独立转向轮及轮式机器人的制作方法

1.本实用新型涉及车轮技术领域，尤其涉及一种独立转向轮及轮式机器人。


背景技术：

2.转向轮是可以使其所承载物体运动方向发生改变的轮子。独立转向轮是轮式机器人的核心部件，占据整个轮式机器人总成本的15％-20％。
3.轮式机器人所使用的脚轮中一般有驱动转向支撑轮和从动支撑轮，在现有技术中，通常采用舵轮作为驱动转向支撑轮，采用万向轮和定向轮作为从动支撑轮。
4.但是，当采用舵轮作为轮式机器人的驱动转向支撑轮时，虽然具有行走驱动和主动转向功能，但是单独作为转向轮使用时，由于行走减速机等限制，其承载能力有限，转向力矩较大，且造成资源浪费，制造成本较高。而万向轮虽然具有360
°
从动转向功能，但不能实现主动转向功能；定向轮更是不能实现转动功能。


技术实现要素：

5.本实用新型提供一种独立转向轮及轮式机器人，用以解决现有技术中舵轮作为转向轮使用时承载能力有限，转向力矩较大；而定向轮无法实现转动、万向轮无法实现主动转向功能的缺陷。
6.本实用新型提供一种独立转向轮，设置于车架底部，包括：
7.支架结构；
8.转向结构，设置于所述支架结构上；
9.回转支承结构，与所述转向结构传动连接；且所述回转支承结构具有可相对转动的内圈和外圈，所述内圈和所述外圈的其中一者设置于所述支架结构上，另一者用于与所述车架连接；
10.轮组结构，可转动地设置于所述支架结构上。
11.根据本实用新型提供的一种独立转向轮，所述转向结构包括驱动装置和与所述驱动装置连接的传动机构；所述驱动装置设置于所述支架结构上，所述传动机构与所述回转支承结构传动连接。
12.根据本实用新型提供的一种独立转向轮，所述传动机构为链传动机构、带传动机构、齿轮传动机构或蜗轮蜗杆传动机构。
13.根据本实用新型提供的一种独立转向轮，所述内圈与所述支架结构连接，所述外圈与所述车架连接，所述外圈的底部还设置有行程触板；
14.还包括限位检测结构，所述限位检测结构设置于所述支架结构上；在所述支架结构转动过程中，所述行程触板能够触发所述限位检测结构。
15.根据本实用新型提供的一种独立转向轮，所述限位检测结构包括一对行程开关，且一对所述行程开关与所述行程触板的两侧的夹角相同。
16.根据本实用新型提供的一种独立转向轮，所述限位检测结构还包括限位块，所述
限位块设置于一对所述行程开关之间。
17.根据本实用新型提供的一种独立转向轮，所述支架结构包括：
18.顶板，所述顶板上设置有所述转向结构和所述回转支承结构的内圈；
19.左支腿和右支腿，相对设置于所述顶板的底部；且所述轮组结构可转动设置于所述左支腿和所述右支腿上。
20.根据本实用新型提供的一种独立转向轮，还包括扎线结构，所述扎线结构设置于所述顶板的内部中空处。
21.根据本实用新型提供的一种独立转向轮，所述轮组结构包括：
22.一对聚氨酯胶轮；
23.螺栓，贯穿所述左支腿、一对所述聚氨酯胶轮和所述右支腿；
24.轴承组，设置于所述聚氨酯胶轮和所述螺栓之间。
25.本实用新型还提供一种轮式机器人，包括机器人车体和如上所述的独立转向轮，所述独立转向轮可转动地设置于所述机器人车体上。
26.本实用新型提供的独立转向轮，通过支架结构为转向结构、回转支承结构和轮组结构提供安装平台；由于回转支承结构与转向结构传动连接，且回转支承结构的内圈和外圈的其中一者设置于支架结构上，另一者用于与车架连接，在转动结构提供转动动力的前提下，内圈和外圈中，与车架连接的一者保持不动，另一者带动轮组结构实现独立转向。
27.与驱动舵轮相比，因降低了驱动行走功能，没有行走电机和行走减速机，所以相比结构简单，承载能力强，转向力矩小；与万向轮和定向轮相比，则具有主动独立转向功能。
28.本实用新型还提供一种轮式机器人，由于包括如上所述的独立转向轮，因此具备如上所述的各种优势。
附图说明
29.为了更清楚地说明本实用新型或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1是本实用新型提供的独立转向轮的结构示意图；
31.图2是本实用新型提供的独立转向轮的爆炸图；
32.图3是本实用新型提供的限位检测结构与行程触板的相对位置示意图；
33.图4是本实用新型提供的支架结构的爆炸图；
34.图5是本实用新型提供的轮组结构的安装结构示意图；
35.附图标记：
36.1、支架结构；11、顶板；12、左支腿；13、右支腿；14、连接板；
37.2、转向结构；21、电机；22、传动机构；23、减速机；24、齿轮垫板；
38.3、回转支承结构；31、内圈；32、外圈；33、行程触板；34、定位销；
39.4、轮组结构；41、聚氨酯胶轮；42、螺栓；43、轴承组；44、套筒；45、第一隔垫；46、第二隔垫；
40.5、限位检测结构；51、行程开关；52、限位块；
41.6、扎线结构；61、扎带固定座；62、防护挡板。
具体实施方式
42.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
43.下面结合图1至图5描述本实用新型的一种独立转向轮，用以解决现有技术中舵轮单独作为转向轮使用时，由于行走减速机等限制，其承载能力有限，转向力矩较大，且造成资源浪费，制作成本较高的问题。
44.如图1和图2所示，本实用新型提供的独立转向轮，设置于车架底部，用于带动车架转向，包括支架结构1、转向结构2、回转支承结构3和轮组结构4，转向结构2设置于支架结构1上；回转支承结构3与转向结构2传动连接；且回转支承结构3具有可相对转动的内圈31和外圈32，内圈31和外圈32的其中一者设置于支架结构1上，另一者用于与车架连接；轮组结构4可转动地设置于支架结构1上。
45.本实用新型提供的独立转向轮，通过支架结构1为转向结构2、回转支承结构3和轮组结构4提供安装平台；由于回转支承结构3与转向结构2传动连接，且回转支承结构3的内圈31和外圈32的其中一者设置于支架结构1上，另一者用于与车架连接，在转向结构2提供转动动力的前提下，内圈31和外圈32中与车架连接的一者保持不动，另一者通过支架结构1带动轮组结构4实现独立转向。本实用新型提供的独立转向轮，与驱动舵轮相比，因降低了驱动行走功能，没有行走电机和行走减速机，所以相比结构简单，承载能力强，转向力矩小；与万向轮和定向轮相比，则具有主动独立转向功能。
46.如图2所示，在本实用新型的实施例中，转向结构2包括驱动装置和与驱动装置连接的传动机构22，驱动装置设置于支架结构1上，传动机构22与回转支承结构3传动连接。驱动装置包括电机21和减速机，电机21用于提供转动动力，减速机23设置于支架结构1上，传动机构22用于将电机21和减速机23提供的转动动力传递给回转支承结构3，实现回转支承结构3的转动。
47.具体的，传动机构22可以为链传动机构，可以为带传动机构，可以为齿轮传动机构，还可以为蜗轮蜗杆传动机构。
48.在本实用新型的一个实施例中，传动机构22可以为转向齿轮，转向齿轮与回转支承结构3的外圈32啮合传动。安装时，转向齿轮套设于减速机23的输出轴上，并通过齿轮垫板24对转向齿轮实现轴向方向的限位，以使转向齿轮仅可以沿减速机23的输出轴的径向方向转动，防止上下窜动。
49.需要说明的是，为了保证转向齿轮沿水平方向转动，则在电机21和减速机23进行安装时，电机21和减速机23的输出轴则应沿竖直方向设置。转向结构2的转向动力通过配置编码器的伺服电机连接减速机传输到转向齿轮，再通过转向齿轮和回转支承结构3实现转向，其中，通过选取合适电机21和减速机23参数，以及设置合适的齿轮传动比，可实现在保证转向速度的前提下获得较大力矩。
50.如图2所示，在本实用新型的实施例中，内圈31与支架结构1连接，外圈32与车架连接，外圈32的底部还设置有行程触板33。支架结构1上设置有限位检测结构5，在支架结构1转动过程中，行程触板33能够触发限位检测结构5，当行程触板33触发到限位检测结构5时，转向结构2停止工作，可以保证转向轮的安全性，避免转向时出现飞车现象。
51.如图3所示，更进一步的，限位检测结构5包括一对行程开关51，行程开关51作为电气限位，独立转向轮在转向时，支架结构1转动，带动行程开关51转动，通过行程触板33触发行程开关51，保证独立转向轮两侧转向角度相同，一对行程开关51与行程触板33的两侧的夹角相同。为保证独立转向轮的旋转角度大于90
°
，则两个行程开关51布置角度α＞90
°
。
52.如图2和图3所示，为了保证独立转向轮的转向安全，还需要设置机械限位，即当电气限位故障或失效时，通过机械限位实现二次保护。更为具体的，限位检测结构5还包括限位块52，限位块52设置于一对行程开关51之间，机械限位角度β大于电气限位角度α。
53.通过设置一对行程开关51作为电气开关，限位块52作为机械限位，通过布置行程触板33和行程开关51的位置角度，可实现左右旋转角度相等且大于90
°
，限位块52作为机械限位使用，可保证独立转向轮的安全性，避免转向时出现飞车现象。
54.另外，如图3所示，回转支承结构3上还设置有零刻度线，当内圈和外圈的零刻度线对准时则处于零位状态，可实现手动回零校准，也可通过伺服电机的绝对值编码器或行程开关51实现回零校准，便于独立转向轮在车架上安装时独立转向轮处于零位。
55.为了保证回转支承结构3和转向齿轮的啮合精度，通过定位销34保证回转支承结构3在支架结构1上的定位精度。
56.如图4所示，在本实用新型的实施例中，支架结构1包括顶板11、左支腿12和右支腿13，顶板11上设置有转向结构2和回转支承结构3的内圈，左支腿12和右支腿13相对设置于顶板11的底部；且轮组结构4可转动设置于左支腿12和右支腿13上。为保证顶板11、左支腿12和右支腿13装配的位置精度，可以在顶板11上加工支腿插接孔，在左支腿12和右支腿13上加工插接销，这样通过插接销和插接孔的精密配合保证顶板11、左支腿12和右支腿13的相对位置，避免独立转向轮的回转中心与回转支承结构3中心出现较大偏移，同时也可以保证左支腿12和右支腿13的间距，保证回转支承结构3的安装精度。顶板11、左支腿12和右支腿13采用焊接的方式固定，焊接的支架结构简单，承载能力强。
57.另外，在本实用新型的实施例中，顶板11上还可以开设工艺孔，便于后期对行程触板33的紧固维修。
58.为了进一步地保证左支腿12和右支腿13的间距，在左支腿12和右支腿13之间还可以设置有连接板14。连接板14可以与左支腿12和右支腿13焊接，也可以采用其他方式固定连接。
59.如图2所示，在本实用新型的实施例中，还包括扎线结构6，扎线结构6设置于顶板的内部中空处。扎线结构包括扎带固定座61和防护挡板62，便于固定与电机21提供电源的电线，避免独立转向轮转向过程中出现磨损断裂现象。防护挡板62设置于顶板11的内部中空处，扎带固定座61设置于防护挡板62上。
60.如图5所示，在本实用新型的实施例中，轮组结构4包括一对聚氨酯胶轮41、螺栓42和轴承组43，螺栓42贯穿左支腿12、一对聚氨酯胶轮41和右支腿13；轴承组43设置于聚氨酯胶轮41内部。左支腿12和右支腿13上安装有一对聚氨酯胶轮41，与单轮轮组相比，在转向过
程中将滑动摩擦阻力转变成滚动摩擦阻力，转向阻力小，螺栓42不仅起到固定连接轮组结构4和支架结构1的作用，也起到了旋转轴的作用。
61.为了保证螺栓42的强度，可以在螺栓42的外周套设有套筒44，一对聚氨酯胶轮41之间还设置有第一隔垫45，第一隔垫45设置的目的是防止一对聚氨酯胶轮41之间相互摩擦。
62.为了保证聚氨酯胶轮的转动效果，轴承组43设置为四个滚动轴承，每个聚氨酯胶轮41上分别设置有两个滚动轴承。
63.同理，为了防止聚氨酯胶轮41与左支腿12或右支腿13之间的摩擦，在聚氨酯胶轮41的外侧，也就是聚氨酯胶轮41与左支腿12或右支腿13之间设置有第二隔垫46。
64.第一隔垫45和第二隔垫46为环状，优选采用刚性材质，以确保部件之间刚性连接，防止聚氨酯胶轮41在转向过程中左右窜动。
65.轮组结构4在安装时，需要先将聚氨酯胶轮41、轴承组43、第一隔垫45和第二隔垫46安装在套筒44上，再整体将螺栓42通过套筒44连接到支架结构1上，该结构很大程度上便于轮组结构4的组装。
66.本实用新型的另外一方面实施例在于提供一种轮式机器人，包括机器人车体和如上所述的独立转向轮；独立转向轮可转动地设置于机器人车体上。
67.本实用新型提供的轮式机器人，由于包括如上所述的独立转向轮，因此具备如上所述的各种优势。
68.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。