[发明专利]多方位运动车辆及其车轮

说明书

本发明涉及一种可多方位运动的车辆以及其专用的车轮。

现有的普通车辆（如汽车）只能沿着其导向车轮所朝向的方向运动，若想使其横向运动是不可能的。斜向运动（车体运动方向与车体本身成某一角度）也是无法实现的。若车辆的目的位置不在车体纵轴线上，则车辆必须转弯才能到达目的地。但这种转弯存在着转弯半径，若目的地的位置就位于目前位置的近处侧向方向，且周围空间很小，则车辆转向就很不方便。简言之，这种普通车辆只能纵向单方向移动而不能多方位（例如横向、斜向）运动。而且其转弯半径也不能为零。

产生这种现象的根源在于它的轮子。现有车辆上使用的普通轮子质心的运动速度只能位于轮体平面内，而不能与轮体平面成某种角度。同样地面作用在轮子上的摩擦力也只能作用在轮体平面内，不能与轮体成某一角度。

公知的还有一种装有球脚轮的小型仪器搬运车。这种仪器搬运车由于装备有球脚轮，倒是可以全方位移动，转弯半径也可以为零，但这种球脚轮是无法配备动力的，因此这种仪器搬运车只能是一种人力车而不能成为机动车，不适合搬运重型的物品。

本发明的目的是提供一种特殊的轮子（称作外滚子式车轮）和用它装备的可多方位移动的车辆。在运动过程中这种车轮轮心速度方向和地面施加在其上的摩擦力方向均可与轮体成某一角度，因而用它装备起来的车辆便能够在不转动车体的情况下实现多方位（纵、横、斜）移动，当需要车辆转弯时，转弯半径可以为零。而且这种轮子是可带动力的。

如附图1是本发明所提供的外滚子式车轮的结构示意图。在轮子基体1的园周上有两圈固定的凸耳3，这两圈凸耳上每两个相对应的凸耳3之间通过芯轴4装有一个小滚子2，凸耳是和基体1固联的，而小滚子2则可绕芯轴4自由转动。小滚子将基体的园周完全包络起来，而小滚子的外形被做成固定的曲线，使得整个轮子最外端的包络面仍是一个园柱面。

附图2是这种轮子的原理示意图。当轮子受到一外加驱动力矩M时，地面作用在触地小滚子上的摩擦力（推动车辆的驱动力）可以分为两部分：沿小滚子轴向方向的摩擦力Fa和沿小滚子径向方向的摩擦力Fr。Fr促使小滚子转动，这个分力很小，主要的摩擦力是Fa。当驱动力矩M不断增加时，Fr很快就会停止增加，而Fa则一直增加到最大静摩擦力为止。由此可见地面施加给轮子的摩擦力方向并不在轮体平面内，而是成某一角度。如果设小滚子轴线与轮体轴线夹角为α，则摩擦力与轮体平面的夹角为90°-α。

因为轮子运动时小滚子只会沿其径向滚动，故小滚子轴线上p点的速度便沿着小滚子的径向方向，且在水平面内，如附图2。这样轮子质心c点的速度c便为：。由此可见轮子质心c点的速度也不在轮体平面内。

建立轮体坐标系x′y′z′，如附图3所示。为便于推导，将各参数均取定为正方向。则c可用矩阵表示为：

附图4是车体坐标系，设轮子以倾斜角β被固装在车体上。对上述（1）式进行坐标变换，则c在车体坐标系中成为：

〔T〕为坐标转换矩阵。

同时c也可用车体速度Vx，Vy，来表示：

由（2）、（3）可得：

一般是可控的，σ则难以控制。由式（5）可见通过控制各轮的角速度即可得到期望的车辆运动方向和速度。

一般情况下方程（5）是有唯一解的，因此无论我们希望车辆作什么样的运动，理论上都可用一组唯一的i（i＝1，...n）控制值来实现它。所以这种车辆理论上便具有了可沿任意方向即全方位移动的功能。（当然考虑到受力情况及驱动装置的便利性和经济性，通常较易实现的是某几个方向的移动，因此我们仍称之为多方位车辆）。这种功能使得这种车辆具有极大的灵活性，特别是在车辆运行空间狭小，需要经常调整车辆方向的场合，这种多方位运动车辆更具有其无可比拟的优越性。因而它特别适用于用作车间或仓库的搬运小车，或者用作搬运叉车等，用途非常广泛。

一般四个轮子的多方位车性能比较优越，三轮多方位车也不错。下面就结合附图详细说明几种较好的实施例。

实施例一：如附图5是一个四轮多方位移动车结构示意图。图中1、2均为外滚子式车轮，1为右旋轮，2为左旋轮。除旋向不同外，1和2的其它结构尺寸都完全相同。图中3为驱动电机，4为车体。①、②、③、④为四个轮子的编号，oxy为车体坐标。对这种四轮车辆，为使车辆性能最佳且便于控制，四个轮子的α角最好取为45°。如果给定车辆的其它结构参数，则根据前述方程式（5）即可建立本车辆的运动方程。设轮子最外端包络园柱半径为r，则由此方程可求出车辆朝图示方向运动时各轮的驱动角速度为：