球形輪和實(shí)施該輪的車輛的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于移動(dòng)車輛的球形輪(10)并涉及一種實(shí)施該輪的車輛，其中，該輪(10)通過(guò)能夠繞著軸線(14)旋轉(zhuǎn)的軸(12)來(lái)旋轉(zhuǎn)。根據(jù)本發(fā)明，該輪(10)包括兩個(gè)半球形殼體(15、16)，所述兩個(gè)半球形殼體的表面依照輪(12)的球形表面，且所述兩個(gè)半球形殼體中的每個(gè)都由平面(17、18)所界定。半球形殼體(15、16)分別能夠通過(guò)樞轉(zhuǎn)連接部相對(duì)于軸(12)樞轉(zhuǎn)，所述樞轉(zhuǎn)連接部中的每個(gè)的軸線(21、22)都垂直于相關(guān)的半球形殼體(15、16)的所述平面(17、18)。界定所述兩個(gè)半球形殼體(15、16)的所述平面(17、18)相交。
【專利說(shuō)明】球形輪和實(shí)施該輪的車輛

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于移動(dòng)車輛的球形輪和一種實(shí)施該輪的車輛。

【背景技術(shù)】
[0002] 在傳統(tǒng)方式中，四輪車輛裝配有使車輛能夠改變方向的定向輪。輪借助于樞轉(zhuǎn)連 接部連接至車輛，且在定向輪的情況下增加了旋轉(zhuǎn)方向上的附加自由度。當(dāng)定向輪被驅(qū)動(dòng) 時(shí)，萬(wàn)向節(jié)使得輪能夠被驅(qū)動(dòng)，同時(shí)使得樞轉(zhuǎn)連接部的軸線的定向能夠被改變。該類構(gòu)型不 能實(shí)現(xiàn)小的轉(zhuǎn)彎半徑。換言之，不可能使車輛在無(wú)速度的情況下原地樞轉(zhuǎn)。
[0003] 此外，已經(jīng)試圖創(chuàng)造一種具有球形輪的車輛，每個(gè)球形輪均能自行樞轉(zhuǎn)。這種實(shí)施 方式的一個(gè)示例在以JP2007-210576公開的專利申請(qǐng)中描述。該文獻(xiàn)描述了一種包括兩 個(gè)半球的輪。該輪由水平驅(qū)動(dòng)軸致動(dòng)，所述水平軸驅(qū)動(dòng)用于支承所述兩個(gè)半球的支撐部的 旋轉(zhuǎn)。所述兩個(gè)半球均通過(guò)樞轉(zhuǎn)連接部安裝在支撐部上。這兩個(gè)樞轉(zhuǎn)連接部成一條直線。 這兩個(gè)樞轉(zhuǎn)連接部共同具有的軸線垂直于驅(qū)動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)軸線。車輛、比如機(jī)器人如文獻(xiàn)JP 2007-210576中所述可裝配有四個(gè)輪。四個(gè)輪的驅(qū)動(dòng)軸的軸線于是布置成彼此垂直。因此， 輪成對(duì)地對(duì)齊。驅(qū)動(dòng)第一對(duì)的兩個(gè)輪使得車輛能夠沿著與該對(duì)輪共同具有的軸線垂直的方 向移動(dòng)。在第二對(duì)輪的情況下，所述半球繞著它們的樞轉(zhuǎn)連接部自由旋轉(zhuǎn)。將機(jī)器人沿著 垂直的方向移動(dòng)通過(guò)驅(qū)動(dòng)第二對(duì)輪來(lái)實(shí)現(xiàn)。組合的移動(dòng)當(dāng)然也是可能的。這使得車輛能夠 沿著任何方向移動(dòng)甚至自旋。
[0004] 該實(shí)施方式具有缺點(diǎn)。特別地，輪的驅(qū)動(dòng)軸通過(guò)輪的赤道平面進(jìn)入輪，該平面位于 兩個(gè)半球之間。赤道平面與地球的球體類似地定義。該平面將可與地球的北半球和南半球 相似的這兩個(gè)半球分開。驅(qū)動(dòng)軸必須具有某一剛度，這意味著最小直徑被施加于驅(qū)動(dòng)軸。這 兩個(gè)半球因此至少被該直徑隔開一距離。但實(shí)際上，需要將功能間隙加到該軸的直徑上，以 便防止所述半球摩擦驅(qū)動(dòng)軸。這于是使得所述兩個(gè)半球均被平面所界定。這兩個(gè)半球的平 面是平行的且以一距離隔開地定位，該距離不能被減小，以免造成損害驅(qū)動(dòng)軸的剛度的風(fēng) 險(xiǎn)。
[0005] 當(dāng)輪的赤道平面相對(duì)于假定為水平的地面成垂直位置時(shí)，在輪壓在地面上時(shí)產(chǎn)生 不連續(xù)性。更特別地，當(dāng)輪被驅(qū)動(dòng)時(shí)，輪的赤道平面隨著每次輪轉(zhuǎn)動(dòng)而與地面產(chǎn)生接觸，并 使地面壓力從一個(gè)半球轉(zhuǎn)換至另一半球，因而從一個(gè)半球的平面轉(zhuǎn)換至另一半球的平面。 只要發(fā)生該不連續(xù)性，就可產(chǎn)生抓持力的損失，從而輪的球狀性質(zhì)暫時(shí)失去，且在高速下還 產(chǎn)生伴隨每個(gè)不連續(xù)性的噪音。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明試圖提供一種能夠減少不連續(xù)性的缺點(diǎn)的球形輪。換言之，本發(fā)明試圖使 得能夠在不增加不連續(xù)性的情況下使用直徑更大的驅(qū)動(dòng)軸。
[0007] 為此，本發(fā)明的一個(gè)主題是一種預(yù)期用于移動(dòng)車輛的球形輪，該輪的旋轉(zhuǎn)通過(guò)能 夠繞著軸線旋轉(zhuǎn)的軸來(lái)驅(qū)動(dòng)，其特征在于：所述輪包括兩個(gè)殼體，所述兩個(gè)殼體的表面依照 所述輪的球形表面，且所述兩個(gè)殼體中的每個(gè)分別由一平面來(lái)界定；所述殼體分別借助于 樞轉(zhuǎn)連接部相對(duì)于所述軸鉸接，所述樞轉(zhuǎn)連接部中的每個(gè)的軸線分別垂直于相應(yīng)的殼體的 所述平面；以及界定所述兩個(gè)殼體的所述平面是相交的。
[0008] 換言之，所述兩個(gè)樞轉(zhuǎn)連接部的軸線不成一條直線。
[0009] 本發(fā)明的另一主題是一種包括至少三個(gè)根據(jù)本發(fā)明的輪的車輛。至少兩個(gè)輪的軸 的軸線不成一條直線。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010] 通過(guò)借助示例給出的一個(gè)實(shí)施例的詳細(xì)描述將更好地理解本發(fā)明且更明了其他 優(yōu)點(diǎn)，該描述通過(guò)附圖示出，在附圖中：
[0011] 圖1和圖2示出了實(shí)施本發(fā)明的原理的球形輪；
[0012] 圖3和圖4示出了用于顯示屬于根據(jù)本發(fā)明的輪的殼體的開口角度如何被優(yōu)化的 曲線；
[0013] 圖5和圖6示出了該輪的實(shí)施例的第一替代性形式；
[0014] 圖7和圖8示出了該輪的實(shí)施例的第二替代性形式；
[0015] 圖9、圖10和圖11示出了輪表面的多個(gè)形狀；
[0016] 圖12示出了裝配有多個(gè)輪的車輛的一個(gè)示例。

【具體實(shí)施方式】
[0017] 為了清楚起見，在各個(gè)附圖中，相同的元件將以相同的附圖標(biāo)記來(lái)表示。
[0018] 圖1和圖2示出了預(yù)期用于移動(dòng)車輛11的球形輪10。圖1以輪廓畫出，且圖2以 透視圖畫出。輪10的旋轉(zhuǎn)通過(guò)軸12來(lái)驅(qū)動(dòng)。車輛11以其主體的形式示出，且軸12通過(guò) 樞轉(zhuǎn)連接部13連接至該主體。軸12的旋轉(zhuǎn)軸線以附圖標(biāo)記14來(lái)表示。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明，輪10包括兩個(gè)殼體15、16,所述兩個(gè)殼體15、16的表面依照輪10的 球形表面。殼體15由平面17界定，且殼體16由平面18界定。殼體15、16分別借助于相 應(yīng)的樞轉(zhuǎn)連接部19和20相對(duì)于軸12鉸接。樞轉(zhuǎn)連接部19的軸線21垂直于殼體15的平 面17,且樞轉(zhuǎn)連接部20的軸線22垂直于殼體16的平面18。這兩個(gè)樞轉(zhuǎn)連接部19和20 位于它們相應(yīng)的殼體內(nèi)，且隨后將詳細(xì)描述。
[0020] 可制造不同的殼體15、16,但優(yōu)選地殼體15、16是相同的且相對(duì)于軸12對(duì)稱地布 置。換言之，平面17、18沿著一直線相交，該直線與軸12的軸線14具有交點(diǎn)30。在該構(gòu)型 中，所述兩個(gè)樞轉(zhuǎn)連接部19和20的軸線21和22是相交的，且在軸線21和22之間具有非 零角度。
[0021] 輪10預(yù)期用于沿著在圖1和圖2中以附圖標(biāo)記25表示的地面行駛。兩個(gè)殼體 15、16中的一個(gè)與地面25接觸。當(dāng)軸12驅(qū)動(dòng)輪10時(shí)，輪沿著輪10的球形表面的圓26與 地面25保持接觸。在該運(yùn)動(dòng)中，車輛的速度矢量在軸線14與包含圓26的平面之間的交點(diǎn) 27處垂直于軸線14。當(dāng)車輛11的速度矢量（被施加于點(diǎn)27)不垂直于軸線14時(shí)，與地面 接觸的殼體就開始繞著其樞轉(zhuǎn)連接部自由轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0022] 換言之，與地面接觸的殼體被賦予兩種運(yùn)動(dòng)：繞著軸線14的驅(qū)動(dòng)式第一旋轉(zhuǎn)和繞 著殼體的樞轉(zhuǎn)連接部的軸線的第二旋轉(zhuǎn)。當(dāng)然，這兩種旋轉(zhuǎn)可根據(jù)車輛在點(diǎn)27處的速度矢 量的方向來(lái)組合。
[0023] 在輪10的操作中，當(dāng)與地面25接觸的殼體（在圖1中是殼體16)的平面18變得 水平時(shí)出現(xiàn)奇點(diǎn)。在該構(gòu)型中，如果車輛具有在點(diǎn)27處施加的不垂直于軸線14的矢量，殼 體16就不能繞著其樞轉(zhuǎn)連接部20轉(zhuǎn)動(dòng)，并從而沿著地面25滑動(dòng)。為了防止該滑動(dòng)，每個(gè) 殼體15、16均包括滾子，所述滾子定位在相應(yīng)的殼體的樞轉(zhuǎn)連接部的延續(xù)部中并能夠在球 形表面處滾動(dòng)。更特別地，殼體15裝配有滾子28,且殼體16裝配有滾子29。滾子28和29 可具有單一自由度，以便繞著與軸線14垂直的軸線旋轉(zhuǎn)。該旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)足以防止輪在奇點(diǎn)構(gòu) 型中滑動(dòng)。該滾子均具有依照輪10的球形表面的滾動(dòng)線。
[0024] 還可分別給予滾子28和29兩個(gè)自由度，以便繞著位于相應(yīng)的樞轉(zhuǎn)連接部的軸線 上的點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。該滾子仍使其行駛表面的一點(diǎn)位于相關(guān)的樞轉(zhuǎn)連接部的延續(xù)部中并與輪10 的球形表面對(duì)齊。該滾子（其可類似于殼體中的自由轉(zhuǎn)動(dòng)球）與具有一個(gè)自由度的滾子相 比更易于定位。
[0025] 可較容易地看出，在輪10旋轉(zhuǎn)時(shí)，與地面25的接觸在圓26的一點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)，包含該 圓26的平面垂直于軸線14。此外，在平面17、18沿著與軸12的軸線14具有交點(diǎn)30的直 線相交的示例中，可限定平面17、18之間的在圓26處的距離y，以及在平面17、18與球形表 面的交點(diǎn)處將平面17、18分隔的距離d，該交點(diǎn)是離點(diǎn)30最遠(yuǎn)的交點(diǎn)。該距離d代表軸12 的最大可能直徑。實(shí)際上，為了避免軸12與殼體15、16之間的任何摩擦，功能間隙設(shè)置在 軸12與殼體15、16之間。因此，為了簡(jiǎn)化解釋，距離d將被當(dāng)作軸12的直徑。應(yīng)當(dāng)注意， 選擇平面17、18的布置而使得它們相交意味著：對(duì)于給定的距離y，軸12的直徑d可增大， 這使得可增加軸的剛度，或替代性地對(duì)于給定的直徑d，在輪10的行駛中產(chǎn)生不連續(xù)性的 距離y可減小。這與在現(xiàn)有技術(shù)方面所描述的是同樣的不連續(xù)性。
[0026] 圖3和圖4繪出了這兩個(gè)平面17、18之間所形成的角度的優(yōu)化曲線。限定了軸線 14相對(duì)于被看作是水平表面的地面25的傾斜角度a。該角度a在圓26與垂直于地面平 面25的球半徑（即堅(jiān)直半徑）之間。
[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 被示為水平的，如圖1所示。因此，屬于殼體16的樞轉(zhuǎn)連接部20的軸線22在圖1的構(gòu)型 中是堅(jiān)直的球半徑。因此，這兩個(gè)平面17、18的敞開角度具有值2a。該假定對(duì)于實(shí)施本發(fā) 明而言不是強(qiáng)制性的。然而，它通過(guò)滾子處理而限制了在奇點(diǎn)處的滑動(dòng)。
[0028] 這兩個(gè)曲線給出了距離y的值。第一曲線32示出了以yl表示的距離隨著交點(diǎn)30 的位置而變化的情況。在該計(jì)算中所涉及的參數(shù)是角度a、球半徑r和距離d。該曲線開 始于交點(diǎn)位于無(wú)窮遠(yuǎn)處的情況，即根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的情況。
[0029] -般方程為：

【權(quán)利要求】
1. 一種用于移動(dòng)車輛（11)的球形輪，該輪（10)的旋轉(zhuǎn)通過(guò)能夠繞著軸線（14)旋轉(zhuǎn) 的軸（12)來(lái)驅(qū)動(dòng)，其特征在于，所述輪（10)包括兩個(gè)殼體（15、16)，所述兩個(gè)殼體（15、16) 的表面依照所述輪（10)的球形表面，且所述兩個(gè)殼體（15、16)中的每個(gè)分別由一平面（17、 18)來(lái)界定，所述殼體（15、16)分別借助于樞轉(zhuǎn)連接部（19、20)相對(duì)于所述軸（12)鉸接，所 述樞轉(zhuǎn)連接部（19、20)中的每個(gè)的軸線（21、22)分別垂直于相應(yīng)的殼體（15、16)的所述平 面（17、18)，界定所述兩個(gè)殼體（15、16)的所述平面（17、18)是相交的。
2. 如權(quán)利要求1所述的輪，其特征在于，界定所述兩個(gè)殼體（15、16)的所述平面（17、 18)沿著一直線相交，該直線與所述軸（12)的所述軸線（14)具有交點(diǎn)（30)。
3. 如前面權(quán)利要求中任一所述的輪，其特征在于，每個(gè)殼體（15、16)分別包括滾子 (28、29)，所述滾子（28、29)定位在相應(yīng)的殼體（15、16)的樞轉(zhuǎn)連接部（19、20)的延續(xù)部中 并能夠在所述球形表面處滾動(dòng)。
4. 如前面權(quán)利要求中任一所述的輪，其特征在于，每個(gè)殼體（15、16)分別包括剛性支 承結(jié)構(gòu)（41、43)和柔性材料層（42、44)，所述柔性材料層（42、44)的特性被選擇成：能在輪 (10)預(yù)期行駛的地面（25)上產(chǎn)生抓持力，該柔性材料層（42、44)形成殼體（15、16)的球形 表面。
5. 如權(quán)利要求3和4中任一所述的輪，其特征在于，在每個(gè)殼體（15、16)中，所述柔 性材料層（42、44)被中斷以使?jié)L子（28、29)能夠通過(guò)，每個(gè)殼體（15、16)分別包括抑制環(huán) (51、52)，所述抑制環(huán)（51、52)被構(gòu)造成：能限制該柔性材料層（42、44)在該柔性材料層 (42、44)被中斷以便使?jié)L子（28、29)能夠通過(guò)的區(qū)域中的蠕變。
6. 如權(quán)利要求5所述的輪，其特征在于，所述抑制環(huán)（51、52)成繞著相應(yīng)的樞轉(zhuǎn)連接部 的軸線的截頭圓錐形狀，所述截頭圓錐形狀在向著相應(yīng)的殼體（15、16)的球形表面的方向 上漸縮。
7. 如權(quán)利要求4-6中任一所述的輪，其特征在于，每個(gè)殼體（15、16)均包括一個(gè)或多個(gè) 剛性肋部（55)，所述一個(gè)或多個(gè)剛性肋部（55)布置在所述柔性材料層（42、44)中，且被構(gòu) 造成：能使該柔性材料層（42、44)的柔韌度隨著到相應(yīng)的殼體（15、16)的平面（17、18)的 距離而變化。
8. 如權(quán)利要求4-7中任一所述的輪，其特征在于，該柔性材料層（42、44)是帶凹槽的， 以便提高所述輪（10)的抓持力。
9. 如權(quán)利要求8所述的輪，其特征在于，凹槽表面密度隨著與相應(yīng)的殼體（15、16)的平 面（17、18)的距離的遠(yuǎn)離而增加。
10. -種車輛，其特征在于，該車輛包括至少三個(gè)如前面權(quán)利要求中任一所述的輪 (10)，至少兩個(gè)輪（10)的軸（12)的軸線（14)不位于同一平面中。
【文檔編號(hào)】B60B19/14GK104379361SQ201380031504
【公開日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2013年4月30日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月30日
【發(fā)明者】V·克萊爾, B·邁索尼耶 申請(qǐng)人:奧爾德巴倫機(jī)器人公司