球形轮和实施该轮的车辆 |
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| 申请号 | CN201380031504.3 | 申请日 | 2013-04-30 | 公开(公告)号 | CN104379361B | 公开(公告)日 | 2017-02-22 |
| 申请人 | 奥尔德巴伦机器人公司; | 发明人 | V·克莱尔; B·迈索尼耶; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种用于移动车辆的球形轮(10)通过能够绕着轴线(14)旋转的轴(12)来旋转。根据本发明，该轮(10)包括两个半球形壳体(15、16)，所述两个半球形壳体的表面依照轮(12)的球形表面，且所述两个半球形壳体中的每个都由平面(17、18)所界定。半球形壳体(15、16)分别能够通过枢转连接部相对于轴(12)枢转，所述枢转连接部中的每个的轴线(21、22)都垂直于相关的半球形壳体(15、16)的所述平面(17、18)。界定所述两个半球形壳体(15、16)的所述平面(17、18)相交。(10)并涉及一种实施该轮的车辆，其中，该轮 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于移动车辆(11)的球形轮，该轮(10)的旋转通过能够绕着轴线(14)旋转的轴(12)来驱动，其特征在于，所述轮(10)包括两个壳体(15、16)，所述两个壳体(15、16)的表面依照所述轮(10)的球形表面，且所述两个壳体(15、16)中的每个分别由一平面(17、18)来界定，所述壳体(15、16)分别借助于枢转连接部(19、20)相对于所述轴(12)铰接，所述枢转连接部(19、20)中的每个的轴线(21、22)分别垂直于相应的壳体(15、16)的所述平面(17、18)，界定所述两个壳体(15、16)的所述平面(17、18)是相交的。 |
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| 说明书全文 | 球形轮和实施该轮的车辆技术领域[0001] 本发明涉及一种用于移动车辆的球形轮和一种实施该轮的车辆。 背景技术[0002] 在传统方式中，四轮车辆装配有使车辆能够改变方向的定向轮。轮借助于枢转连接部连接至车辆，且在定向轮的情况下增加了旋转方向上的附加自由度。当定向轮被驱动时，万向节使得轮能够被驱动，同时使得枢转连接部的轴线的定向能够被改变。该类构型不能实现小的转弯半径。换言之，不可能使车辆在无速度的情况下原地枢转。 [0003] 此外，已经试图创造一种具有球形轮的车辆，每个球形轮均能自行枢转。这种实施方式的一个示例在以JP 2007-210576公开的专利申请中描述。该文献描述了一种包括两个半球的轮。该轮由水平驱动轴致动，所述水平轴驱动用于支承所述两个半球的支撑部的旋转。所述两个半球均通过枢转连接部安装在支撑部上。这两个枢转连接部成一条直线。这两个枢转连接部共同具有的轴线垂直于驱动轴的旋转轴线。车辆、比如机器人如文献JP 2007-210576中所述可装配有四个轮。四个轮的驱动轴的轴线于是布置成彼此垂直。因此，轮成对地对齐。驱动第一对的两个轮使得车辆能够沿着与该对轮共同具有的轴线垂直的方向移动。在第二对轮的情况下，所述半球绕着它们的枢转连接部自由旋转。将机器人沿着垂直的方向移动通过驱动第二对轮来实现。组合的移动当然也是可能的。这使得车辆能够沿着任何方向移动甚至自旋。 [0004] 该实施方式具有缺点。特别地，轮的驱动轴通过轮的赤道平面进入轮，该平面位于两个半球之间。赤道平面与地球的球体类似地定义。该平面将可与地球的北半球和南半球相似的这两个半球分开。驱动轴必须具有某一刚度，这意味着最小直径被施加于驱动轴。这两个半球因此至少被该直径隔开一距离。但实际上，需要将功能间隙加到该轴的直径上，以便防止所述半球摩擦驱动轴。这于是使得所述两个半球均被平面所界定。这两个半球的平面是平行的且以一距离隔开地定位，该距离不能被减小，以免造成损害驱动轴的刚度的风险。 [0005] 当轮的赤道平面相对于假定为水平的地面成垂直位置时，在轮压在地面上时产生不连续性。更特别地，当轮被驱动时，轮的赤道平面随着每次轮转动而与地面产生接触，并使地面压力从一个半球转换至另一半球，因而从一个半球的平面转换至另一半球的平面。只要发生该不连续性，就可产生抓持力的损失，从而轮的球状性质暂时失去，且在高速下还产生伴随每个不连续性的噪音。 发明内容[0006] 本发明试图提供一种能够减少不连续性的缺点的球形轮。换言之，本发明试图使得能够在不增加不连续性的情况下使用直径更大的驱动轴。 [0007] 为此，本发明的一个主题是一种预期用于移动车辆的球形轮，该轮的旋转通过能够绕着轴线旋转的轴来驱动，其特征在于：所述轮包括两个壳体，所述两个壳体的表面依照所述轮的球形表面，且所述两个壳体中的每个分别由一平面来界定；所述壳体分别借助于枢转连接部相对于所述轴铰接，所述枢转连接部中的每个的轴线分别垂直于相应的壳体的所述平面；以及界定所述两个壳体的所述平面是相交的。 [0008] 换言之，所述两个枢转连接部的轴线不成一条直线。 [0010] 通过借助示例给出的一个实施例的详细描述将更好地理解本发明且更明了其他优点，该描述通过附图示出，在附图中： [0011] 图1和图2示出了实施本发明的原理的球形轮； [0012] 图3和图4示出了用于显示属于根据本发明的轮的壳体的开口角度如何被优化的曲线； [0013] 图5和图6示出了该轮的实施例的第一替代性形式； [0014] 图7和图8示出了该轮的实施例的第二替代性形式； [0015] 图9、图10和图11示出了轮表面的多个形状； [0016] 图12示出了装配有多个轮的车辆的一个示例。 具体实施方式[0017] 为了清楚起见，在各个附图中，相同的元件将以相同的附图标记来表示。 [0018] 图1和图2示出了预期用于移动车辆11的球形轮10。图1以轮廓画出，且图2以透视图画出。轮10的旋转通过轴12来驱动。车辆11以其主体的形式示出，且轴12通过枢转连接部13连接至该主体。轴12的旋转轴线以附图标记14来表示。 [0019] 根据本发明，轮10包括两个壳体15、16，所述两个壳体15、16的表面依照轮10的球形表面。壳体15由平面17界定，且壳体16由平面18界定。壳体15、16分别借助于相应的枢转连接部19和20相对于轴12铰接。枢转连接部19的轴线21垂直于壳体15的平面17，且枢转连接部20的轴线22垂直于壳体16的平面18。这两个枢转连接部19和20位于它们相应的壳体内，且随后将详细描述。 [0020] 可制造不同的壳体15、16，但优选地壳体15、16是相同的且相对于轴12对称地布置。换言之，平面17、18沿着一直线相交，该直线与轴12的轴线14具有交点30。在该构型中，所述两个枢转连接部19和20的轴线21和22是相交的，且在轴线21和22之间具有非零角度。 [0021] 轮10预期用于沿着在图1和图2中以附图标记25表示的地面行驶。两个壳体15、16中的一个与地面25接触。当轴12驱动轮10时，轮沿着轮10的球形表面的圆26与地面25保持接触。在该运动中，车辆的速度矢量在轴线14与包含圆26的平面之间的交点27处垂直于轴线14。当车辆11的速度矢量(被施加于点27)不垂直于轴线14时，与地面接触的壳体就开始绕着其枢转连接部自由转动。 [0022] 换言之，与地面接触的壳体被赋予两种运动：绕着轴线14的驱动式第一旋转和绕着壳体的枢转连接部的轴线的第二旋转。当然，这两种旋转可根据车辆在点27处的速度矢量的方向来组合。 [0023] 在轮10的操作中，当与地面25接触的壳体(在图1中是壳体16)的平面18变得水平时出现奇点。在该构型中，如果车辆具有在点27处施加的不垂直于轴线14的矢量，壳体16就不能绕着其枢转连接部20转动，并从而沿着地面25滑动。为了防止该滑动，每个壳体15、16均包括滚子，所述滚子定位在相应的壳体的枢转连接部的延续部中并能够在球形表面处滚动。更特别地，壳体15装配有滚子28，且壳体16装配有滚子29。滚子28和29可具有单一自由度，以便绕着与轴线14垂直的轴线旋转。该旋转运动足以防止轮在奇点构型中滑动。该滚子均具有依照轮10的球形表面的滚动线。 [0024] 还可分别给予滚子28和29两个自由度，以便绕着位于相应的枢转连接部的轴线上的点旋转。该滚子仍使其行驶表面的一点位于相关的枢转连接部的延续部中并与轮10的球形表面对齐。该滚子(其可类似于壳体中的自由转动球)与具有一个自由度的滚子相比更易于定位。 [0025] 可较容易地看出，在轮10旋转时，与地面25的接触在圆26的一点上实现，包含该圆26的平面垂直于轴线14。此外，在平面17、18沿着与轴12的轴线14具有交点30的直线相交的示例中，可限定平面17、18之间的在圆26处的距离y，以及在平面17、18与球形表面的交点处将平面17、18分隔的距离d，该交点是离点30最远的交点。该距离d代表轴12的最大可能直径。实际上，为了避免轴12与壳体15、16之间的任何摩擦，功能间隙设置在轴12与壳体15、16之间。因此，为了简化解释，距离d将被当作轴12的直径。应当注意，选择平面17、18的布置而使得它们相交意味着：对于给定的距离y，轴12的直径d可增大，这使得可增加轴的刚度，或替代性地对于给定的直径d，在轮10的行驶中产生不连续性的距离y可减小。这与在现有技术方面所描述的是同样的不连续性。 [0026] 图3和图4绘出了这两个平面17、18之间所形成的角度的优化曲线。限定了轴线14相对于被看作是水平表面的地面25的倾斜角度α。该角度α在圆26与垂直于地面平面25的球半径(即竖直半径)之间。 [0027] 在所示出的示例中，假定平面18可采取平行于地面25的位置，所述地面25在此被示为水平的，如图1所示。因此，属于壳体16的枢转连接部20的轴线22在图1的构型中是竖直的球半径。因此，这两个平面17、18的敞开角度具有值2α。该假定对于实施本发明而言不是强制性的。然而，它通过滚子处理而限制了在奇点处的滑动。 [0028] 这两个曲线给出了距离y的值。第一曲线32示出了以y1表示的距离随着交点30的位置而变化的情况。在该计算中所涉及的参数是角度α、球半径r和距离d。该曲线开始于交点位于无穷远处的情况，即根据现有技术的情况。 [0029] 一般方程为： [0030] [0031] 给出了以下数值：d＝10mm和r＝70mm。发现距离y1随着交点30移动靠近轮10而减小。 [0032] 第二曲线33代表：在交点30位于球的表面处的情况下，以y2表示的距离随着这两个平面17、18的敞开角度的变化情况。 [0033] 一般方程为： [0034] y2＝2r(1-sinα)tanα (2) [0035] 保持了相同的数值：d＝10mm和r＝70mm。这两条曲线32和33在同一坐标系下绘出。图3示出了这两条曲线32和33随着从0变化至90°的角度α的变化。大值的角度α不太值得关注。这是因为，在车辆的轮的轴线14过陡地倾斜的情况下难以驱动车辆。主要关注的是角度α值小于10°的情况。该部分曲线32和33在图4中以放大的视图绘出。 [0036] 这两条曲线32和33具有交点35，该交点35对于所选的数值而言给出了2°的角度α和4.84mm的距离y值。实际上，第一曲线32的延伸超过交点35的那部分因为点30将位于球内而是无法实现的。同样地，第二曲线33的位于交点35之前的那部分由于壳体15、16将与轴12干涉而是无法实现的。因此，最佳值位于交点35处。该值是理论上的。在壳体15、16之间靠近点30以及在壳体和轴12之间在距离d处都需要设置功能间隙。 [0037] 图5以剖视图示出了轮10的一个示例性示例，一方面包括壳体15、枢转连接部19的轴线21和滚子28的轴线，以及另一方面包括壳体16、枢转连接部20的轴线22和滚子29的轴线。 [0038] 轮10包括固定至轴12的支撑部40。壳体15包括刚性支承结构41和柔性材料层42。同样地，壳体16包括刚性支承结构43和柔性材料层44。柔性材料层42和44的特性被选择成： 能在轮10预期行驶的地面25上实现抓持力。层42和44形成了壳体15、16的球形表面。层42和 44例如由橡胶或硅酮制成。 [0039] 枢转连接部19连接支撑部40和刚性支承结构41。枢转连接部20连接支撑部40和刚性支承结构43。在所示的示例中，枢转连接部19和20中的每个都由两个支承部形成：支承部46和47用于连接部19，且支承部48和49用于连接部20。当然，可根据轮10的期望刚度来对每个壳体使用不同数量的支承部。在该实施例中，支承部借助于嵌在支撑部40与相应的支承结构之间的间隔件来形成。该间隔件例如由可获得低摩擦系数的材料制成。例如可使用聚四氟乙烯。支承部的其他实施方式也是可能的。例如，可使用滚动支承部，以便限制在枢转连接部19和20的旋转中的阻力力矩。 [0040] 对于每个壳体15、16，相应的柔性材料层被中断，以使滚子能够穿过。有利地，每个壳体均包括抑制环，所述抑制环被构造成能限制所述层在它被中断的区域中的蠕变。随着由于车辆11的重量而产生的轮10在地面25上的压力，柔性材料层显著地易于蠕变。对滚子周围的蠕变进行限制使得可减小中断的尺寸而不在滚子和柔性材料层之间引起摩擦风险。这种摩擦可阻止壳体绕着其枢转连接部旋转。因此，柔性材料层的边缘可更靠近滚子，由此在压力在柔性材料层与滚子之间转换的情况下限制轮10在地面25上的压靠中的不连续性。 [0041] 在壳体15的情况下，抑制环例如包括肋部51，所述肋部51在支承结构41中制成并围绕滚子28。同样地，在壳体16的情况下，制成在支承结构43中的肋部52围绕滚子29。图6是轮10在肋部52的区域中的放大局部视图。支承结构41、43可通过模制来形成，且肋部51、52随着支承结构被模制。抑制环51、52可以是绕着相应的枢转连接部的轴线的圆柱形状，如图5所示。然而，有利地，抑制环51、52是绕着相应的枢转连接部的轴线的截头圆锥形状，所述截头圆锥形状沿着朝相应的壳体的球形表面的方向渐缩，如图6所示。这使得可进一步减小中断的尺寸，即：可进一步限制柔性材料层的边缘与滚子之间的距离。抑制环不妨碍滚子的可从壳体的内侧进行的安装。 [0042] 有利地，每个壳体15、16均包括一个或多个刚性肋部55，所述一个或多个刚性肋部55布置在柔性材料层中且被构造成能使该层的柔韧度随着到相应的壳体的平面的距离而变化。肋部55有利地制成在相应的壳体的支承结构中。图7和图8示出了肋部55的布置方式的一个示例。图7以透视图示出了轮10，且图8以与图5类似的方式以剖视图示出了轮10。图7示出了肋部55在壳体15、16中的每个上的一个示例性分布。肋部55以地球表面上的子午线的方式分布，其中，滚子位于极点处，平面17、18代表地球表面的赤道纬线(parallèles)。图 7中，在壳体15、16中的每个上均布置了八个肋部55。其他数量的凹槽当然也是可能的。图8中，肋部55以轮廓图示出。靠近滚子处，肋部55的高度大致等于柔性材料层42或44的厚度。 可安排使肋部55被柔性材料层稍微重叠，以便使轮10在与地面通过一个肋部进行接触或在两个肋部55之间进行接触时保持同样水平的抓持力。在界定壳体的平面附近(对于壳体15是平面17以及对于壳体16是平面18)，肋部55的高度相对于柔性材料层的厚度而言很小(即使不是零)。肋部55的高度上的这种变化使得柔性材料层的柔韧度被调整。 [0043] 可制造具有抑制环和肋部55的轮10。 [0044] 有利地，该层柔性材料是带凹槽的，以便提高轮10在地面25上的抓持力。凹槽布置方式的各种示例在图9-11中绘出。这些凹槽能够在各种类型的地面上实现更好的抓紧作用。本发明有利地被实施用于可在室内使用的机器人。凹槽形成了能提高机器人的多功能性的胎面花纹(sculptures)，以用于由织物毯、大理石、木地板、混凝土、地毯等覆盖的地面类型。凹槽可具有在各个方向上延伸的尖锐边缘。实际上，与仅具有一个枢转连接部的现有轮不同的是，根据本发明的球形轮可以以两个自由度来旋转，以绕着轮的球形表面的中心旋转。因此，有利地在凹槽的设计中不偏好任何特定的方向。 [0045] 有利地，凹槽表面密度随着到相应的壳体15或16的平面17或18的距离的远离而增加。该密度上的增加在图9-11中清楚可见。与靠近平面17或18处相比，凹槽在靠近柔性材料层中的使相应的滚子能够通过的中断处间隔得更近。该布置方式使得可提高柔性材料层与滚子之间的无滑动过渡的保证。因此，这限制了轮在过渡部附近在柔性材料层与地面之间产生摩擦的风险。这种摩擦将不允许或将延迟通道通过轮接触到轮的滚子中的一个上。 [0046] 该凹槽在轮10被用于潮湿地面上时还能够实现排水。 [0047] 图12示出了装配有三个根据本发明的轮10的车辆11。该车辆例如是机器人。本发明也可在包括多于三个轮的车辆上实施。例如，在四轮车辆的情况下，相对的轮的轴线相对于水平地面而言位于同一竖直平面中，从而形成两对轮。包含这两对轮的轴线的平面是垂直的。更一般地，至少两个轮的轴的轴线不位于同一平面中，且这使得能够通过合适的控制在车辆的轮10保持在地面25上的情况下使车辆沿着所有方向移动。 |
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