CN100455474C

CN100455474C - 机械蠕动行走机构

Info

Publication number: CN100455474C
Application number: CNB2006101141360A
Authority: CN
Inventors: 魏文军; 于娅楠; 李海涛; 张绍英; 田国平; 赵俊朋
Original assignee: China Agricultural University
Current assignee: China Agricultural University
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2009-01-28
Anticipated expiration: 2026-10-30
Also published as: CN1944158A

Abstract

本发明公开了一种机械蠕动行走机构，属于仿生爬行机构。技术方案包括车架(1)，在机架(1)上设置有n个爬行单元，正整数n≥2，每个爬行单元包括一个滑块偏置距为e的平面四杆机构、一个内啮合齿式棘爪棘轮机构和驱动轮(9)，e≥0；该平面四杆机构主要由曲柄(2)、连杆(3)、滑块(4)和导杆(5)组成，内啮合齿式棘爪棘轮机构包括主动轮(6)、棘爪(7)和从动轮(8)，主动轮(6)和平面四杆机构的滑块(4)固连，从动轮(8)和驱动轮(9)同心固连。本发明采用简单的平面四杆机构、棘爪棘轮机构组合实现，结构简单，工作稳定，具有较强的越障能力、承载能力和爬坡能力，可通过改变杆件设计参数以满足不同场合需求。

Description

机械蠕动行走机构

技术领域

本发明涉及一种机械蠕动行走机构，属于仿生爬行机构(如图1所示)。这种机械蠕动行走机构，可以在有一定摩擦力的管、杆件中或路面上爬行。

技术背景

目前，我国有各种气管道、石油管道、下水道、自来水管道等很多管道，由于年久失修，每年都要出现大量故障，可是这些管道大多都埋在地下，因而一但出现泄漏就很难查找，而在这方面管道机器人却可以发挥很大的作用，有着很大的市场。管道机器人系统由爬行机构、用于管内壁观察和检测装置、控制和通讯装置等组成。目前国内外提出管、杆件的爬行机构主要有电动机械式、电动液压式、气动蠕动式、电磁驱动蠕动式、形状记忆合金驱动蠕动式和储氢合金驱动蠕动式等。其中，电动机械式是在电机的带动下，利用曲柄连杆机构实现抱紧和松开杆件的动作，爬行是由三个橡胶轮的转动来实现的；气体蠕动式则是在驱动气缸活塞杆的伸出和缩回来实现蠕动的。人们还在积极探索具有较强的越障能力、承载能力和爬坡能力，可以携带更多的设备在管道内外爬行，也可以在沙漠、山地等环境中负重行走的机构。

发明内容

本发明的目的是要提供一种仿生爬行机构，它采用机械蠕动式爬行方式，可以在有一定摩擦力的管、杆件中或路面上爬行。

为了达到本发明的目的所采取的技术方案包括车架1，在车架1上设置有n个爬行单元，正整数n≥2，每个爬行单元包括一个滑块偏置距为e的平面四杆机构、一个内啮合齿式棘爪棘轮机构和驱动轮9，e≥0；该平面四杆机构主要由曲柄2、连杆3、滑块4和导杆5组成，导杆5的一端和车架1固连，导杆5的另一端和滑块4移动连接，曲柄2的内端和车架1转动连接，该连接点相对导杆5偏置距e，曲柄2的外端和连杆3的一端转动连接，连杆3的另一端和滑块4转动连接，内啮合齿式棘爪棘轮机构主要由主动轮6、棘爪7和从动轮8组成，主动轮6和平面四杆机构的滑块4固连，从动轮8和驱动轮9同心固连，动力来自曲柄2；平面四杆机构在曲柄滑块机构与移动导杆机构之间变化，内啮合齿式棘爪棘轮机构在向前爬行与向后锁止之间变化，与车架1和驱动轮9共同组成机械蠕动行走机构。

上述机械蠕动行走机构中，棘爪棘轮机构可以用超越离合器替代，即超越离合器的星轮10与滑块4固连，超越离合器的外环11与驱动轮9同心固连，这种机械蠕动行走机构同样可以向前移动。

上述机械蠕动行走机构中，n个爬行单元之间连接关系是并联或/和串联连接。

上述机械蠕动行走机构中，当爬行单元的数量n≥2时，多个爬行单元可以共用同一曲柄或各爬行单元由不同曲柄驱动，曲柄2有一个或多个，当曲柄2的个数少于n时，多个连杆3可与同一曲柄2连接。

上述机械蠕动行走机构中，棘爪7与主动轮6之间的夹角可调。

上述机械蠕动行走机构中，在棘爪7上设有一手柄。

上述机械蠕动行走机构中，可以将其中m个(正整数m≤n-2)爬行单元的平面四杆机构2-3-4-5中的曲柄2、连杆3、滑块4取消，将导杆5直接与棘爪棘轮机构6-7-8的主动轮6或超越离合器的星轮10固连在一起，机械蠕动行走机构仍然可以完成向前移动。

上述机械蠕动行走机构中，可将棘爪棘轮机构改为双向式棘轮机构，这样，通过改变棘爪的锁止方向就可以实现本机械蠕动行走机构的前进和后退功能。

上述机械蠕动行走机构中，可以将多组由多个爬行单元组成的机械蠕动行走机构横向对称布置或纵向串联连接，组成更复杂的机械蠕动行走机构。由多个爬行单元组成的机械蠕动行走机构可以实现系统的连续前进运动。

上述机械蠕动行走机构中，当多个爬行单元串联时，同侧的爬行单元的导杆5为一体式，即同侧的爬行单元共用一个导杆5。

上述机械蠕动行走机构中，可以调整各爬行单元中的偏置距e、曲柄2和连杆3的设计长度，得到不同的向前移动规律。

本发明采用简单的平面四杆机构、棘爪棘轮机构组合实现，结构简单，工作稳定，具有较强的越障能力、承载能力和爬坡能力，可通过改变杆件设计参数以满足不同场合需求。

附图说明

图1为本发明含有2×2个爬行单元、偏置距e＞0时的机械蠕动行走机构原理图；

图2为图1所示的机械蠕动行走机构在曲柄转动一周时的工作状态示意图。其中图2a)为车架向前有第一个较小移动的起始位置；图2b)为车架向前有第一个较小移动的终止位置、有第一个较大移动的起始位置；图2c)为车架有第一个较大移动的终止位置、不移动的起始位置；图2d)为车架不移动的终止位置、车架有第二个较大移动的起始位置；图2e)为车架向前有第二个较大移动的终止位置。

图3为本发明含有2×2个爬行单元、偏置距e＝0时的机械蠕动行走机构原理图；

图4为本发明含有2×2个爬行单元、偏置距e＝0时的机械蠕动行走机构在曲柄转动一周时的工作状态示意图，其中图4a)为车架向前有第一个较大移动的起始位置；图4b)为车架向前有第一个较大移动的终止位置、有第二个较大移动的起始位置；图4c)为车架有第二个较大移动的终止位置；

图5为用超越离合器替代棘爪棘轮机构的含有2×2个爬行单元、偏置距e＞0时的机械蠕动行走机构原理图；

图6为本发明含有3×2个爬行单元、偏置距e＞0时的机械蠕动行走机构原理图；

图7为本发明含有4×2个爬行单元、偏置距e＞0时的机械蠕动行走机构原理图；

图8为本发明的一种实施例的机构原理图，它含有2×2个爬行单元，但其中2个爬行单元取消了平面四杆机构2-3-4-5中的曲柄2、连杆3和滑块4，而将导杆5直接与棘爪棘轮机构6-7-8的主动轮6固连在一起，偏置距e＞0；

图9为本发明两个含有2×2个爬行单元的爬行机构通过联轴器串联的机械蠕动行走机构原理图。

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、2所示，1为车架，2为曲柄，本实施例包括n＝2×2个爬行单元，这4个爬行单元按2行2列布置在车架1上，即机构前、后排各有两个爬行单元，它们共用一个曲柄2和一个导杆5。曲柄2是原动件，设其转动方向是顺时针回转。

前排每个爬行单元包括一个滑块偏置距为e(e≥0)的平面四杆机构2-3-4-5、一个内啮合齿式棘爪棘轮机构6-7-8和驱动轮9；平面四杆机构2-3-4-5由曲柄2、连杆3、滑块4和导杆5组成，导杆5和车架1固连、其左端和滑块4移动连接，曲柄2和车架1转动连接，连接点相对导杆5偏置距为e，曲柄2的一外端和连杆3的一端转动连接，连杆3的另一端和滑块4转动连接；内啮合齿式棘爪棘轮机构6-7-8由主动轮6、棘爪7和从动轮8组成，主动轮6和平面四杆机构2-3-4-5的滑块4固连，从动轮8和驱动轮9同心固连。

后排每个爬行单元包括一个滑块偏置距为e(e≥0)的平面四杆机构2-3’-4’-5、一个内啮合齿式棘爪棘轮机构6’-7’-8’和驱动轮9’；平面四杆机构2-3’-4’-5由曲柄2、连杆3’、滑块4’和导杆5组成，导杆5的右端和滑块4’移动连接，曲柄2的另一外端和连杆3’的一端转动连接，连杆3’的另一端和滑块4’转动连接；内啮合齿式棘爪棘轮机构6’-7’-8’由主动轮6’、棘爪7’和从动轮8’组成，主动轮6’和平面四杆机构2-3’-4’-5的滑块4’固连，从动轮8’和驱动轮9’同心固连。

每个爬行单元中的棘爪棘轮机构是完全一样的。

主动轮6和6’是不能转动的，从动轮8在主动轮6移动的推力作用下间歇驱动，从动轮8’在主动轮6’移动的推力作用下间歇驱动。平面四杆机构2-3-4-5和2-3’-4’-5在曲柄滑块机构和移动导杆机构之间变化，棘爪棘轮机构6-7-8和6’-7’-8’在向前爬行和向后锁止之间变化，使得爬行机构的前、后两排爬行单元交替向前移动，从而使爬行机构蠕动式前进。

如图2所示，机械蠕动行走机构的爬行过程分为四个过程：

(1)当爬行机构从图2a)所示位置开始转到图2b)所示位置的过程中，车架1向前做微量移动。在此过程中，前排每个爬行单元中棘爪棘轮机构的从动轮8和后排每个爬行单元中棘爪棘轮机构的从动轮8’都不移动。图2a)所示位置中，前排每个爬行单元中平面四杆机构的滑块处于左极限位置；图2b)所示位置中，后排每个爬行单元中平面四杆机构的滑块处于右极限位置。具体运动如下：

当机械蠕动行走机构从图2a)所示位置开始转到图2b)所示位置的过程中，曲柄2通过连杆3拉动滑块4沿着导杆5向后移动，由于滑块4与棘爪棘轮机构的主动轮6固连在一起，棘爪7的锁止作用会导致棘爪棘轮机构整体向后滑动；但由于地面摩擦力的作用阻止了棘爪棘轮机构不会向后滑动，即滑块4不会向后移动，即从动轮8不滑动，这时导杆5向前移动，平面四杆机构2-3-4-5变成了移动导杆机构。

同时，曲柄2通过连杆3’推动滑块4’沿着导杆5向后移动，由于滑块4’与棘爪棘轮机构的主动轮6’固连在一起，棘爪7’的锁止作用会导致棘爪棘轮机构整体向后滑动；但由于地面摩擦力的作用阻止了棘爪棘轮机构不会向后滑动，即滑块4’不会向后移动，即从动轮8’不滑动，这时导杆5向前移动一较小位移，平面四杆机构2-3’-4’-5变成了移动导杆机构。

(2)当机械蠕动行走机构从图2b)所示位置开始转到图2c)所示位置的过程中，车架1向前做较大移动。在此过程中，前排每个爬行单元中棘爪棘轮机构的从动轮8不移动、后排每个爬行单元中棘爪棘轮机构的从动轮8’向前做较大移动。图2c)所示位置中，前排每个爬行单元中平面四杆机构的滑块处于右极限位置。具体运动如下：

当机械蠕动行走机构从图2b)所示位置开始转到图2c)所示位置的过程中，同(1)中情况一样前排每个爬行单元中的平面四杆机构2-3-4-5仍是移动导杆机构，棘爪棘轮机构的从动轮8不移动。

同时，曲柄2通过连杆3’拉动滑块4’沿着导杆5向前移动，由于滑块4’与棘爪棘轮机构的主动轮6’固连在一起，地面的摩擦力和棘爪7’的打滑会导致棘爪棘轮机构的从动轮8’向前滚动。在此过程中，平面四杆机构2-3’-4’-5变成了曲柄滑块机构。

(3)当机械蠕动行走机构从图2c)所示位置开始转到图2d)所示位置的过程中，车架1不移动。在此过程中，前排每个爬行单元中棘爪棘轮机构的从动轮8和后排每个爬行单元中棘爪棘轮机构的从动轮8’都向前做微量移动。图2d)所示位置中，后排每个爬行单元中平面四杆机构的滑块处于左极限位置。具体运动如下：

当机械蠕动行走机构从图2c)所示位置开始转到图2d)所示位置的过程中，曲柄2通过连杆3推动滑块4沿着导杆5向前移动，由于滑块4与棘爪棘轮机构的主动轮6固连在一起，棘爪7的打滑会导致棘爪棘轮机构的从动轮8向前滚动。在此过程中，平面四杆机构2-3-4-5变成了曲柄滑块机构。

同时，曲柄2通过连杆3’拉动滑块4’沿着导杆5向前移动，由于滑块4’与棘爪棘轮机构的主动轮6’固连在一起，棘爪7’的打滑会导致棘爪棘轮机构的从动轮8’向前滚动。在此过程中，平面四杆机构2-3’-4’-5变成了曲柄滑块机构。

(4)当机械蠕动行走机构从图2d)所示位置开始转到图2e)所示位置的过程中，车架1向前做较大移动。在此过程中，前排每个爬行单元中棘爪棘轮机构的从动轮8向前做较大移动、后排每个爬行单元中棘爪棘轮机构的从动轮8’不移动。图2e)所示位置中，前排每个爬行单元中平面四杆机构的滑块处于左极限位置，机械蠕动行走机构在此位置与图2a)是一样的。具体运动如下：

当机械蠕动行走机构从图2d)所示位置开始转到图2e)所示位置的过程中，曲柄2通过连杆3推动滑块4沿着导杆5向前移动，由于滑块4与棘爪棘轮机构的主动轮6固连在一起，棘爪7的打滑会导致棘爪棘轮机构的从动轮8向前滚动。在此过程中，平面四杆机构2-3-4-5变成了曲柄滑块机构。

同时，曲柄2通过连杆3’推动滑块4’沿着导杆5向后移动，由于滑块4’与棘爪棘轮机构的主动轮6’固连在一起，棘爪7’的锁止作用会导致棘爪棘轮机构整体向后滑动；但由于地面摩擦力的作用阻止了棘爪棘轮机构不会向后滑动，即滑块4’不会向后移动，即从动轮8’不滑动，这时导杆5向前移动，平面四杆机构2-3’-4’-5变成了移动导杆机构。

这样，随着曲柄2整周回转，导杆5向前微量移动、向前较大移动、不移动、向前较大移动，……，循环交替进行，从而使车架1向前爬行。考虑到上述四个过程中的车架1向前微量移动和不移动的时间较短，主要是两次较大的向前移动，所以机械蠕动行走机构的运动基本上是蠕动式前进的。

特别地，当滑块的偏置距e＝0时，机械蠕动行走机构如图3、4所示，其爬行过程分为两个过程：

(1)当机械蠕动行走机构从图4a)所示位置开始转到图4b)所示位置的过程中，导杆5向前作较大移动，前排每个爬行单元中棘爪棘轮机构的从动轮8不移动，而后排每个爬行单元中棘爪棘轮机构的从动轮8’向前做较大移动。图4a)所示位置中，前排每个爬行单元中平面四杆机构的滑块处于左极限位置，而后排每个爬行单元中平面四杆机构的滑块处于右极限位置；图2b)所示位置中，前排每个爬行单元中平面四杆机构的滑块处于右极限位置，而后排每个爬行单元中平面四杆机构的滑块处于左极限位置。具体运动如下：

当机械蠕动行走机构从图4a)所示位置开始转到图4b)所示位置的过程中，曲柄2通过连杆3拉动滑块4沿着导杆5向后移动，由于滑块4与棘爪棘轮机构的主动轮6固连在一起，棘爪7的锁止作用会导致棘爪棘轮机构整体向后滑动；但由于地面摩擦力的作用阻止了棘爪棘轮机构不会向后滑动，即滑块4不会向后移动，即从动轮8不滑动，这时导杆5向前移动，平面四杆机构2-3-4-5变成了移动导杆机构。

(2)当机械蠕动行走机构从图4b)所示位置开始转到图4c)所示位置的过程中，导杆5向前做较大移动，前排每个爬行单元中棘爪棘轮机构的从动轮8向前做较大移动、后排每个爬行单元中棘爪棘轮机构的从动轮8’不移动。机械蠕动行走机构在图4c)所示位置与图4a)是一样的。具体运动如下：

当机械蠕动行走机构从图4b)所示位置开始转到图4c)所示位置的过程中，曲柄2通过连杆3推动滑块4沿着导杆5向前移动，由于滑块4与棘爪棘轮机构的主动轮6同连在一起，棘爪7的打滑会导致棘爪棘轮机构的从动轮8向前滚动。在此过程中，平面四杆机构2-3-4-5变成了曲柄滑块机构。

这样，随着曲柄2整周回转，从动轮8不移动和从动轮8’向前较大移动得到导杆5向前较大移动、从动轮8向前较大移动和从动轮8’不移动得到导杆5向前较大移动，……，循环交替进行，从而使车架1向前爬行。所以机械蠕动行走机构的运动是蠕动式前进的。

如图5所示，利用超越离合器具有与棘爪棘轮机构同样的向前爬行和向后锁止的功能，将机械蠕动行走机构的2×2个爬行单元中的每个棘爪棘轮机构用超越离合器替代，同样能够使机械蠕动行走机构蠕动行走。当然，除上述含有2×2个爬行单元的机械蠕动行走机构外，在其他含有n≥2个爬行单元的机械蠕动行走机构中，也可以用超越离合器代替棘爪棘轮机构。

多个爬行单元组合n＝4、6、8、10…，如图6、7所示，每个爬行单元可以共用同一曲柄或由不同曲柄驱动。可以调整各爬行单元中的偏置距e、曲柄2和连杆3的设计长度，得到不同的向前移动规律。由多个爬行单元组成的机械蠕动行走机构可以实现系统的连续前进运动。

将机械蠕动行走机构中2个(n＝4，取m＝2)爬行单元的平面四杆机构2-3-4-5中的曲柄2、连杆3、滑块4取消，将导杆5直接与棘爪棘轮机构6-7-8的主动轮6固连在一起，如图8所示，这样的爬行单元自身没有驱动而是被动地被其它爬行单元驱动，同样能够使机械蠕动行走机构行走。当然，如果采用的是超越离合器，则将导杆5直接与超越离合器的星轮10固连在一起。

可将机械蠕动行走机构中的棘爪棘轮机构改为双向式棘轮机构，这样，通过改变棘爪的锁止方向就可以实现机械蠕动行走机构的前进和后退功能。

当爬行单元的数量n≥2时，若由不同曲柄驱动，使两侧曲柄转速不同，则可以实现机械蠕动行走机构转向；当共用同一曲柄时，通过改变棘爪和主动轮之间的夹角使棘爪脱离与从动轮的接触，使两侧的棘爪7收起时间长短不一，即使棘爪7失效的时间长短不一，从而实现机械蠕动行走机构转向。这种由转动副连接的两构件之间夹角的改变，有很多方法可以实现。比如最简单的方法是，直接在棘爪上设一手柄，转动手柄直接使棘爪脱离从动轮。

将多组由多个爬行单元组成的机械蠕动行走机构横向对称布置或纵向串联连接，可组成更复杂的机械蠕动行走系统，在一组串联在一起的多个爬行单元之中，同侧的导杆5为一体式。如图9所示，将两组相同的由2×2个爬行单元组成的机械蠕动行走机构用联轴器纵向串联连接，组成复杂的机械蠕动行走机构。

可见，由将转动变为往复直线运动的平面连杆机构和可输出单向转动的棘爪棘轮机构变异组合形成的机械蠕动行走机构，可实现机械仿生蠕动行走。由多个爬行单元组成的机械蠕动行走机构可以实现系统的连续前进运动。

为了不发生相邻两个轮子的干涉，曲柄长度、连杆长度、偏置距e和驱动轮外圆的半径等应满足一定的条件。例如，在有两个爬行单元的机械蠕动行走机构里，如果两个曲柄相对于曲柄回转中心对称布置，两个曲柄长度都为l₁，两个连杆长度都为l₂，驱动轮外圆的半径都为R，曲柄转角为φ₁，当φ₁＝0~360°时，要求同时满足如下两个条件：

l₂-l₁＞e

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

1.一种机械蠕动行走机构，包括车架(1)，其特征在于，在车架(1)上设置有n个爬行单元，正整数n≥2，每个爬行单元包括一个滑块偏置距为e的平面四杆机构、一个内啮合齿式棘爪棘轮机构和驱动轮(9)，e≥0；该平面四杆机构主要由曲柄(2)、连杆(3)、滑块(4)和导杆(5)组成，导杆(5)的一端和车架(1)固连，导杆(5)的另一端和滑块(4)移动连接，曲柄(2)的内端和车架(1)转动连接，该连接点相对导杆(5)偏置距e，曲柄(2)的外端和连杆(3)的一端转动连接，连杆(3)的另一端和滑块(4)转动连接，内啮合齿式棘爪棘轮机构主要由主动轮(6)、棘爪(7)和从动轮(8)组成，主动轮(6)和平面四杆机构的滑块(4)固连，从动轮(8)和驱动轮(9)同心固连，动力来自曲柄(2)。

2.根据权利要求1所述的机械蠕动行走机构，其特征在于，棘爪棘轮机构用超越离合器替代，即超越离合器的星轮(10)与滑块(4)固连，超越离合器的外环(11)与驱动轮(9)同心固连。

3.根据权利要求1或2所述的机械蠕动行走机构，其特征在于，n个爬行单元之间连接关系是并联或/和串联连接。

4.根据权利要求1或2所述的机械蠕动行走机构，其特征在于，当爬行单元的数量n≥2时，曲柄(2)有一个或多个，当曲柄(2)的个数少于n时，多个连杆(3)与同一曲柄(2)连接。

5.根据权利要求1所述的机械蠕动行走机构，其特征在于，棘爪(7)与主动轮(6)之间的夹角可调。

6.根据权利要求5所述的机械蠕动行走机构，其特征在于，在棘爪(7)上设有一手柄。

7.根据权利要求1所述的机械蠕动行走机构，其特征在于，将其中m个爬行单元的平面四杆机构中的曲柄(2)、连杆(3)、滑块(4)取消，将导杆(5)直接与棘爪棘轮机构的主动轮(6)固连在一起，正整数m≤n-2。

8.根据权利要求2所述的机械蠕动行走机构，其特征在于，将其中m个爬行单元的平面四杆机构中的曲柄(2)、连杆(3)、滑块(4)取消，将导杆(5)直接与超越离合器的星轮(10)固连在一起，正整数m≤n-2。

9.根据权利要求1所述的机械蠕动行走机构，其特征在于，将棘爪棘轮机构改为双向式棘轮机构。

10.根据权利要求1或2所述的机械蠕动行走机构，其特征在于，将多组由多个爬行单元组成的机械蠕动行走机构横向对称布置或纵向串联连接。

11.根据权利要求1或2所述的机械蠕动行走机构，其特征在于，当多个爬行单元串联时，同侧的爬行单元的导杆(5)为一体式，即同侧的爬行单元共用一个导杆(5)。