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驅(qū)轉(zhuǎn)一體式主動萬向輪設(shè)計與實現(xiàn)
西昌學(xué)院 機械與電氣工程學(xué)院 唐飛龍 黎安慶 張娜 2020/12/23 11:26:56
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圖1 驅(qū)轉(zhuǎn)一體式主動萬向輪傳動系統(tǒng)圖
聯(lián)軸器2為剛性聯(lián)軸器，如果空間不足，可以采用電機軸直接與小齒輪連接，聯(lián)軸器1為柔性聯(lián)軸器，可以在重載和大加速度時可以保護驅(qū)動電機、錐齒輪1和錐齒輪2，大齒輪和底盤之間通過轉(zhuǎn)盤可轉(zhuǎn)動連接，使得大齒輪可以帶著輪系相對于底盤旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向電機驅(qū)動小齒輪，小齒輪和大齒輪嚙合驅(qū)動大齒輪相對于底盤旋轉(zhuǎn)，大齒輪和轉(zhuǎn)盤中間均有圓孔，輪子的一部分穿過圓孔與地面接觸。
2 驅(qū)轉(zhuǎn)一體輪的運動學(xué)分析
驅(qū)轉(zhuǎn)一體輪的運動學(xué)分析是為了得到輸入（轉(zhuǎn)向電機和驅(qū)動電機）與輸出（輪子轉(zhuǎn)角和輪子滾動）的關(guān)系，根據(jù)驅(qū)轉(zhuǎn)一體式主動萬向輪的內(nèi)部原理，全向輪的轉(zhuǎn)向角度θ與大齒輪和小齒輪的傳動比有關(guān)，傳動比λ等于從動輪齒數(shù)z2與主動輪齒數(shù)z1之比，一般齒輪嚙合都選用模數(shù)m和壓力角a都相等，所以傳動比λ也等于從動輪分度直徑d2和主動輪分度圓直徑d1的比值，所以全向輪的轉(zhuǎn)向角度θ與轉(zhuǎn)向電機的旋轉(zhuǎn)角度δ的關(guān)系如式（1）所示：
（1）
在參數(shù)設(shè)計時，可以通過合理分配傳動比來在一定程度上調(diào)整轉(zhuǎn)向精度，如果需要還可以采用其他大傳動比的傳動機構(gòu)，或者采用多級減速。
運動時，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速n1與輪子的轉(zhuǎn)速n2成比例關(guān)系，比例與電機到輪子的總傳動比λn有關(guān)，包括減速級總傳動比λ1和錐齒輪的傳動比λ2。驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速n1與輪子的轉(zhuǎn)速n2得關(guān)系如式（2）所示：
（2）
根據(jù)式（1），全向輪轉(zhuǎn)向角度與轉(zhuǎn)向電機的轉(zhuǎn)向角度成比例關(guān)系，比例與設(shè)計時傳動比有關(guān)，根據(jù)式（2），輪子轉(zhuǎn)速和角位移也可以通過固定比例求出需要驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速和角位移，所以該主動全向輪控制簡單，數(shù)學(xué)建模和控制均容易。
3 全向輪的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計
3.1驅(qū)轉(zhuǎn)一體輪各部分參數(shù)設(shè)計
對于轉(zhuǎn)向部分，轉(zhuǎn)盤可以是旋轉(zhuǎn)餐桌上轉(zhuǎn)盤與桌面連接件，外徑140mm，內(nèi)徑90mm，大齒輪中間開矩形接圓的孔，其中圓直徑90mm矩形寬度50mm，由于大齒輪結(jié)構(gòu)特殊、受力小等特點，同時考慮等效轉(zhuǎn)動慣量等問題，采用5mm碳纖板雕刻，大齒輪模數(shù)取2，齒數(shù)z2取95齒，分度圓直徑等于d2等于190mm，大體步驟為CAXA繪制相應(yīng)二維圖，導(dǎo)出DWG文件，雕刻機規(guī)劃路徑后用2.5mm銑刀加工，選用小進給量和加適量潤滑油避免斷刀。小齒輪有成品鋁合金齒輪，選用齒數(shù)z1為30，模數(shù)m1為2，分度圓直徑d1等于60mm，此級傳動比λ約為6.33；對于驅(qū)動部分，輪轂鋁合金材料，為了增大抓地力，輪緣為酚醛樹脂材料，輪子周長300mm，為了得到更大轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電機為減速電機，通過柔性聯(lián)軸器與錐齒輪2相連，由于需要大的加速度，錐齒輪1和錐齒輪2模數(shù)取2，齒數(shù)均取15，齒數(shù)比為1，材料為碳鋼。
3.2驅(qū)轉(zhuǎn)一體輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計
如圖2所示為驅(qū)轉(zhuǎn)一體輪的結(jié)構(gòu)模型，固定架固定在底座上，轉(zhuǎn)向電機固定在固定架上，固定架通過CREO三維建模，采用增材制造，塑料絲線材料，填充率設(shè)置60%，填充結(jié)構(gòu)蜂窩狀，小齒輪與轉(zhuǎn)向電機軸連接，大齒輪和小齒輪嚙合，轉(zhuǎn)盤外圈與大齒輪固定連接，轉(zhuǎn)盤外圈與底座固定連接，輪子通過鍵連接固定在驅(qū)動軸上，驅(qū)動軸通過軸承座固定在大齒輪上，驅(qū)動軸一端連接錐齒輪，錐齒輪箱通過CREO三維建模，采用增材制造，塑料絲線材料，填充率設(shè)置80%，填充結(jié)構(gòu)蜂窩狀，錐齒輪箱固定在大齒輪上，驅(qū)動電機固定在錐齒輪箱上。
圖2 主動萬向輪模型
圖3所示為驅(qū)轉(zhuǎn)一體式主動萬向輪，用于四輪機器人平臺，該移動機器人平臺在相同尺寸和重心高度的情況下，比經(jīng)典的三Mecanum輪全向移動機器人平臺具有更好的穩(wěn)定性，而且與Mecanum輪分運動驅(qū)動平臺運動不同，驅(qū)轉(zhuǎn)一體輪相互之間沒有部分運動相互抵消，所以可以有更高的加速度和運行速度，由于不需要在輪緣上布置小輪子，所以輪子結(jié)構(gòu)更加簡單，單個輪子承載能力更強，同時由于多了一個輪，豎直方向總的承載力更強，根據(jù)前文分析也可以知道驅(qū)轉(zhuǎn)一體輪控制也更加簡單。
圖3 驅(qū)轉(zhuǎn)一體主動萬向輪實物
4結(jié)束語
本文基于模塊化設(shè)計思想，研究了提高移動機器人全向輪（未完，下一頁）
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