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CN112455210A - 万向驱动轮及自动化车体 - Google Patents

万向驱动轮及自动化车体 Download PDF

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CN112455210A CN201910848298.4A CN201910848298A CN112455210A CN 112455210 A CN112455210 A CN 112455210A CN 201910848298 A CN201910848298 A CN 201910848298A CN 112455210 A CN112455210 A CN 112455210A
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Abstract

本发明提供一种万向驱动轮及自动化车体。所述万向驱动轮包括：第一轮内驱动元件；轮胎，被设置以包覆于所述第一轮内驱动元件的外围；连接件，被设置以连接所述第一轮内驱动元件及所述轮胎，使所述第一轮内驱动元件带动所述轮胎沿一第一轴转动；以及转向元件，被设置以连接于所述连接件，使所述转向元件带动所述连接件沿着一第二轴转动及使所述轮胎与所述第一轮内驱动元件以所述第二轴为圆心移动，其中所述第一轴的延伸方向和所述第二轴的延伸方向互相垂直。

Description

万向驱动轮及自动化车体
技术领域
本发明是有关于一种移动构件元件及车体，特别是有关于一种万向驱动轮及自动化车体。
背景技术
自动化生产线是目前提升产能、优化产能的主要发展手段之一，且在自动化产线中，用以提供运送、提货功能的自动化车体更是不可或缺的技术之一。自动化车体为了能达到万向(omni-directional)移动功能，具有驱动力的万向驱动轮是需要发展的多项技术之一。
发明内容
为了达到上述目的，本发明提供一种万向驱动轮及自动化车体，其中所述万向驱动轮具有小体积、反应速度快、架构不复杂的优点。
本发明一实施例提供一种万向驱动轮，其中所述万向驱动轮包括：第一轮内驱动元件；轮胎，被设置以包覆于所述第一轮内驱动元件的外围；连接件，被设置以连接所述第一轮内驱动元件及所述轮胎，使所述第一轮内驱动元件带动所述轮胎沿一第一轴转动；以及转向元件，被设置以连接于所述连接件，使所述转向元件带动所述连接件沿着一第二轴转动及使所述轮胎与所述第一轮内驱动元件以所述第二轴为圆心移动，其中所述第一轴的延伸方向和所述第二轴的延伸方向互相垂直。
在本发明的一实施例中，所述所述第一轴和所述第二轴之间具有一偏移距离，于所述转向元件转动所述连接件时，所述轮胎及所述第一轮内驱动元件以所述第二轴为圆心及所述偏移距离为半径作圆周运动。
在本发明的一实施例中，所述转向元件还包括第二轮内驱动元件，被设置以沿着所述第二轴转动所述连接件。
在本发明的一实施例中，所述万向驱动轮还包括壳体，所述转向元件包括伺服马达及轴承，其中所述连接件透过所述轴承连接至所述壳体，所述伺服马达被设置以转动所述连接件使所述连接件相对所述壳体转动。
在本发明的一实施例中，所述万向驱动轮还包括绝对旋转编码器，被设置于所述转向元件远离所述轮胎的一侧以随着所述连接件沿着所述第二轴转动并提供至少一定位资料，所述定位资料对应所述连接件的转动位置。
再者，本发明另一实施例提供一种自动化车体，其中所述自动化车体包括：一底板；以及多个万向驱动轮，被设置以耦接于所述底板。其中每个所述万向驱动轮包括：第一轮内驱动元件；轮胎，被设置以包覆于所述第一轮内驱动元件的外围；连接件，被设置以连接所述第一轮内驱动元件及所述轮胎，使所述第一轮内驱动元件带动所述轮胎沿一第一轴转动；以及转向元件，被设置以连接于所述连接件，使所述转向元件带动所述连接件沿着一第二轴转动及使所述轮胎与所述第一轮内驱动元件以所述第二轴为圆心移动，其中所述第一轴的延伸方向和所述第二轴的延伸方向互相垂直。
在本发明的一实施例中，在每个所述万向驱动轮中，所述第一轴和所述第二轴之间具有一偏移距离，于所述转向元件转动所述连接件时，所述轮胎及所述第一轮内驱动元件以所述第二轴为圆心及所述偏移距离为半径作圆周运动。
在本发明的一实施例中，每个所述万向驱动轮中还包括第二轮内驱动元件，被设置以沿着所述第二轴转动所述连接件。
在本发明的一实施例中，每个所述万向驱动轮还包括壳体，所述连接件及所述转向元件被容置于所述壳体中，每个所述万向驱动轮透过所述壳体连接所述底板。
在本发明的一实施例中，在每个所述万向驱动轮中，所述转向元件包括伺服马达及轴承，其中所述连接件透过所述轴承连接至所述壳体，所述伺服马达被设置以转动所述连接件使所述连接件相对所述壳体转动。
在本发明的一实施例中，每个所述万向驱动轮还包括绝对旋转编码器，被设置于所述转向元件远离所述轮胎的一侧以随着所述连接件沿着所述第二轴转动并提供至少一定位资料，所述定位资料对应所述连接件的转动位置。
在本发明的一实施例中，所述自动化车体还包括多个处理器；以及多个马达驱动器，被设置以各自连接至所述多个处理单元的其中之一，且每个所述马达驱动器电性连接至所述转向元件以及所述第一轮内马达，其中每个所述处理器被设置以藉由所述马达驱动单元传递一第一转动讯号转动所述第一轮内驱动元件并传递一第二转动讯号以转动所述转向元件。
在本发明的一实施例中，所述自动化车体还包括：输入输出器，连接所述处理器，被设置以接收一移动讯号，所述处理器自所述输入输出器取得所述移动讯号并产生所述第一转动讯号及所述第二转动讯号；以及控制单元，连接至所述输入输出单元并被设置以提供所述移动讯号。
与现有技术相比较，本发明的万向驱动轮具有小体积、反应速度快、架构不复杂的优点。本发明的万向驱动轮藉由第一轮内驱动元件的使用，可大幅简化机构元件设计并可降低体积，同时更可提升整体的制作良率。本发明所提出的自动化车体因为应用上述的万向驱动轮，可以更即时传递移动信号以控制轮内驱动马达及转向元件，同时可以节省更多体积供其他元件应用。
为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：
附图说明
图1是本发明第一实施例的万向驱动轮的立体示意图。
图2A是本发明第一实施例的万向驱动轮的俯视示意图。
图2B是本发明第二实施例的自动化车体以及万向驱动轮的局部放大剖面示意图。
图3是本发明第三实施例的万向驱动轮的剖面示意图。
具体实施方式
以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。再者，本发明所提到的方向用语，例如上、下、顶、底、前、后、左、右、内、外、侧面、周围、中央、水平、横向、垂直、纵向、轴向、径向、最上层或最下层等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。
图1是本发明第一实施例的万向驱动轮的立体示意图，需要特别说明的是，本实施例中主要提出一种可有效率提供万向移动功能的器件中各个元件之间的相对连接关系，因此仅简化绘示部分元件，并非以其限定本发明。
请参照图1，万向驱动轮100包括第一轮内(in-wheel)驱动元件110、轮胎120、连接件130及转向元件140。第一轮内驱动元件110被设置以对应驱动各个轮胎120，例如是一轮内驱动马达(in-wheel motor)。轮胎120可套设于第一轮内驱动元件110，即被设置以包覆于第一轮内驱动元件的外围。第一轮内驱动元件110还可包括如轮毂、轮辋、轴承等轮胎120的固定元件，且上述固定元件可形成于第一轮内驱动元件110以及轮胎120之间，并非以图1限定本发明。
轮胎120可由如树酯的材料形成，但本发明轮胎120的形成材料并非以其限定。第一轮内驱动元件110可带动轮胎120沿着第一轴I1转动。具体而言，第一轮内驱动元件110是带动轮胎120相对连接件130转动。举例而言，本实施例的第一轮内驱动元件110例如是透过固定元件131与连接件130连接。连接件130可如金属制的刚性支架，被设置以连接第一轮内驱动元件110及轮胎120，并可透过转向元件140沿着第二轴I2旋转，同时又可以固定在至少一方向上第一轮内驱动元件110和转向元件140之间的相对位置。本发明并不限于本实施例单侧连接的连接件130。在其他实施例中，连接件130可以是叉状(forked)结构，被设置以与第一轮内驱动元件110及所述轮胎120连接。
于本实施例中，转向元件140可如环状轴承，并可被设置以沿第二轴I2旋转，进而带动轮胎120和第一轮内驱动元件110绕着第二轴I2行圆周运动。另一方面，第一轴I1的延伸方向d1和第二轴I2的延伸方向d2互相垂直。因此，藉由第二轴I2的转动，万向驱动轮100可提供转向的效果，而沿着第一轴I1转动轮胎120则可带动万向驱动轮100前进、后退或进一步地转动，进而提供一个万向移动的效果。
另一方面，由于本实施例的万向驱动轮100是以第一轮内驱动元件110驱动，因此可大幅简化线路设计及机构设计，不需大量齿轮带动轮胎的转动。
另一方面，本实施例的万向驱动轮100还可藉由连接件130来使第一轴I1和第二轴I2之间维持一偏移距离。具体而言，连接件130可让第一轴I1和第二轴I2在一方向上维持一间隔距离，以使转向元件140在转动连接件130及轮胎120时可进一步提供转动的功能。
举例而言，以图1为例，由于万向驱动轮100藉由连接件130以在同时垂直于方向d1和d2的方向d3上维持一偏移距离。因此，于转向元件140转动连接件130时，轮胎120和第一轮内驱动元件110实质上以第二轴I2为圆心，以上述偏移距离为半径，沿着方向d4作圆周运动。
图2A是本发明第一实施例的万向驱动轮的俯视示意图。请参照图2A，万向驱动轮100中第一轮内驱动元件110沿着第一轴I1转动轮胎120，连接件130连接转向元件140及第一轮内驱动元件110而使第二轴I2和第一轴I1之间在方向d3上维持一偏移距离w。因此，于转向元件140转动时可额外增加转向、移动的速度。
另一方面，转向元件140可包括第二轮内驱动元件(未示出)，第二轮内驱动元件例如是另一轮内驱动马达。因此，可更加简化万向驱动轮100的整体机构复杂度，并藉由这些轮内驱动马达即可达成万向移动、转动效果，同时可提供更佳的速度及转动力矩。
另一方面，万向驱动轮100还包括绝对旋转编码器150，被设置于转向元件140远离轮胎120的一侧以提供至少一定位资料，所述定位资料对应连接件130的转动位置以说明转向元件140的转动位置。定位资料可透过如光学遮断、磁感应元件来搭配产生，并非以其限定本发明。
在本实施例中，第一轮内驱动元件110和转向元件140之间的运动是耦合的，其运动学解耦是在同一个微处理器(micro-processor)或数字信号处理器(digital signalprocessor)内部完成的。举例而言，当本实施例的万向驱动轮100移动时，上述的微处理器或数字信号处理器解耦万向驱动轮100的运动，使转向元件140的实时速度可以被直接用于补偿第一轮内驱动元件110的速度。基于这种运动解耦，本实施例的万向驱动轮100不需要藉助任何外部通讯接口即可完成。
以下将参照本发明所提出的自动化车体来进一步一并说明本发明所提出的万向驱动轮。于以下第二实施例中，本发明的自动化车体200应用如上述第一实施例的万向驱动轮，因此于以下说明书内容将以相同标号辅助说明。
图2B是本发明第二实施例的自动化车体以及万向驱动轮的局部放大剖面示意图。请参照图2B，自动化车体200主要包括底板210、工作区220，及多个万向转动轮100。
工作区220是用以承载货物、人员、机械手臂等提供各种应用功能的区域，并非以其限定本发明。在本发明第二实施例中，万向转动轮100还包括壳体150。转向元件140透过壳体150与底板210连接，以使万向转动轮100耦接于自动化车体200上。
在本实施例中，自动化车体200还包括多个处理器231A、231B以及各自连接的马达驱动器230A、230B。在本实施例中，处理器231A及处理器231B例如是微处理机控制器(Microprocessor Control Unit,MCU)或数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)，用以处理向量控制(Field-Oriented Control,FOC)，将所接收的一移动资讯透过如运动解耦(motion decoupling)转换为第一转动信号来驱动第一轮内驱动元件110，以及第二转动信号来驱动转向元件140。详细而言，以处理器231A为例，透过处理器231A本身即可以对应需要的移动及转动，以FOC产生第一转动信号，并以另一FOC产生第二转动信号，再各自将第一转动信号提供至第一轮内驱动元件110，并将第二转动信号提供至转向元件140。
在本实施例中，上述第一转动信号和第二转动信号透过马达驱动器230A、230B传递至第一轮内驱动单元110以及转向元件140，且自动化车体200还包括输入输出器232A、232B，被设置以连接至控制器240。输入输出器232A、232B各自连接至处理器231A、231B，这些处理器231A、231B透过这些输入输出器232A、232B自控制器240接收移动讯号。
由上述可知，自动化车体200中的这些万向驱动轮100可以各自藉由单一处理器231A或231B来驱动，不需额外设置多个处理、运算元件来个别控制，不但缩短了信号传递所需的时间，也提供了较高的反应速率。同时，也大幅简化元件的使用数，及进一步缩小整体体积。
本发明的万向转动轮100并不限于上述万向转动轮100中包括第二轮内驱动元件的转向元件140的使用。
图3是本发明第三实施例的万向驱动轮的示意图。请参照图3，绘示了第三实施例中万向驱动轮及底板的局部示意图。在本实施例中，万向驱动轮300包括第一轮内驱动元件310、轮胎320、连接件330、转向元件340、绝对旋转编码器350以及壳体360。转向元件340透过壳体360连接至底板210以使万向驱动轮300和自动化车体200耦接。在本实施例中，上述元件大致与上述的万向驱动轮100类似，惟转向元件340内还包括伺服马达(未示出)，被设置以转动轴承361使连接件330、第一轮内驱动元件310以及轮胎320可沿第二轴I2旋转。
综上所述，本发明的万向驱动轮藉由第一轮内驱动元件的使用，可大幅简化机构元件设计并可降低体积，同时更可提升整体的制作良率。本发明所提出的自动化车体因为应用上述的万向驱动轮，可以更即时传递移动信号以控制轮内驱动马达及转向元件，同时可以节省更多体积供其他元件应用。
虽然本发明结合其具体实施例而被描述，应该理解的是，许多替代、修改及变化对于那些本领域的技术人员将是显而易见的。因此，其意在包含落入所附权利要求书的范围内的所有替代、修改及变化。

Claims (13)

1.一种万向驱动轮，其特征在于，所述万向驱动轮包括：
第一轮内驱动元件；
轮胎，被设置以包覆于所述第一轮内驱动元件的外围；
连接件，被设置以连接所述第一轮内驱动元件及所述轮胎，使所述第一轮内驱动元件带动所述轮胎沿一第一轴转动；以及
转向元件，被设置以连接于所述连接件，使所述转向元件带动所述连接件沿着一第二轴转动及使所述轮胎与所述第一轮内驱动元件以所述第二轴为圆心移动，其中所述第一轴的延伸方向和所述第二轴的延伸方向互相垂直。
2.根据权利要求1所述的万向驱动轮，其特征在于，所述第一轴和所述第二轴之间具有一偏移距离，于所述转向元件转动所述连接件时，所述轮胎及所述第一轮内驱动元件以所述第二轴为圆心及所述偏移距离为半径作圆周运动。
3.根据权利要求1所述的万向驱动轮，其特征在于，所述转向元件还包括第二轮内驱动元件，被设置以沿着所述第二轴转动所述连接件。
4.根据权利要求1所述的万向驱动轮，其特征在于，所述万向驱动轮还包括壳体，所述转向元件包括伺服马达及轴承，其中所述连接件透过所述轴承连接至所述壳体，所述伺服马达被设置以转动所述连接件使所述连接件相对所述壳体转动。
5.根据权利要求1所述的万向驱动轮，其特征在于，所述万向驱动轮还包括绝对旋转编码器，被设置于所述转向元件远离所述轮胎的一侧以随着所述连接件沿着所述第二轴转动并提供至少一定位资料，所述定位资料对应所述连接件的转动位置。
6.一种自动化车体，其特征在于，所述自动化车体包括：
一底板；以及
多个万向驱动轮，被设置以耦接于所述底板，其中每个所述万向驱动轮包括：
第一轮内驱动元件；
轮胎，被设置以包覆于所述第一轮内驱动元件的外围；
连接件，被设置以连接所述第一轮内驱动元件及所述轮胎，使所述第一轮内驱动元件带动所述轮胎沿一第一轴转动；以及
转向元件，被设置以连接于所述连接件，使所述转向元件带动所述连接件沿着一第二轴转动及使所述轮胎与所述第一轮内驱动元件以所述第二轴为圆心移动，其中所述第一轴的延伸方向和所述第二轴的延伸方向互相垂直。
7.根据权利要求6所述的自动化车体，其特征在于，在每个所述万向驱动轮中，所述第一轴和所述第二轴之间具有一偏移距离，于所述转向元件转动所述连接件时，所述轮胎及所述第一轮内驱动元件以所述第二轴为圆心及所述偏移距离为半径作圆周运动。
8.根据权利要求6所述的自动化车体，其特征在于，每个所述万向驱动轮中还包括第二轮内驱动元件，被设置以沿着所述第二轴转动所述连接件。
9.根据权利要求6所述的自动化车体，其特征在于，每个所述万向驱动轮还包括壳体，所述连接件及所述转向元件被容置于所述壳体中，每个所述万向驱动轮透过所述壳体连接所述底板。
10.根据权利要求9所述的自动化车体，其特征在于，在每个所述万向驱动轮中，所述转向元件包括伺服马达及轴承，其中所述连接件透过所述轴承连接至所述壳体，所述伺服马达被设置以转动所述连接件使所述连接件相对所述壳体转动。
11.根据权利要求6所述的自动化车体，其特征在于，每个所述万向驱动轮还包括绝对旋转编码器，被设置于所述转向元件远离所述轮胎的一侧以随着所述连接件沿着所述第二轴转动并提供至少一定位资料，所述定位资料对应所述连接件的转动位置。
12.根据权利要求6所述的自动化车体，其特征在于，所述自动化车体还包括多个处理器；以及多个马达驱动器，被设置以各自连接至所述多个处理单元的其中之一，且每个所述马达驱动器电性连接至所述转向元件以及所述第一轮内马达，其中每个所述处理器被设置以藉由所述马达驱动单元传递一第一转动讯号转动所述第一轮内驱动元件并传递一第二转动讯号以转动所述转向元件。
13.根据权利要求12所述的自动化车体，其特征在于，所述自动化车体还包括：
输入输出器，连接所述处理器，被设置以接收一移动讯号，所述处理器自所述输入输出器取得所述移动讯号并产生所述第一转动讯号及所述第二转动讯号；以及
控制单元，连接至所述输入输出单元并被设置以提供所述移动讯号。
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