一种万向履带轮组及其运动方法
阅读说明：本技术 一种万向履带轮组及其运动方法 (Universal crawler belt wheel set and movement method thereof ) 是由 施琦 王炬成 容学苹 李秀 马晓平 赵世发 陈建新 马永鑫 孔慧敏 于 2021-06-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种万向履带轮组,包括支撑机构、旋转机构,所述支撑机构,由支撑架与电机组一、电机组二构成,提供相应的支撑和旋转驱动力；所述旋转履带机构由外固定件与环绕阵列在外固定件支撑处的橡胶履带构成,所述橡胶履带内圈设有与小齿轮啮合的凹槽、外圈设置有契合丝杆螺纹的凹槽。此外本发明还提供了一种运动方法,使得应用该轮组的设备达到全向移动的效果,本发明结构简单轻便,可拓展性强,拆卸维修快捷,具有良好的经济应用价值。(The invention discloses a universal crawler belt wheel set, which comprises a supporting mechanism and a rotating mechanism, wherein the supporting mechanism consists of a supporting frame, a motor set I and a motor set II and provides corresponding supporting and rotating driving force; the rotary crawler mechanism is composed of an outer fixing piece and a rubber crawler surrounding the array at the supporting position of the outer fixing piece, the inner ring of the rubber crawler is provided with a groove meshed with the pinion, and the outer ring of the rubber crawler is provided with a groove matched with the screw thread of the screw rod. In addition, the invention also provides a movement method, so that equipment applying the wheel set achieves the effect of omnidirectional movement.)
技术领域
本发明涉及轮组
技术领域
，尤其是涉及一种万向履带轮组及其运动方法。背景技术
移动机器人在环境中无约束的运动需要一个能够实现全向移动和旋转的机器人移动平台。现有机器人移动平台大多采用底盘与全向轮组合的结构，以实现移动机器的任意方向的平移和旋转。
全向轮的优势在于可以原地转向和横向移动，能够实现机器人移动平台在狭小空间内的灵活运动。具体到全向轮的结构，常见的主要为两种，一种为Mecanum轮：其轮缘上斜向分布着许多小滚子，当轮子绕着固定的轮心轴转动时，各个小滚子的包络线为圆柱面，所以该轮能够连续地向前滚动；同时由于小滚子的作用，轮子可以横向滑移；通过多个轮子(常见的为四个)驱动力的矢量合成，实现移动平台的原地转向和横向移动。另一种为Omni轮，其轮缘上横向分布着许多小滚子，当轮子绕着固定的轮心轴转动时，各个小滚子的包络线也为圆柱面，所以该轮能够连续地向前滚动；同时由于小滚子的作用，可以实现横向的被动运动；通过多个轮子(常见的为三个或四个)驱动力的矢量合成，实现移动平台的原地转向和横向移动。
以上两种全向轮的优势是结构紧凑，但是由于轮上有多个滚子，在轮子滚动时，滚子会依次与地面接触，由于滚子与地面的接触面不是连续的，每次滚子接触地面时会发生振动。而为了减少振动，以上两种全向轮结构在使用时往往会尽量增加滚子数量，由于每个滚子需要一对轴承，多个滚子会导致组装复杂，成本较高。因此导致传统全向轮组装复杂，成本较高。
CN201810354508.X轴该发明为一种全向履带车，包括车身以及分别通过连接轴与所述车身连接的三个履带，且三个所述连接轴的轴线互成120度角，所述连接轴与所述履带垂直连接；所述履带包括主动轮、通过链条与所述主动轮连接的从动轮、连接在主动轮与从动轮之间且与所述链条相互滑动的中间架，所述中间架与所述连接轴连接，所述中间架的两端分别连接有固定架和固轮架。该发明提供一种新的全向履带车，通过车身与全向轮的配合可实现全方向移动从而减少了对履带的磨损；履带的转向采用差速转向，通过控制履带的转向从而改变全向轮的转向；该装置可以通过3个履带之间的配合实现履带车不同方向的移动以及车身的旋转。但是该发明的搭配方式有限，实现全向的组合少，不能够满足特定场地运动要求。
CN202010078563.8双动力四驱五全向轮重载球形机器人，该发明主要包括球壳、机架、行走驱动、转向驱动、弹簧、支撑及四个驱动全向轮和底盘等部件。球壳内的部件偏心质量及弹簧预压力共同作用于球壳内表面，所提供的摩擦力使偏心质量偏离球心，从而产生偏心力矩使球壳滚动。四个全向轮两个一组按正交位支撑在底盘下方，可提供大的承载能力，其中前后两全向轮由一个行走电机驱动，左右两全向轮由一个转向电机驱动，位于顶部的支撑全向轮可以防止底盘倾覆。但是该发明抓地力不强，容易失稳、电机空转容易造成损失。
CN201610016995.X轴一体化全向轮及其控制方法，该发明为一种一体化全向轮，该全向轮包括全向轮、变速器和无刷EC盘式电机，无刷EC盘式电机及其变速器安放在全向轮内部，无刷EC盘式电机连接变速器，变速器的输出端的齿轮作为太阳齿轮与全向轮内部行星齿轮啮合，带动全向轮运动。其在全向轮内部固定了无刷EC盘式电机，提高了无刷EC盘式电机的工作效率。但是这种万向轮容易发生侧滑，不易操作。
CN201410375380.7一种正交全向轮组件，该发明包括支架，支架上设有两个全向轮，两个全向轮相互垂直设置；两个全向轮沿竖直方向均能滑动设置在支架上，该支架上设有顶盖，每个全向轮装于轮架上，每个轮架上设有至少一个沿竖直方向的滑块，支架上对应设有与滑块适配的滑槽，每个轮架与顶盖之间还设有伸缩部件，该伸缩部件包括减震轴和减震弹簧；支架上设有顶盖、底盖，侧面还设有封板一、封板二。该正交全向轮组件包括相对垂直设置的两个全向轮，在遇到崎岖不平或者倾斜的路面时，两个全向轮上下滑动能同时支撑地面，抓地牢靠并不会产生侧滑，能够很好的适应路面，调节响应快速，同时其承受重量较大，不易损坏，安装简单。但是驱动力过度时不平滑，同一方向的力不均匀，容易导致不稳。
发明内容
发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种万向履带轮组，有效解决现有轮组抓地力不强、侧滑以及组合方式有限等不足，且使拆卸维修方便，搭配组合更加方便快捷。并提供了其运动方法。
技术方案：一种万向履带轮组，包括支撑机构、旋转履带机构；
支撑机构包括支撑架、电机组一、电机组二，支撑架为U型框架结构，电机组一、电机组二分别穿设安装于支撑架的两个竖臂上；
旋转履带机构包括外固定件、履带组、丝杠，外固定件设有两个，相对间隔设置于支撑架两个竖臂的内侧并分别与电机组一、电机组二连接，丝杠设置于两个外固定件之间，其两端分别与二者连接，丝杠的对应一端与电机组一连接，履带组在丝杠轴向的外周间隔均布设有多个，每个履带组的两端分别与对应的一个外固定件连接，每个履带组的外侧面分别与丝杠的外周面贴合。
进一步的，电机组一包括第一电机、第一电机法兰轴承、第一电机外固定座，第一电机外固定座通过第一电机法兰轴承安装于支撑架其中一条竖臂的内侧，第一电机在支撑架所述竖臂的外侧穿设于所述竖臂并与第一电机外固定座连接，第一电机外固定座与其中一个外固定件连接，第一电机的电机轴与丝杠的对应一端连接。
进一步的，第一电机外固定座为圆筒状，筒身首端设有向外延伸的基础板，基础板上圆周阵列有螺栓孔，与外固定件上螺栓孔相适配，筒身中后端设有突起圆环，第一电机通过螺栓固定连接在第一电机外固定座筒身内。
进一步的，电机组二包括第二电机、第二电机轴承、法兰盘，法兰盘通过第二电机轴承安装于支撑架其中另一条竖臂的内侧，第二电机在支撑架所述竖臂的外侧穿设于所述竖臂并安装于法兰盘上，法兰盘与其中另一个外固定件连接，第二电机的电机轴与法兰盘连接。
最佳的，法兰盘包括法兰盘面、法兰轴，法兰轴一端与法兰盘面中部连接，另一端开设有D形孔，第二电机的电机轴为D形轴，D形轴穿设于D形孔中并连接。
进一步的，外固定件包括基础圆盘、支撑板，支撑板在基础圆盘的一侧面上固定有多个，多个支撑板以基础圆盘圆形为中心呈圆周阵列间隔分布，支撑板的截面呈V型，其开口朝向基础圆盘外圈，相邻两个支撑板之间分别连接有一个履带组，基础圆盘的另一侧面与电机组一或电机组二连接，丝杠的端部通过滚珠轴承与基础圆盘的中部连接。
进一步的，履带组包括橡胶履带、小齿轮、小齿轮轴承，橡胶履带为环带，其内圈等距间隔开设有多个矩形的凹槽，小齿轮设有两个，分别在橡胶履带的两端与其内部对应的凹槽啮合，小齿轮与凹槽为间隙配合，两个小齿轮分别安装于对应一侧的一个外固定件上，每个小齿轮的齿轮轴的两端分别通过一个小齿轮轴承与外固定件连接，橡胶履带的外圈等距间隔开设有多个与丝杠外周面上螺旋线状突起匹配的螺旋线槽，使橡胶履带的外侧面分别与丝杠的外周面贴合，橡胶履带的厚度大于其内圈的凹槽深度和其外圈的螺旋线槽深度之和。
进一步的，丝杠的杠身设有螺旋线状突起，螺旋线状突起的高度大于或等于杆身直径的四分之一。
进一步的，万向履带轮组可通过一个多边形环架连接，多边形环架的外侧面上集成安装有至少两个万向履带轮组。
一种上述的万向履带轮组的运动方法，此时万向履带轮组为两个集成的形式，其特征在于：
当沿着X轴正方向移动时，包括以下步骤：
步骤一：第一万向履带轮组A1电机组一工作，电机组二停止；各个履带组向正方向转动，旋转履带机构停止，形成向X轴正方向的驱动力；
步骤二：第二万向履带轮组A2的电机组一工作，电机组二停止；各个履带组向正方向转动，旋转履带机构停止，形成向X轴正方向的驱动力；
步骤三：第一万向履带轮组A1与第二万向履带轮组A2转动速度相同、方向相同，形成主体向X轴正方向的驱动合力；
当沿着X轴负方向移动时同理；
当沿着Y轴正方向移动时，包括以下步骤：
第一步：第一万向履带轮组A1的电机组二工作，电机组一停止；旋转履带机构向正方向转动，各个履带组停止，形成向Y轴正方向的驱动力；
第二步：第二万向履带轮组A2的电机组二工作，电机组一停止；旋转履带机构向正方向转动，各个履带组停止，形成向Y轴正方向的驱动力；
第三步：第一万向履带轮组A1与第二万向履带轮组A2转动速度相同、方向相同，形成主体向Y轴正方向的驱动合力；
当沿着中心自转时，包括以下步骤：
步骤1：第一万向履带轮组A1的电机组二工作，电机组一停止；各个履带组向正方向转动，旋转履带机构停止，形成向X轴/Y轴正方向的驱动力；
步骤2：第二万向履带轮组A2的电机组二工作，电机组一停止；各个履带组向负方向转动，旋转履带机构停止，形成向X轴/Y轴负方向的驱动力；
步骤3：第一万向履带轮组A1与第二万向履带轮组A2转动速度相同、方向相反，形成主体自转的驱动合力；
当沿着中心反方向自转时同理。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明每个方向驱动相对独立，驱动更为有力，能够在控制系统的控制下实现不同的转速，从而实现轮组可以在任意方向移动的效果。形成全向移动过度平缓稳定。
2、本发明橡胶履带外侧设有螺旋线状纹路，能够很好的抓地力，能够防止侧滑，且履带相对韧性，越障能力强。
3、本发明组合形式广泛，单个轮组就能实现全向移动，能够在实际应用中搭配组合且拓展性强，能够有效满足工程需求，为实际运用提供新的参考，适合于对车身外形有特殊要求的工况环境，填补了市场空白。
4、本发明的结构简单，运营成本低，拆卸方便，有利于后期维护修理。
附图说明
图1为本发明的立体图；
图2为本发明的俯视图；
图3为本发明去除橡胶履带的立体等轴视图；
图4为支撑结构等轴视图；
图5为旋转履带机构等轴视图；
图6为履带组与丝杠啮合关系图；
图7为履带组等轴视图；
图8为外固定件等轴视图；
图9为外固定件俯视图；
图10为丝杠等轴视图；
图11为丝杠剖面图；
图12为第一电机固定座等轴视图；
图13为法兰盘等轴视图；
图14为本发明的万向履带轮组集成两个的示意图；
图15为本发明的万向履带轮组集成三个的示意图；
图16为本发明的万向履带轮组集成四个的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
一种万向履带轮组，如图1～13所示，包括支撑机构1、旋转履带机构2。
支撑机构1包括支撑架11、电机组一12、电机组二13，支撑架11为U型框架结构，支撑架11采用密度小、强度大、韧性大的轻质复合材料，电机组一12、电机组二13分别穿设安装于支撑架11的两个竖臂上。
电机组一12包括第一电机121、第一电机法兰轴承122、第一电机外固定座123，第一电机外固定座123通过第一电机法兰轴承122安装于支撑架11其中一条竖臂的内侧，第一电机外固定座123为圆筒状，筒身首端设有向外延伸的基础板，筒身中后端设有突起圆环，起到限位作用，第一电机121在支撑架11的该竖臂的外侧穿设于该竖臂并通过螺栓固定连接在第一电机外固定座123筒身内。
电机组二13包括第二电机131、第二电机轴承132、法兰盘133，法兰盘133通过第二电机轴承132安装于支撑架11其中另一条竖臂的内侧，法兰盘133包括法兰盘面1331、法兰轴1332，法兰轴1332一端与法兰盘面1331中部连接，另一端开设有D形孔，第二电机131在支撑架11所述竖臂的外侧穿设于所述竖臂并安装于法兰盘133上，第二电机131的电机轴为D形轴，D形轴穿设于D形孔中并连接，法兰盘面1331上设有定位螺孔，通过定位螺栓固定防止滑动。
旋转履带机构2包括外固定件21、履带组22、丝杠23，外固定件21为一体件，外固定件21设有两个，相对间隔设置于支撑架11两个竖臂的内侧，外固定件21包括外固定件轴承211、基础圆盘212、支撑板213，支撑板213在基础圆盘212的一侧面上焊接固定有多个，多个支撑板213以基础圆盘212圆形为中心呈圆周阵列间隔分布，支撑板213的截面呈V型，其开口朝向基础圆盘212外圈，其中一个外固定件21的基础圆盘212的另一侧面与第一电机外固定座123连接，另一个外固定件21的基础圆盘212的另一侧面与法兰盘133连接，丝杠23设置于两个基础圆盘212之间，其端部通过外固定件轴承211与基础圆盘212的中部连接，外固定件轴承211为滚珠轴承。丝杠23的对应一端与第一电机121连接，第一电机121相配合的丝杠23一端的孔的截面为D形，其上设有定位孔，通过定位螺栓使得丝杠23与第一电机12电机轴固定连接。第一电机121的截面也为D形。
履带组22在丝杠23轴向的外周间隔均布设有多个，每个履带组22的两端分别与对应的一个外固定件21连接。履带组22包括橡胶履带221、小齿轮222、小齿轮轴承223，橡胶履带221为环带，其内圈等距间隔开设有多个矩形的凹槽，小齿轮222设有两个，分别在橡胶履带221的两端与其内部对应的凹槽啮合，橡胶履带221内圈凹槽数根据小齿轮222齿数倍数阵列，小齿轮222与凹槽为间隙配合，使得伴随小齿轮222转动其表面附着的齿能够紧紧贴合凹槽，两个小齿轮222分别安装于对应一侧的一个外固定件21上，小齿轮222设置于相邻两个支撑板213之间，其齿轮轴的两端分别通过一个小齿轮轴承223与对应的一个支撑板213连接，小齿轮轴承223为推力球轴承，小齿轮轴承223与支撑板213通过螺栓螺母连接，以达到减少转动摩擦的作用。
丝杠23的杠身设有螺旋线状突起，螺旋线状突起的高度大于或等于杆身直径的四分之一。橡胶履带221的外圈等距间隔开设有多个与丝杠23外周面上螺旋线状突起匹配的螺旋线槽，使橡胶履带221的外侧面分别与丝杠23的外周面贴合，橡胶履带221的厚度大于其内圈的凹槽深度和其外圈的螺旋线槽深度之和。螺旋线槽深度恰好没过丝杠外螺旋线状突起，使得随着丝杠23转动，能够强有力的带动橡胶履带221转动。
丝杠23与每组履带组22环形适配，使得丝杠23杠身外侧螺旋线状突起与履带外圈螺旋线槽完美贴合，随着丝杠的正反转动，进而控制履带组22的转动，以达到移动的功能。通过电机组二的工作，使得旋转履带机构2转动，达成移动效果，同样的，当电机组一工作时，丝杠23转动带动履带组22进行转动。以此达成全向移动的基础条件。
本发明的万向履带轮组可通过一个多边形环架连接，多边形环架的外侧面上集成安装有至少两个万向履带轮组，构成一个底盘结构。
运动学模型，要完全控制它的运动，需要有三个控制量：X轴速度、Y轴速度、自转角速度。(X轴为本轮组横向，Y轴为本轮组纵向)
当底盘沿X轴移动时，其速度为：
当底盘沿Y轴移动时，其速度为：
当底盘绕几何中心自转时，其速度为：
如图14所示，此时万向履带轮组为两个集成的形式，第一万向履带轮组A1、第二万向履带轮组A2于主体两侧分布，上述的万向履带轮组的运动方法为：
当沿着X轴正方向移动时，包括以下步骤：
步骤一：第一万向履带轮组A1电机组一工作，电机组二停止；各个履带组向正方向转动，旋转履带机构停止，形成向X轴正方向的驱动力；
步骤二：第二万向履带轮组A2的电机组一工作，电机组二停止；各个履带组向正方向转动，旋转履带机构停止，形成向X轴正方向的驱动力；
步骤三：第一万向履带轮组A1与第二万向履带轮组A2转动速度相同、方向相同，形成主体向X轴正方向的驱动合力；
当沿着X轴负方向移动时同理；
当沿着Y轴正方向移动时，包括以下步骤：
第一步：第一万向履带轮组A1的电机组二工作，电机组一停止；旋转履带机构向正方向转动，各个履带组停止，形成向Y轴正方向的驱动力；
第二步：第二万向履带轮组A2的电机组二工作，电机组一停止；旋转履带机构向正方向转动，各个履带组停止，形成向Y轴正方向的驱动力；
第三步：第一万向履带轮组A1与第二万向履带轮组A2转动速度相同、方向相同，形成主体向Y轴正方向的驱动合力；
当沿着中心自转时，包括以下步骤：
步骤1：第一万向履带轮组A1的电机组二工作，电机组一停止；各个履带组向正方向转动，旋转履带机构停止，形成向X轴/Y轴正方向的驱动力；
步骤2：第二万向履带轮组A2的电机组二工作，电机组一停止；各个履带组向负方向转动，旋转履带机构停止，形成向X轴/Y轴负方向的驱动力；
步骤3：第一万向履带轮组A1与第二万向履带轮组A2转动速度相同、方向相反，形成主体自转的驱动合力；
当沿着中心反方向自转时同理。
此外，如图15所示，此时万向履带轮组为三个集成的形式，第一万向履带轮组B1、第二万向履带轮组B2、第三万向履带轮组B3于主体周边等边三角形状分布，上述的万向履带轮组的运动方法为：
以单个万向履带轮组安装方向为X轴/Y轴，当沿着X轴/Y轴正方向移动时，包括以下步骤：
S1：第一万向履带轮组B1的电机组二工作，电机组一停止；旋转履带机构向正方向转动，各个履带组向正方向移动，形成向X轴/Y轴正方向的驱动合力。
S2：第二万向履带轮组B2的电机组二工作，电机组一停止；旋转履带机构向正方向转动，各个履带组向正方向移动，形成向X轴/Y轴正方向的驱动合力。
S3：第三万向履带轮组B3的电机组二停止，电机组一工作；旋转履带机构向正方向转动，各个履带组停止，形成向X轴/Y轴正方向的驱动力。
任意方向移动同理。
当沿着中心自转时，包括以下步骤：
S11：第一万向履带轮组B1的电机组二工作，电机组一停止；旋转履带机构向负方向转动，各个履带组停止，形成向X轴/Y轴负方向的驱动力。
S22：第二万向履带轮组B2的电机组二工作，电机组一停止；旋转履带机构向负方向转动，各个履带组停止，形成向X轴/Y轴负方向的驱动力。
S33：第三万向履带轮组B3的电机组二工作，电机组一停止；旋转履带机构向负方向转动，各个履带组停止，形成向X轴/Y轴负方向的驱动力。
S44：第一万向履带轮组B1、第二万向履带轮组B2、第三万向履带轮组B3转动速度相同、方向相同，形成主体自转单方向驱动合力。
当沿着中心反方向自转时同理。
此外，如图16所示，第一万向履带轮组C1、第二万向履带轮组C2、第三万向履带轮组C3、第四万向履带轮组C4于主体四周分布。移动方式与集成两个时类似，唯一注意的是X轴与Y轴方向移动时两组相对应的万向履带轮组之间模式相反。
本发明组合形式广泛，操作变得更为简单，编写程序也更为容易，配以各种传感器模块和摄像头，能够实现对不同应用场景现场的多功能探测，并执行一定的任务。
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