[發明專利]基于人工勢場的球形全向車輪機構

有效

• 申請號: 201711012253.0
• 申請日: 2017-10-26
• 公開（公告）號: CN107697180B
• 公開（公告）日: 2023-10-17
• 發明（設計）人: 黃用華;王親猛;黃浩;莊未;李凱;鐘艷如;黃美發;孫永厚;匡兵;鐘永全
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: B62D57/02
• 分類號: B62D57/02
• 代理公司: 桂林市持衡專利商標事務所有限公司 45107
• 代理人: 黃瑋

技術領域

本發明涉及輪式道路行走機構，具體為一種基于人工勢場的球形全向車輪機構。

背景技術

四輪汽車是人們日常生活廣泛使用的交通工具，車輪車體支撐和驅動是其基本單元。

目前，常見的車輪往往只能繞與車輪平面垂直的轉軸回轉，因此汽車通常不能實現橫移，這容易限制汽車停車入庫和快速避險的靈活性。

最近，英國發明家馬修利迪亞德(Matthew Liddiard)設計了一種可橫向驅動的全向輪機構并將其應用在汽車車輪，稱為Liddiard wheel。這種全向車輪運動時可以沿著車體行進的方向橫向滾動，從而使汽車能夠流暢地從左邊(右邊)橫向移動到右邊(左邊)。該機構的設計原理是在輪轂中間裝有可以驅動的節輪，節輪的轉軸平行于車輪平面。

目前，這種車輪已有物理樣件裝在試驗的乘用小汽車上，取得了一定的效果。然而，Liddiard wheel的驅動節輪與車胎需要壓緊接觸，并且兩者通過摩擦來傳遞動力，而車胎則與路面直接接觸，這樣可能會因為外界的泥水沙塵等導致節輪和輪胎之間出現打滑的現象，從而影響動力傳遞的效果；另外，輪胎外層處于拉伸狀態而內層處于擠壓狀態，這樣當輪胎橫向滾動時會反復拉伸，長時間運行時可能會導致輪胎過度疲勞，從而降低使用壽命。

全向球形機器人是一種能夠實現全方位運動的機構，可以為汽車車輪設計提供思路。比如，申請號為CN201620109635.X的實用新型提出了一種《摩擦式內驅動全方位球形機器人機構》，該機構由內外兩個球殼構成，其中，內部小球采用偏心設計并裝有帶驅動的全向輪，全向輪與外球殼內壁接觸，通過摩擦驅動其全方位運動；另外，內球殼在重力勢場下保持小角度范圍的穩定。然而，當該機構作為車輪在高速、重載下工作時，根據相對運動原理，由于重力產生的恢復力矩有限，內部偏心小球容易發生高速的周轉，從而造成小球晃動及系統不穩定現象，因此其作為車輪應用尚存在一些問題。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明所要解決的技術問題是提出了一種保證系統穩定運行的基于人工勢場的球形全向車輪機構。

能夠解決上述技術問題的基于人工勢場的球形全向車輪機構，其技術方案包括同球心的內、外球殼以及基于內球殼設于外球殼內的外球殼驅動組件，所不同的是所述外球殼驅動組件包括于內、外球殼下部之間圓周均布的三個單排全向輪，三個單排全向輪的回轉中心線斜向下方相交于一點且該交點處于過球心的垂直線上，各單排全向輪通過對應輪架安裝于內球殼對應位置上，各輪架與內球殼之間設有彈性元件將對應單排全向輪抵壓預緊在外球殼的內殼面上，各輪架上設有驅動對應單排全向輪的行走電機；所述內球殼安裝于隔磁板底部，所述隔磁板上設有上拱的同球心鼓形架，所述鼓形架通過其上均布的牛眼輪與外球殼的上半內殼面滾動連接，鼓形架內的隔磁板頂部通過電磁鐵支架安裝球內電磁鐵；所述外球殼通過車輪架安裝于汽車底盤上，所述汽車底盤與外球殼之間的車輪架內設有與球內電磁鐵對位的球外電磁鐵，所述球外電磁鐵與球內電磁鐵相對的極端異極相吸。

上述結構中，球內電磁鐵和球外電磁鐵構成的人工勢場可產生與重力勢場等效的恢復力矩，起到加強重力勢場和增強內球殼恢復力矩的作用；當各單排全向輪正常工作時，在恢復力矩的作用下，可有效地避免內部發生周轉現象，從而保證內部系統的穩定性。

所述車輪架的一種結構包括上部的籠形架體和下部的環形架體，所述環形架體環繞在外球殼的球徑處并通過其上圓周均布的牛眼輪與外球殼滾動連接，所述籠形架體的上部內通過牛眼輪架安裝有牛眼輪，水平圓周均布的牛眼輪與外球殼的上部滾動連接。

為使球內電磁鐵更靠近球外電磁鐵，所述鼓形架頂部開設有使球內電磁鐵頂部露出的開口。

常規上，所述鼓形架上的牛眼輪設置為三個，三個牛眼輪的位置對稱于三個單排全向輪與外球殼的內殼面抵觸的位置。

本發明的有益效果：

1、本發明基于人工勢場的球形全向車輪機構的結構中，由電磁鐵系統產生的人工勢場可加強重力勢場，從而增強恢復力矩，進而使得球形全向車輪機構的內部系統更加穩定(可避免三個單排全向輪隨內球殼發生周轉運動)，可人為改變人工勢場的相關參數來增強恢復力矩。

2、本發明結構中，內部系統組成的綜合體質心位于球形全向車輪機構的下部，這種質心偏置的結構以及在恢復力矩的作用下可使內部系統保持基本穩定，從而避免了內部系統發生周轉現象帶來的不利影響。

3、本發明結構中，三個單排全向輪經過電機驅動產生三個不同方向的速度矢量，這三個不同方向的速度矢量可合成空間中任意方向的速度矢量，從而實現外球殼的全方位運動。