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驅(qū)轉(zhuǎn)一體式主動(dòng)萬(wàn)向輪設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
西昌學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院 唐飛龍 黎安慶 張娜 2020/12/23 11:26:56
摘要：為了實(shí)現(xiàn)提高有限空間內(nèi)輪式移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的速度、加速度和承載能力上限，提出一種驅(qū)轉(zhuǎn)一體式主動(dòng)萬(wàn)向輪模塊，介紹了該主動(dòng)全向輪模塊的原理、結(jié)構(gòu)和參數(shù)的設(shè)計(jì)過程，并將該模塊運(yùn)用在四輪驅(qū)轉(zhuǎn)一體機(jī)器人上，結(jié)果表明能夠達(dá)到較大的速度和加速度，承載能力強(qiáng)。
關(guān)鍵字：移動(dòng)機(jī)器人;全向輪;驅(qū)轉(zhuǎn)一體式;模塊化;全向移動(dòng)
中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
Design of active universal wheel for mobile robot
TANG Fei-long LI An-qing ZHANG Na
（School of Automotive and Electronic Engineering, Xichang university, Xichang 615000, china）
Abstract: In order to achieve the increase of the limit of the wheeled mobile robot, in terms of speed, acceleration and load capacity, We have proposed a drive-and-turn integrated active universal wheel module, The design process of the principle, structure and parameters of the active omnidirectional wheel module is introduced, And have applied this module to the four-wheel drive integrated robot. The results show that it can reach larger speeds and accelerations, and has a strong carrying capacity.
Keywords: mobile robot; omnidirectional wheel; Integrated drive and rotation; modular
0 前言
輪式移動(dòng)機(jī)器人作為機(jī)器人大家庭里的重要分子，隨著社會(huì)的發(fā)展，在自動(dòng)化進(jìn)程中占據(jù)著重要地位，為了讓輪式移動(dòng)機(jī)器人能夠在室內(nèi)狹小的工作空間內(nèi)作業(yè)，更強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性和靈活性是必要的，所以需要機(jī)器人在平面內(nèi)具有三個(gè)自由度[1, 2]。
為了達(dá)到上述目的，常常采用Mecanum輪系，Mecanum輪的結(jié)構(gòu)是大輪的輪緣上沿周向均布小輪子，小輪子作為輪系薄弱部分，限制了輪系的承載能力上限[3]；其工作方式是將速度分解，一部分相互抵消，一部分形成運(yùn)動(dòng)方向的合速度，所以運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)構(gòu)效率不高，速度上限低[4]。
近些年來(lái)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、獨(dú)立轉(zhuǎn)向的移動(dòng)機(jī)器人頻繁亮相，部分豪車也采用了四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、獨(dú)立轉(zhuǎn)向，本文采用模塊化設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)并搭建驅(qū)轉(zhuǎn)一體式主動(dòng)萬(wàn)向輪模塊[5-7]。
1 驅(qū)轉(zhuǎn)一體輪方案設(shè)計(jì)
所要設(shè)計(jì)的驅(qū)轉(zhuǎn)一體輪需要兩個(gè)獨(dú)立的自由度，即具有輪子繞軸旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)和輪子在垂直方向上相對(duì)于底盤的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，基本思路是：通過２個(gè)相互獨(dú)立的電機(jī)分別給這２個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)自由度提供動(dòng)力，在運(yùn)動(dòng)時(shí)只需對(duì)２個(gè)電機(jī)進(jìn)行控制就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)轉(zhuǎn)一體輪兩個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的控制[8-11]；兩個(gè)獨(dú)立電機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)輪子轉(zhuǎn)向的電機(jī)稱之為轉(zhuǎn)向電機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)輪子繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)稱之為驅(qū)動(dòng)電機(jī)；根據(jù)上述思路，對(duì)于轉(zhuǎn)向部分，方案1：轉(zhuǎn)向電機(jī)與蝸桿固定連接，與蝸桿嚙合的渦輪通過轉(zhuǎn)盤固定在底座上，渦輪和底座上開有長(zhǎng)條孔供輪子一部分穿過渦輪和底盤與地面接觸，此方案特點(diǎn)傳動(dòng)比大，轉(zhuǎn)向速度慢，有反向自鎖作用，渦輪加工困難；方案2：轉(zhuǎn)向電機(jī)與小齒輪固定連接，與小齒輪固定連接的大齒輪通過轉(zhuǎn)盤固定在底座上，此方案轉(zhuǎn)向快可以快速完成姿態(tài)調(diào)整，但是反向無(wú)自鎖，需要電機(jī)保持力矩，大齒輪加工容易；對(duì)于驅(qū)動(dòng)部分，方案1：驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過聯(lián)軸器與驅(qū)動(dòng)軸連接，此方案特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單同軸性好，但是驅(qū)動(dòng)軸軸向結(jié)構(gòu)臃腫占空間，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，轉(zhuǎn)向電機(jī)負(fù)載也會(huì)增加；方案2驅(qū)動(dòng)電機(jī)豎直方向布置，電機(jī)軸通過聯(lián)軸器和一個(gè)錐齒輪連接，參與嚙合另一個(gè)錐齒輪于輪子驅(qū)動(dòng)軸連接，此方案特點(diǎn)是軸向結(jié)構(gòu)緊湊，等效到轉(zhuǎn)向電機(jī)軸上轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。結(jié)合上述分析，本文設(shè)計(jì)的驅(qū)轉(zhuǎn)一體式主動(dòng)萬(wàn)向輪包括轉(zhuǎn)向電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、聯(lián)軸器、錐齒輪一對(duì)、圓柱齒輪一對(duì)、轉(zhuǎn)盤、輪子和軸承若干，如圖1所示。
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