CN100368219C - 大变形仿形行走系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大变形仿形行走系统，属于车辆行走底盘。技术方案包括车架(3)，通过减震器(2)与车架(3)相连接的仿形行走机构(1)，仿形行走机构(1)包括一个或多个行走单元，每个行走单元包括n个串联连接的刚性连杆(7)，与所述刚性连杆(7)相连接的n+1个基本轮组和一个与基本轮组相连接的驱动装置，取n≥1，n为正整数；基本轮组包括安装在齿轮轴(9)上的齿轮(5)和驱动轮(8)，在两个基本轮组之间设有中间轮(6)及中间轮轴(10)。本发明采用简单的齿轮、连杆、减震机构，结构简单，设计合理，可延伸扩展，以满足不同场合的需要。

Description

大变形仿形行走系统

技术领域

本发明涉及一种大变形仿形行走系统，属于车辆行走底盘(如图1所示)。这种大变形仿形行走系统，具有较强的地面仿形能力，可以在泥泞、凹凸不平的复杂路面以及田间、沼泽、山地、丘陵等条件下牵引或负重行走。

技术背景

为了满足目前各种工矿情况下救灾抢险以及太空探索的需要，人类对行走系统的通过性和适应性提出越来越高的要求，要求行走系统能够用于人们不能进入或难以进入的区域作业、抢险以及未知空间的探索。目前常用的行走系统有足式、履带式、轮式。足式属于跨越式行走，具有较强的越障能力，但在同样负载的情况下，足式行走方式接触压力大，承载能力小，适合在承载压力大的路面行走，不宜在泥泞地面和田间、沼泽地行走；履带式行走方式地面接触压力小，承载能力大，附着力强，可以在承载压力小的地面行走；而轮式接触压力和承载能力介于足式和履带式之间，可以高速行驶。然而，现有的履带式和轮式这类连续式行走系统对地面的仿形能力差。

发明内容

本发明的目的是要提供一种大变形仿形行走系统，它采用连续式行走方式，地面接触压力较小，承载能力大，仿形能力强的行走系统，可以在泥泞、凹凸不平的复杂路面以及田间、沼泽、山地、丘陵等条件下牵引或负重行走。

为了达到本发明的目的所采取的技术方案包括车架3，通过减震器2与车架3相连接的仿形行走机构1，其特征在于，仿形行走机构1包括一个或多个行走单元，每个行走单元包括n个串联连接的刚性连杆7，与所述刚性连杆7相连接的n+1个基本轮组和一个与基本轮组相连接的驱动装置，取n≥1，n为正整数；所述基本轮组包括安装在齿轮轴9上的齿轮5和驱动轮8，在两个基本轮组之间设有中间轮6及中间轮轴10；当n＝1时，齿轮轴9₁、中间轮轴10₁、齿轮轴9₂三轴等距顺序连接在刚性连杆7₁上，齿轮5₁与驱动轮8₁固联在一起，中间轮6₁套装在中间轮轴10₁上，齿轮5₁与齿轮5₂参数完全相同，齿轮5₁、中间轮6₁、齿轮5₂正确啮合传动，驱动轮8₁和驱动轮8₂直径相等；当n＝2时，在上述n＝1时的结构基础上，在其刚性连杆7₁的端部连接刚性连杆7₂，该刚性连杆7₂上等距顺序连接中间轮轴10₂和齿轮轴9₃，在中间轮轴10₂上空套有中间轮6₂，在齿轮轴9₃上装有齿轮5₃与驱动轮8₃，齿轮5₃与驱动轮8₃固联，中间轮6₂与齿轮5₂和齿轮5₃正确啮合，齿轮5₂与齿轮5₃参数完全相同，中间轮6₁与中间轮6₂的参数相同，驱动轮8₂与驱动轮8₃直径相等；随着n的增大，行走单元的结构按照上述规律变化；所述减震器2为二维减震器。

上述的大变形仿形行走系统中，取n≥2，两个刚性连杆7之间为转动连接。

上述的大变形仿形行走系统中，齿轮5与驱动轮8固联在齿轮轴9上，齿轮轴9与刚性连杆7转动连接，中间轮轴10与刚性连杆7固联。

上述的大变形仿形行走系统中，固联在一起的齿轮5和驱动轮8套装在齿轮轴9上，齿轮轴9和中间轮轴10分别与刚性连杆7固定连接。

上述的大变形仿形行走系统中，每个基本轮组中的齿轮轴9与对应的二维减震器2连接。

上述的大变形仿形行走系统中，当行走单元为多个时，它们可对称布置在车架3上，如横向对称或纵向并排布置组成为复合式大变形仿形行走系统。

上述的大变形仿形行走系统中，当n大于1时，两个刚性连杆7_n-1和刚性连杆7_n是通过齿轮轴9_n连接起来的，刚性连杆7_n-1相对刚性连杆7_n可以转动。

上述的大变形仿形行走系统中，所述的驱动轮为轮胎或链轮，当驱动轮为链轮时，在链轮上设有履带，由链轮带动履带驱动系统运动。

本发明采用简单的齿轮、连杆、减震机构，结构简单，设计合理，可延伸扩展，以满足不同场合的需要。

附图说明

图1为本发明大变形仿形行走系统结构原理图；

图2为本发明含有两个基本轮组时的仿形行走机构原理图；

图3为本发明含有三个基本轮组时的仿形行走机构原理图；

图4为本发明含有四个基本轮组时的仿形行走机构原理图；

图5为本发明含有四个基本轮组时另一种连接关系的仿形行走机构原理图；

图6为本发明的行走单元结构简图；

图7为本发明的双自由度纵向仿形原理图；

图8本发明的大变形仿形行走系统在平坦路面上行驶状态示意图；

图9本发明的大变形仿形行走系统在斜坡路面的上行驶状态示意图；

图10本发明的大变形仿形行走系统过埂行驶状态(越障)示意图；

图11本发明的大变形仿形行走系统过沟行驶状态(跨越)示意图。

具体实施方案

下面根据附图对本发明的实施例进行描述。

如图1所示，1为仿形行走机构，2为二维减震器，3为车架，仿形行走机构1通过二维减震器2与车架3相连接。

本实施例的仿形行走机构1包括两个行走单元，且n＝3，即每个行走单元包括三个串联连接的刚性连杆7，与这三个刚性连杆7相连接的四个基本轮组和一个与基本轮组相连接的驱动装置4。

每一个基本轮组包括安装在齿轮轴9上的齿轮5和驱动轮8，在两个基本轮组之间设有中间轮6(惰轮)及中间轮轴10。

我们用n作为下标，表示随着n的变化，安装在不同位置的齿轮5、齿轮轴9、中间轮6、中间轮轴10、刚性连杆7和驱动轮8。在图4中，齿轮轴9₁、中间轮轴10₁、齿轮轴9₂三轴等距顺序连接在刚性连杆7₁上，其中齿轮轴9₁、齿轮轴9₂与刚性连杆7₁转动连接，中间轮轴10₁与刚性连杆7₁固联，齿轮5₁与驱动轮8₁固联在齿轮轴9₁上，齿轮5₂与驱动轮8₂固联在齿轮轴9₂上，中间轮6₁套装在中间轮轴10₁上，齿轮5₁、中间轮6₁、齿轮5₂正确啮合传动；在刚性连杆7₁的端部连接刚性连杆7₂，该刚性连杆7₂上等距顺序连接中间轮轴10₂和齿轮轴9₃，其中齿轮轴9₃与刚性连杆7₂为转动连接，中间轮轴10₂与刚性连杆7₂固联，在中间轮轴10₂上空套有中间轮6₂，在齿轮轴9₃上固联有齿轮5₃与驱动轮8₃，中间轮6₂与齿轮5₂和齿轮5₃正确啮合；在刚性连杆7₂的端部连接刚性连杆7₃，该刚性连杆7₃上等距顺序连接中间轮轴10₃和齿轮轴9₄，其中齿轮轴9₄与刚性连杆7₃为转动连接，中间轮轴10₃与刚性连杆7₃固联，在中间轮轴10₃上空套有中间轮6₃，在齿轮轴9₄上固联有齿轮5₄与驱动轮8₄，中间轮6₃与齿轮5₃和齿轮5₄正确啮合；齿轮5₁、齿轮5₂、齿轮5₃与齿轮5₄的参数完全相同，中间轮6₁、中间轮6₂和中间轮6₃仅齿数可以与齿轮5不同，其他的参数与齿轮5相同，驱动轮8₁、驱动轮8₂、驱动轮8₃和驱动轮8₄的直径相等。

如图1所示，四个齿轮轴9分别与四个二维减震器2连接。刚性连杆7₁和刚性连杆7₂以及刚性连杆7₂和刚性连杆7₃分别通过齿轮轴9₂和9₃连接起来。刚性连杆7₁相对刚性连杆7₂可以转动，刚性连杆7₂相对刚性连杆7₃可以转动。

由图1可知，仿形行走机构1的两个行走单元对称布置，通过二维减震器2连接仿形行走机构1和车架3，构成大变形仿形行走系统。两行走单元中的驱动装置4相对独立，即每个行走单元都有自己的驱动装置。由于一个行走单元中所有齿轮正确啮合传动，两个驱动装置4可以分别安装在各自行走单元中的任意一个齿轮上，驱动该齿轮即可驱动该行走单元中的所有驱动轮8，从而驱动系统行走；通过改变两个驱动装置的转速，可以实现系统的转向；各二维减震器2吸收驱动轮对地面11仿形时竖直和水平方向的变形量，实现系统行走过程中的纵向和横向仿形运动。

图2所示为含有两个基本轮组时的仿形行走机构原理图。图中，刚性连杆7₁上连接等距齿轮轴9₁、中间轮轴10₁、齿轮轴9₂，齿轮5₁与驱动轮8₁固联于齿轮轴9₁上，齿轮5₂与驱动轮8₂固联于齿轮轴9₂上，6₁为中间轮(惰轮)，齿轮5₁与齿轮5₂的模数，齿数，压力角相等，并且与中间轮6₁的模数，压力角相等，即齿轮5₁与齿轮5₂性能、几何、结构参数完全相同，中间轮6₁仅齿数可以与齿轮5₁和齿轮5₂不同，其他性能参数相同，齿轮5₁、中间轮6₁、齿轮5₂分别绕齿轮轴9₁的轴线、中间轮轴10₁、齿轮轴9₂的轴线转动，同时保证齿轮5₁、中间轮6₁、齿轮5₂正确啮合传动，由齿轮啮合原理可知，齿轮5₁与齿轮5₂转速相等，转向相同。驱动轮8₁和驱动轮8₂直径相等，从而保证分别与齿轮5₁、齿轮5₂固联的驱动轮8₁和驱动轮8₂同速同向旋转。

图3所示为含有三个基本轮组(n＝2)时的仿形行走机构原理图。由图中可知，本图是在图2的基础上所作的延伸，即增加了一个刚性连杆、一个基本轮组和一个中间轮。这是本发明在实际生产应用中的最简单结构。

图4所示为含有四个基本轮组(n＝3)时的仿形行走机构原理图。由图中可知，本图是在图3的基础上所作的延伸，即增加了一个刚性连杆、一个基本轮组和一个中间轮。

如图5所示为本发明的另一种实施例的仿形行走机构原理图。在本实施例中含有四个基本轮组(n＝3)，其连接关系与图2、图3和图4中所示的不同。图5中，固联在一起的齿轮5和驱动轮8套装在齿轮轴9上，齿轮轴9和中间轮轴10分别与刚性连杆7固定连接，两个刚性连杆7之间为转动连接。当然，这种连接方式也可以用于当n等于其他正奇数的情况。

如图6所示，驱动装置可以与该行走单元中任意一个齿轮相连接，实现仿形行走机构驱动轮的转动，另外两个自由度实现行走过程中对地面的仿形运动(即纵向仿形)。

行走系统驱动力矩是由独立的驱动装置提供，可以完成全时全轮驱动，行走系统行走过程中对地面的纵向仿形是由仿形行走机构剩余的两个自由度完成(如图7所示)。图8表示行走系统在平坦路面上行驶状态，图9表示行走系统在坡度路面上行驶状态(爬行)，图10表示行走系统过埂行驶状态(越障)，图11表示行走系统过沟行驶状态(跨越)。行走系统行走过程中对地面的横向仿形是由对称设置的两个行走单元和二维减震器实现的(如图1所示)，图8与图10和11的对比可以体现二维减震器的工作原理，即二维减震器吸收水平和竖直两个方向的变形情况。

在实际生产中，可以推广到由n个刚性连杆串联连接n+1个基本轮组(n≥2，n为正整数)，形成多自由度仿形行走机构。

可以是两个或者两个以上的行走单元横向对称或纵向并排布置组成复合式大变形仿形行走系统。

可以将本行走系统的驱动轮换成链轮，由链轮带动履带驱动系统运动，以提高附着力和承载能力，减小对地面的接触压力，进一步提高系统对地面的适应能力。

二维减震器可以选用市场上常用的单减震器，由两个单减震器和车架构成三角形连接，以便吸收水平和竖直两个方向的变形。也可以选用多向弹性变形的减震器。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种大变形仿形行走系统，包括车架(3)，通过减震器(2)与车架(3)相连接的仿形行走机构(1)，其特征在于，仿形行走机构(1)包括一个或多个行走单元，每个行走单元包括n个串联连接的刚性连杆(7)，与所述刚性连杆(7)相连接的n+1个基本轮组和一个与基本轮组相连接的驱动装置，取n≥1，n为正整数；所述基本轮组包括安装在齿轮轴(9)上的齿轮(5)和驱动轮(8)，在两个基本轮组之间设有中间轮(6)及中间轮轴(10)；当n＝1时，第一齿轮轴(9₁)、第一中间轮轴(10₁)、齿轮轴(9₂)三轴等距顺序连接在第一刚性连杆(7₁)上，第一齿轮(5₁)与第一驱动轮(8₁)固联在一起，第一中间轮(6₁)套装在第一中间轮轴(10₁)上，第一齿轮(5₁)与第二齿轮(5₂)参数完全相同，第一齿轮(5₁)、第一中间轮(6₁)、第二齿轮(5₂)正确啮合传动，第一驱动轮(8₁)和第二驱动轮(8₂)直径相等；当n＝2时，在上述n＝1时的结构基础上，在其第一刚性连杆(7₁)的端部连接第二刚性连杆(7₂)，该第二刚性连杆(7₂)上等距顺序连接第二中间轮轴(10₂)和第三齿轮轴(9₃)，在第二中间轮轴(10₂)上空套有第二中间轮(6₂)，在第三齿轮轴(9₃)上装有第三齿轮(5₃)与第三驱动轮(8₃)，第三齿轮(5₃)与第三驱动轮(8₃)固联，第二中间轮(6₂)与第二齿轮(5₂)和第三齿轮(5₃)正确啮合，第二齿轮(5₂)与第三齿轮(5₃)参数完全相同，第一中间轮(6₁)与第二中间轮(6₂)的参数相同，第二驱动轮(8₂)与第三驱动轮(8₃)直径相等；随着n的增大，行走单元的结构按照上述规律变化；所述减震器(2)为二维减震器。

2.根据权利要求1所述的大变形仿形行走系统，其特征在于，取n≥2，两个刚性连杆(7)之间为转动连接。

3.根据权利要求2所述的大变形仿形行走系统，其特征在于，齿轮(5)与驱动轮(8)固联在齿轮轴(9)上，齿轮轴(9)与刚性连杆(7)转动连接，中间轮轴(10)与刚性连杆(7)固联。

4.根据权利要求2所述的大变形仿形行走系统，其特征在于，固联在一起的齿轮(5)和驱动轮(8)套装在齿轮轴(9)上，齿轮轴(9)和中间轮轴(10)分别与刚性连杆(7)固定连接。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的大变形仿形行走系统，其特征在于，每个基本轮组中的齿轮轴(9)与对应的二维减震器(2)连接。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的大变形仿形行走系统，其特征在于，当行走单元为多个时，它们对称布置在车架(3)上。

7.根据权利要求6所述的大变形仿形行走系统，其特征在于，当行走单元为多个时，它们横向对称或纵向并排布置组成为复合式大变形仿形行走系统。

8.根据权利要求1或2或3或4述的大变形仿形行走系统，其特征在于，当n大于1时，第n-1刚性连杆(7_n-1)和第n刚性连杆(7_n)是通过第n齿轮轴(9_n)连接起来的，第n-1刚性连杆(7_n-1)相对第n刚性连杆(7_n)可以转动。

9.根据权利要求1或2或3或4所述的大变形仿形行走系统，其特征在于：所述的驱动轮为轮胎或链轮，当驱动轮为链轮时，在链轮上设有履带，由链轮带动履带驱动系统运动。

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