驱动下架体102转动，下架体102连接于壳体101的下端，滚轮 103可转动地安装于下架体102上。[〇〇83]如图5所示，舵轮100进一步包括位于壳体101内部的齿轮组件106。电机104的输出轴1041与齿轮组件106的输入端联接。齿轮组件106的输出端与下架体102连接以驱动下架体102转动。齿轮组件106可以由能够实现将电机的转动传递到下架体102的任何齿轮传动结构组成。图5所示的实施例中，齿轮组件106包括压盖1062、轴承1063、齿轮1064、齿轮 1066、轴承1067、压盖1068、压盖1069、轴承座10620、压盖10621、锁紧螺母10622、轴套 10623、轴承10624、齿轮10625、轴承10626、锁紧螺母10627、轴承10628、轴套10629、齿轮 10630、轴承座10631、轴承10632、齿轮10633以及齿轮10635。电机104通过平键和齿轮1064 连接。齿轮1064通过轴承1063、压盖1062、锁紧螺母1061和壳体104连接。齿轮10633通过轴承10632、轴承座10631、轴承10628、锁紧螺母10627和轴承座10620连接。轴承座10631通过螺钉和轴承座10620相连接。齿轮10630通过平键和齿轮10633连接。轴套10629空套于齿轮 10633上。齿轮10635通过轴承10624、锁紧螺母10622和轴承座10620连接。压盖10621通过螺钉和轴承座10620连接。轴套10623空套于齿轮10635上。齿轮10625通过平键和齿轮10635连接。轴承座10620通过螺钉和壳体104连接。齿轮1066通过轴承1067、压盖1068、压盖1069和壳体104连接。
[0084]齿轮1064是锥齿轮并与同是锥齿轮的齿轮10633啮合。齿轮10630与齿轮10625啮合。齿轮10635与齿轮1066啮合，齿轮10635与齿轮1066均为锥齿轮。齿轮1066与下架体102 固定连接。工作时，电机104带动齿轮1064转动。齿轮1064带动齿轮10633转动。齿轮10633带动齿轮10630转动。齿轮10630带动齿轮10625转动。齿轮10625带动带动齿轮10635转动。齿轮10635带动齿轮1066转动。齿轮1066带动下架体102转动。上述齿轮中，除了齿轮1064、 10633、10635以及1600外，其余齿轮均为圆柱齿轮。各个齿轮之间的传动比可根据需要设置，在此不再详述。[〇〇85] 下架体102通过螺钉和压盖1069连接。传动轴10614通过两个轴承10613a和 10613b、锁紧螺母10617和下架体102连接。具体地，如图5所示，下架体102包括相互间隔开预定距离的两个支臂1021和1022。两个轴承10613a和10613b分别固定于两个支臂1021和 1022上。传动轴10614的两端分别固定安装于两个轴承10613a和10613b的内圈，从而传动轴能够相对于支臂转动。滚轮103通过平键和传动轴10614连接。较佳地，滚轮103位于传动轴的中部。滚轮103的两端与两个轴承10613a和10613b之间还分别设有轴套10619和轴套 10612。轴套10619和轴套10612空套于传动轴10614上。传动轴10614的一端带有凸台 10614a。凸台10614a抵住轴承10613a。传动轴10614的另一端安装有锁紧螺母10617和轴套 10618。轴套10618位于锁紧螺母10617与轴承10613b之间并空套在传动轴10614上。[〇〇86]如图3A-3B所示，下架体102的两个支臂外侧还分别设置有盖体107和108。盖体107和108可起到对安装于两个支臂上的轴承等进行保护的作用，防止灰尘等进入。壳体101的下端设有从壳体的下端径向向外凸出的法兰109。法兰上设有第一连接孔109a和第二连接孔109b。第一连接孔109a和第二连接孔109b用于将舵轮安装至平台主体2上，下文将进一步说明。
[0087]如图4所示，舵轮100的转向轴线1010与滚轮103的滚动轴线1011之间设置一个偏置距离el。优选地，偏置距离el为:1/6*01〈61〈2/3*01，其中01为滚轮103的直径。应理解的是，根据需要，偏置距离el也可以采用其他任何合适的数值。舵轮100的转向轴线1010与滚轮103的滚动轴线1011之间的偏置可以通过将下架体的两个支臂做成特定的形状，例如类似L形来实现。
[0088] 组装时，舵轮100通过悬架结构5和导向装置6安装于平台主体2的底部上。平台主体2上设有多个安装孔(图未示)。舵轮100上的电机104和壳体101先穿过相应的安装孔并置于平台主体内。接着，如图2A所示，销轴501依次穿过第一连接孔109a、弹簧502和安装孔 211，其中弹簧502置于法兰的上表面与平台主体的底面之间，以及销轴501的两端分别通过螺母503和504固定于法兰的下表面和平台主体上。具体地，销轴501的两端设有螺纹，以及销轴的两端分别与两个螺母旋合，从而将销轴的两端分别固定于法兰的下表面和平台主体上。这里，销轴501和弹簧502以及法兰和平台主体上的相应结构构成了悬架结构5。悬架结构5可以为滚轮103提供竖直方向的运动自由度。这样能保证全向移动平台在凹凸不平的路面上行走时能运行平稳以及四轮同时着地，通过悬架结构中的弹簧零件能有效地减少和降低移动平台在运行过程中的振动与噪音，并能根据实时路况做到相应的自适应调节。实际上，本实施例中，滚轮103在竖直方向上的运动自由度通过整个舵轮在竖直方向上的移动来实现。应理解的是，悬架结构可以采取任何合适的结构，只要其能够为滚轮提供竖直方向的运动自由度。[〇〇89]如图17和18所示，导向装置包括设置在平台主体2与舵轮100之间的相互间隔开的两组导向结构6。这两组导向结构配置成限制舵轮相对于平台主体径向移动并允许舵轮相对于平台主体在竖直方向上移动。如图2B所示，每组导向结构6包括直线轴承602和销轴 601，其中直线轴承602固定安装于舵轮的法兰109上的第二连接孔109b内。销轴601的一端通过锁紧螺母603固定连接于平台主体2,销轴601的另一端伸入直线轴承602并能够相对于直线轴承上下移动。通常，每个舵轮通过三组以上，例如四组悬架结构5和至少两组导向结构6安装于平台主体上。
[0090] 在舵轮上还设有光电开关1034,光电开关1034通过螺钉安装于支架上，支架通过螺钉安装于壳体101上。光电开关的作用是确定下架体的初始零点位置。[0091 ]工作时，舵轮100的转向自由度，即平台主体2的转向由电机104主动控制，而舵轮的驱动运动自由度随动。[〇〇92]实施例二[〇〇93]图6-7示出根据本发明的一替代实施例的舵轮200的结构示意图。本实施例的舵轮 200与上述实施例的舵轮100的主要不同之处在于电机204的安装位置以及齿轮组206,其余部分相同，相同的部分在此不再详述。[〇〇94]如图6-7所示，本实施例中，电机204安装于壳体201的侧部，即电机水平放置。相应地，与图5所示的实施例的齿轮组106相比，本实施例的齿轮组206减少了实施例一的两个锥齿轮1064和10633及其相应的轴承、压盖等安装构件，并且将锥齿轮10633替代为传动轴 20633,电机201的输出轴与传动轴20633联接。其余部分相同，在此不再详述。
[0095]与图3A-5所示的实施例相同，本实施例的舵轮200也通过悬架结构5和导向装置6 安装于平台主体上，并且在工作时，其转向运动自由度主动控制，而驱动(平移)运动自由度随动，在此不再详述。[〇〇96] 实施例三
[0097]图8-9示出根据本发明的一替代实施例的舵轮300的结构示意图。本实施例的舵轮 300与上述实施例的舵轮100的主要不同之处在于，本实施例的舵轮300取消了齿轮组106并将电机替代为轮毂电机304,其余部分相同，在此不再详述。本实施例中，轮毂电机304位于壳体301内，其输出轴与下架体连接，用于带动下架体转动。[〇〇98]与图3A-5所示的实施例相同，本实施例的舵轮300也通过悬架结构5和导向装置6 安装于平台主体上，并且在工作时，其转向运动自由度主动控制，而驱动(平移)运动自由度随动，在此不再详述。
[0099]驱动轮
[0100]实施例一
[0101]图10A-12示出根据本发明的一实施例的驱动轮400的结构示意图。如图10A-12所示，驱动轮400包括壳体401、下架体402、滚轮403以及电机404，其中电机404安装于壳体401 的顶部并与滚轮403关联以驱动滚轮403转动。电机404通过螺钉和电机座40040连接。电机座40040通过轴承4005和壳体4007连接。下架体402连接于壳体401的下端并能够相对于壳体401转动。滚轮403可转动地安装于下架体402上。
[0102] 如图12所示，驱动轮400进一步包括齿轮组件406。电机404的输出轴4041与齿轮组件406的输入端(即传动轴4001的一端)联接。齿轮组件406的输出端与传动轴40022连接以驱动滚轮403转动。齿轮组件406可以由能够实现将电机的转动传递到传动轴40022或滚轮 403的任何齿轮传动结构组成。图12所示的实施例中，齿轮组件406包括传动轴4001、锁紧螺母4002、轴承4003、压盖4004、中间轴4006、调整垫4008、轴承4009、压盖40010、压盖40012、 轴承套40013、锁紧螺母40014、传动轴40015、轴承40016、轴套40017、轴套40018、轴承 40019、轴套40020、齿轮40028、锁紧螺母40029、轴承40030、锁紧螺母40031、锁紧螺母 40032、齿轮40033、齿轮40034、锥齿轮40035、锥齿轮40036、锁紧螺母40037、轴承40038及传动轴40041。压盖4004通过螺钉和壳体4007连接。中间轴4006通过螺钉和电机座40040连接。 传动轴4001通过锁紧螺母4002、轴承4003和电机座40040连接。支撑轴4006通过螺钉和轴承座40039连接。传动轴4001通过轴承40038、锁紧螺母40037、压盖40012和轴承座40039连接。 轴承座40039通过轴承4009、调整垫4008、压盖40010和壳体4007连接。锥齿轮40036通过平键、锁紧螺母40014与传动轴4001连接。下架体402通过螺钉和压盖40012连接。传动轴40015 通过轴承40016、轴承40019、锁紧螺母40032与下架体402连接。轴套40020、轴套40018及轴套40017空套于传动轴40015上介于相应的轴承和齿轮之间。锥齿轮40035通过平键与传动轴40015连接。齿轮40034通过平键与传动轴40015连接。传动轴40041通过轴承40030、锁紧螺母40031与下架体402连接。齿轮40033通过平键与传动轴40041连接。齿轮40028通过平键与传动轴40021连接。
[0103] 齿轮40036与齿轮40035啮合。齿轮40030与齿轮40025啮合。齿轮40034与齿轮 40033啮合。齿轮40033与齿轮40028啮合。齿轮40028与传动轴40021连接。滚轮403固定连接于传动轴40021。工作时，电机404经由传动轴4001带动齿轮40036转动。齿轮40036带动齿轮40035转动。齿轮40035带动齿轮40034转动。齿轮40034带动齿轮40033转动。齿轮40033带动带动齿轮40028转动。齿轮40028带动传动轴40021转动，进而带动滚轮403转动。各个齿轮之间的传动比可根据需要设置，在此不再详述。
[0104] 下架体402通过螺钉和压盖40012连接。传动轴40021通过轴承40022、轴承40026、 锁紧螺母40029与下架体402连接。轴套40027、轴套40025及轴套40023空套于传动轴40021 上并介于相应的轴承和齿轮之间。滚轮403通过平键与传动轴40021连接。如图12所示，下架体402包括相互间隔开预定距离的两个支臂4021和4022。传动轴4015、传动轴4041以及传动轴40021从上到下依次通过相应的轴承连接于支臂上。滚轮403布置在两个支臂之间。[〇1〇5] 如图10A-10B所示，下架体40611的两个支臂外侧还分别设置有盖体407和408。盖体407和408可起到对安装于两个支臂上的轴承等进行保护的作用，防止灰尘等进入。壳体 401的下端设有从壳体的下端径向向外凸出的法兰409。法兰上设有第一连接孔409a和第二连接孔409b。第一连接孔409a和第二连接孔409b用于将驱动轮安装至平台主体2上，下文将进一步说明。[〇1〇6] 如图11所示，驱动轮400的转向轴线4040与滚轮403的滚动轴线4011之间设置一个偏置距离e2。优选地，偏置距离e2为:1/6扣2〈62〈2/3*02，其中02为滚轮403的直径。应理解的是，根据需要，偏置距离e2也可以采用其他任何合适的数值。驱动轮400的转向轴线4040 与滚轮403的滚动轴线4011之间的偏置可以通过将下架体的两个支臂做成特定的形状，例如类似L形来实现。
[0107] 组装时，驱动轮400通过悬架结构5和导向装置6安装于平台主体2的底部上。平台主体2上设有多个安装孔(图未示)。驱动轮400上的电机404和壳体401先穿过相应的安装孔并置于平台主体内。接着，如图2A所示，销轴501依次穿过第一连接孔409a、弹簧502和安装孔211，其中弹簧502置于法兰的上表面与平台主体的底面之间，以及销轴501的两端分别通过螺母503和504固定于法兰的下表面和平台主体上。具体地，销轴501的两端设有螺纹，以及销轴的两端分别与两个螺母啮合，从而将销轴的两端分别固定于法兰的下表面和平台主体上。这里，销轴501和弹簧502以及法兰和平台主体上的相应结构构成了悬架结构5。悬架结构5可以为滚轮403提供竖直方向的运动自由度。这样能保证全向移动平台在凹凸不平的路面上行走时能运行平稳以及四轮同时着地，通过悬架结构中的弹簧零件能有效地减少和降低移动平台在运行过程中的振动与噪音，并能根据实时路况做到相应的自适应调节。实际上，本实施例中，滚轮403在竖直方向上的运动自由度通过整个驱动轮在竖直方向上的移动来实现。[〇1〇8]导向装置6包括设置在平台主体2与驱动轮400之间的相互间隔开的两组导向结构 6,如图17和18所示。这两组导向结构配置成限制驱动轮相对于平台主体径向移动并允许驱动轮相对于平台主体在竖直方向上移动。如图2B所示，每组导向结构6包括直线轴承602和销轴601，其中直线轴承602固定安装于驱动轮的法兰409上的第二连接孔409b内。销轴601 的一端通过锁紧螺母603固定连接于平台主体2,销轴601的另一端伸入直线轴承602并能够相对于直线轴承上下移动。通常，每个驱动轮通过四组悬架结构5和至少两组导向结构6安装于平台主体上。
[0109]在驱动轮上还设有光电开关，光电开关通过螺钉安装于支架上，支架通过螺钉安装于壳体上。光电开关的作用是确定下架体的初始零点位置。
[0110]工作时，驱动轮400的驱动运动自由度，即平台主体2的平移由电机404主动控制， 而驱动轮400的转向自由度随动。[〇111]实施例二
[0112]图13-14示出根据本发明的一替代实施例的驱动轮500的结构示意图。本实施例的驱动轮500与上述实施例的驱动轮400的主要不同之处在于，本实施例的驱动轮500取消了齿轮组并将电机504安装于下架体502。具体地，轴承座505通过调整垫506、轴承507、压盖 508、压盖5015和壳体501连接。下架体502通过螺钉和压盖508连接，从而下架体502能够相对于壳体501转动。
[0113]传动轴509的两端分别通过轴承510和511安装于下架体502上的两个支臂5021和 5022上。滚轮503通过键连接于传动轴509上并位于两个支臂5021和5022之间。滚轮503与两个轴承510和511之间分别设有轴套513和514。电机504与传动轴509连接，从而电机的转动带动传动轴509转动，进而带动滚轮503转动。
[0114]与图10A-12所示的实施例相同，本实施例的驱动轮500也通过悬架结构5和导向装置6安装于平台主体上，并且在工作时，其转向运动自由度随动，而驱动(平移)运动自由度主动控制，即通过电机504驱动，在此不再详述。[〇115]实施例三
[0116]图15-16示出根据本发明的另一替代实施例的驱动轮600的结构示意图。本实施例的驱动轮600与上述实施例的驱动轮500的主要不同之处在于，本实施例的驱动轮600将电机替代为轮毂电机604并相应地改变传动轴的结构及其安装方式，其余部分相同，在此不再详述。本实施例中，滚轮603安装于轮毂电机604上。传动轴601固定安装于下架体6上，轮毂电机604安装于传动轴601上并位于下架体602的两个支臂6021和6022之间。轮毂电机604的转动带动滚轮603转动，从而完成驱动运动。
[0117]与图10A-12所示的实施例相同，本实施例的驱动轮600也通过悬架结构5和导向装置6安装于平台主体上，并且在工作时，其转向运动自由度随动，而驱动(平移)运动自由度主动控制，即通过轮毂电机驱动，在此不再详述。
[0118]本发明的全向移动平台底部采用了四轮布局方式，整个移动平台的运动由驱动轮的电机通过齿轮传动系统来实现，移动平台的运行方向变换由安装在舵轮上的电机来实现。因此可以对舵轮和驱动轮上的电机做运动控制，通过各电机的联动就可以实现移动平台在不改变自身姿态的前提下实现沿着平面内任意方向运动，这样就实现了移动平台的全向移动。
[0119]本发明的全向移动平台具有如下优点:
[0120]1)采用舵轮和驱动轮组合方式的全向移动平台在运行过程中舵轮和驱动轮各自的转向和驱动运动自由度无耦合，因而无需进行加入专门的解耦机构，结构简单，并且运行无侧滑，控制精度高。[0121 ]2)整个移动平台的运动传递都由齿轮传动来完成或者由电机直接驱动，它具有传动效率高，避免了带传动需要定期张紧的缺点。
[0122]3)在转向轴线和轮子滚动的轴线之间设置一个偏置距离，保证在转向时运动平稳。
[0123]4)在车架和驱动轮以及舵轮之间加入由弹簧、销轴等零件组成的悬架结构，保证平台在运行过程中能对各种路况做出相应的自适应调节，确保四轮始终同时着地，并能减小振动和噪音，同时可以适用于室内和户外的工作环境。
[0124]以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
【主权项】
1.一种全向移动平台，所述全向移动平台包括平台主体和轮组，所述轮组安装于所述 平台主体的底部，其特征在于，所述轮组包括:至少两个舵轮，每一个所述舵轮具有转向运动自由度和驱动运动自由度，其中所述舵 轮的转向运动自由度主动控制，而所述舵轮的驱动运动自由度随动；以及至少两个驱动轮，每一个所述驱动轮具有转向运动自由度和驱动运动自由度，其中所 述驱动轮的驱动运动自由度主动控制，而所述驱动轮的转向运动自由度随动。2.根据权利要求1所述的全向移动平台，其特征在于，每个所述舵轮包括第一电机，其 中所述舵轮的转向运动自由度由所述第一电机驱动，且每个所述驱动轮包括第二电机，所 述驱动轮的驱动运动自由度由所述第二电机驱动。3.根据权利要求1所述的全向移动平台，其特征在于，所述舵轮设有第一滚轮，其中所 述舵轮的转向轴线与所述第一滚轮的滚动轴线之间设置一个第一偏置距离，以及所述驱动 轮设有第二滚轮，所述驱动轮的转向轴线与所述第二滚轮的滚动轴线之间设置一个第二偏 置距离。优选地，所述第一偏置距离el为:1/6*01〈61〈2/3*01，其中01为所述第一滚轮的直径； 和/或所述第二偏置距离e2为:1/6祁2〈62〈2/3祁2，其中02为所述第二滚轮的直径。4.根据权利要求1所述的全向移动平台，其特征在于，所述舵轮包括第一壳体、第一下 架体、第一滚轮以及第一电机，其中所述第一下架体可转动连接于所述第一壳体的下端，所 述第一滚轮可转动地连接于所述第一下架体，以及所述第一电机与所述第一下架体关联以 驱动所述第一下架体转动。一实施例中，所述舵轮进一步包括第一传动轴，以及所述第一下架体包括相互间隔开 预定距离的两个第一支臂，其中所述第一传动轴的两端分别可转动地连接于所述两个第一 支臂，所述第一滚轮固定连接于所述第一传动轴并位于所述两个第一支臂之间。一实施例中，所述第一下架体进一步包括第一盖体，所述第一盖体构造成包围所述两 个第一支臂的至少一部分。5.根据权利要求4所述的全向移动平台，其特征在于，所述舵轮进一步包括位于所述第 一壳体内部的第一齿轮组件，所述第一电机的输出轴与所述第一齿轮组件的输入端联接， 所述第一齿轮组件的输出端与所述第一下架体关联以驱动所述第一下架体转动。一实施例中，所述第一电机安装于所述第一壳体的顶部，所述第一电机的输出轴位于 所述第一壳体内并与所述第一齿轮组件连接。一实施例中，所述第一电机安装于所述第一壳体的侧部，所述第一电机的输出轴位于 所述第一壳体内并与所述第一齿轮组件连接。另一实施例中，所述第一电机置于所述第一壳体内部且所述第一电机的输出轴与所述 第一下架体连接。6.根据权利要求1所述的全向移动平台，其特征在于，所述驱动轮包括第二壳体、第二 下架体、第二滚轮以及第二电机，其中所述第二下架体可转动连接于所述第二壳体的下端， 所述第二滚轮可转动地连接于所述第二下架体，以及所述第二电机与所述第二滚轮关联以 驱动所述第二滚轮转动。一实施例中，所述驱动轮进一步包括第二传动轴，以及所述第二下架体包括相互间隔 开预定距离的两个第二支臂，其中所述第二传动轴的两端分别可转动地连接于所述两个第二支臂，以及所述第二滚轮固定连接于所述第二传动轴并位于所述两个第二支臂之间。一实施例中，所述第二下架体进一步包括第二盖体，所述第二盖体构造成包围所述两 个第二支臂的至少一部分。一实施例中，所述第二电机的输出轴固定连接于所述第二传动轴，从而所述驱动轮的 驱动运动自由度由所述第二电机驱动。另一实施例中，所述第二电机为轮毂电机，其中所述轮毂电机安装于所述第二传动轴 上，以及所述第二滚轮安装于所述轮毂电机上。7.根据权利要求6所述的全向移动平台，其特征在于，所述驱动轮进一步包括第二齿轮 组件，其中所述第二电机的输出轴与所述第二齿轮组件的输入端联接，以及所述第二齿轮 组件的输出端与所述第二滚轮关联以驱动所述第二滚轮转动。一实施例中，所述第二电机安装于所述第二壳体的顶部，所述第二电机的输出轴位于 所述第二壳体内并与所述第二齿轮组件连接。8.根据权利要求1所述的全向移动平台，其特征在于，所述全向移动平台进一步包括悬 架结构，所述舵轮设有第一滚轮，及所述驱动轮设有第二滚轮，其中所述悬架结构为所述第 一滚轮和所述第二滚轮提供竖直方向的运动自由度。9.根据权利要求1所述的全向移动平台，其特征在于，所述舵轮与所述平台主体之间以 及所述驱动轮与所述平台主体之间均通过悬架结构连接。一实施例中，所述悬架结构包括布置于所述舵轮与所述平台主体之间的弹簧。10.根据权利要求8所述的全向移动平台，其特征在于，所述全向移动平台进一步包括 第一导向装置和第二导向装置，所述第一导向装置和所述第二导向装置分别配置成限制所 述舵轮和所述驱动轮相对于所述平台主体径向移动并允许所述舵轮和所述驱动轮相对于 所述平台主体在竖直方向上移动。11.根据权利要求10所述的全向移动平台，其特征在于，所述第一导向装置包括相互间 隔开的至少两组导向结构，每组所述导向结构包括直线轴承和销轴，其中所述直线轴承固 定安装于所述舵轮，所述销轴的一端固定连接于所述平台主体，所述销轴的另一端伸入所 述直线轴承。12.根据权利要求1所述的全向移动平台，其特征在于，所述第一壳体的下端设有从所 述第一壳体的下端径向向外凸出的法兰，所述法兰上设有连接孔;所述平台主体上设有安 装孔；以及所述悬架结构包括销轴和弹簧;其中，所述弹簧置于所述法兰的上表面与所述平 台主体的底面之间，所述销轴穿过所述连接孔、所述弹簧和所述安装孔，以及所述销轴的两 端分别固定于所述法兰的下表面和所述平台主体上。一实施例中，所述销轴的两端设有螺纹，以及所述销轴的两端分别与两个螺母旋合，从 而将所述销轴的两端分别固定于所述法兰的下表面和所述平台主体上。13.—种用于全向移动平台的舵轮，其特征在于，所述舵轮具有转向运动自由度和驱动 运动自由度，其中所述舵轮的转向运动自由度主动控制，而所述舵轮的驱动运动自由度随 动。一实施例中，所述舵轮包括电机，其中所述舵轮的转向运动自由度由所述电机驱动。14.根据权利要求13所述的舵轮，其特征在于，所述舵轮包括壳体、下架体、滚轮以及电 机，其中所述下架体可转动连接于所述壳体的下端，所述滚轮可转动地连接于所述下架体，以及所述电机与所述下架体关联以驱动所述下架体转动。一实施例中，所述舵轮进一步包括传动轴，以及所述下架体包括相互间隔开预定距离 的两个支臂，其中所述传动轴的两端分别可转动地连接于所述两个支臂，所述滚轮固定连 接于所述传动轴并位于所述两个支臂之间。15.根据权利要求14所述的舵轮，其特征在于，所述舵轮进一步包括位于所述壳体内部 的齿轮组件，所述电机的输出轴与所述齿轮组件的输入端联接，所述齿轮组件的输出端与 所述下架体关联以驱动所述下架体转动。一实施例中，所述电机安装于所述壳体的顶部，所述电机的输出轴位于所述壳体内并 与所述齿轮组件连接。一实施例中，所述电机安装于所述壳体的侧部，所述电机的输出轴位于所述壳体内并 与所述齿轮组件连接。另一实施例中，所述电机置于所述壳体内部且所述电机的输出轴与所述下架体连接。16.—种用于全向移动平台的驱动轮，其特征在于，所述驱动轮具有转向运动自由度和 驱动运动自由度，其中所述驱动轮的驱动运动自由度主动控制，而所述驱动轮的转向运动 自由度随动。一实施例中，所述驱动轮包括电机，所述驱动轮的驱动运动自由度由所述电机驱动。17.根据权利要求16所述的驱动轮，其特征在于，所述驱动轮包括壳体、下架体、滚轮以 及电机，其中所述下架体可转动连接于所述壳体的下端，所述滚轮可转动地连接于所述下 架体，以及所述电机与所述滚轮关联以驱动所述滚轮转动。一实施例中，所述驱动轮进一步包括传动轴，以及所述下架体包括相互间隔开预定距 离的两个支臂，其中所述传动轴的两端分别可转动地连接于所述两个支臂，以及所述滚轮 固定连接于所述传动轴并位于所述两个支臂之间。一实施例中，所述电机的输出轴固定连接于所述传动轴，从而所述驱动轮的驱动运动 自由度由所述电机驱动。一实施例中，所述下架体进一步包括盖体，所述盖体构造成包围所述两个支臂的至少 一部分。18.根据权利要求17所述的驱动轮，其特征在于，所述驱动轮进一步包括齿轮组件，其 中所述电机的输出轴与所述齿轮组件的输入端联接，以及所述齿轮组件的输出端与所述滚 轮关联以驱动所述滚轮转动。一实施例中，所述电机安装于所述壳体的顶部，所述电机的输出轴位于所述壳体内并 与所述齿轮组件连接。另一实施例中，所述电机为轮毂电机，其中所述轮毂电机安装于所述传动轴上，以及所 述滚轮安装于所述轮毂电机上。
【文档编号】B25J5/00GK105946451SQ201610300370
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】杨桂林, 王慰军, 张驰, 陈庆盈, 郑天江, 李俊杰
【申请人】中国科学院宁波材料技术与工程研究所