CN101214832A - 履带与轮式结合的摆臂式菱形行走装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种履带与轮式结合的摆臂式菱形行走装置，它包括类菱形的车架以及安装于车架上的前轮、后轮和两个履带行动装置，前轮和后轮分别通过悬架装设于车架的前侧和后侧，两个履带行动装置分别通过履带行动装置悬架装设于车架的左侧和右侧，所述前轮和后轮内均装设有转向系统。本发明是一种结构简单紧凑、成本低廉、能适合各种恶劣环境下作业、适用范围广、稳定性好的履带与轮式结合的摆臂式菱形行走装置。

Description

履带与轮式结合的摆臂式菱形行走装置

技术领域

本发明主要涉及到行走装置的设计领域，特指一种履带与轮式结合的摆臂式菱形行走装置，可适用于恶劣环境下的无人探测和矿石采集领域。

背景技术

目前，于恶劣环境下的进行无人探测和矿石采集时，普遍采用自动行走装置，比如用于完成月面探测和矿石采集的月球探测车。对于现有的国内月球探测车来说，其行动装置基本都是采用轮式结构。对于月面环境而言，由于其地面条件复杂未知，且多以软泥砂为主，这对探测器的行走装置有着特殊的要求：1、月球表面多为柔软的软性土壤，月球车必须要有很强的翻越障碍、跨越沟壕和软地行驶能力。现有的月球车均为采用轮式结构，由于与地面的接触面积较小，在软地行驶方面具有先天不足，这将会大大影响月球车的活动范围和增加能源消耗。2、在月面地形非常复杂的情况下，探测器必须要有很强的灵活性和机动性能，这对月球车的行走装置有很高的要求。目前的月球车的底盘布置多采用平行布置的方式，转向半径较大，灵活性不强，在月面环境下行驶还会有诸多不足。目前的月球车在以上两方面做得都还不够完善，尤其是在软地行驶和跨越沟壕能力方面有较大欠缺，其他领域的探测车辆也同样具有以上缺陷。

发明内容

本发明要解决的问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、能适合各种恶劣环境下作业、适用范围广、稳定性好的履带与轮式结合的摆臂式菱形行走装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：一种履带与轮式结合的摆臂式菱形行走装置，其特征在于：它包括类菱形的车架以及安装于车架上的前轮、后轮和两个履带行动装置，前轮和后轮分别通过悬架装设于车架的前侧和后侧，两个履带行动装置分别通过履带行动装置悬架装设于车架的左侧和右侧，所述前轮和后轮内均装设有转向系统。

所述转向系统包括连接板、支持桥、转向减速机、转向电机、中心轴以及转动主销，车轮的轮毂通过连接板固定于中心轴上，转向减速机与支持桥固接，中心轴与转动主销固接，转向电机通过转向减速机与转动主销相连。

所述履带行动装置包括履带行动装置悬架、主动轮、连接件、导向轮、负重轮、履带环以及安装于主动轮中的独立驱动系统，所述履带环绕设于主动轮、导向轮和负重轮上，导向轮和负重轮位于同一侧，导向轮位于负重轮的上方，所叙主动轮、导向轮和负重轮通过连接件相连。

所述独立驱动系统包括驱动电机、内齿轮、小齿轮和支撑板，固定于支撑板上的驱动电机的输出轴与小齿轮相连，小齿轮与内齿轮啮合，内齿轮与主动轮轮毂固接。

所述履带行动装置悬架包括导向杆、减震弹簧以及解锁器，导向杆与连接件相连，减震弹簧套设于导向杆上，导向杆的底部设有解锁器。

所述解锁器采用电磁感应原理，跟步进电机的保持力矩原理一样，在通电时其输出轴相对解锁器固定，不能自由转动；断电时解锁，其输出轴可以自由转动。

所述解锁器通过螺栓与导向杆底部固连，履带行动装置的连接件通过连接销跟解锁器输出轴固连。

与现有技术相比，本发明的优点就在于：

1、本发明采用的底盘结构为摇臂式类菱形底盘，在同样的转向角度下，可以显著减小月球车的转向半径，提高月球车的转向灵活性。同时转向半径小，与周围环境的干涉几率会降低，从而提高月球车的适应性；

2、本发明底盘的中间轮被履带式行动装置所代替，可以提高履带车辆的越壕能力和越障能力，增强月球车的机动性能；另外，由于履带行动装置与地面的接触面积较大，更适合在月面的软性土壤上行驶；

3、本发明中履带行动装置作为一个整体，定位在锁住-解锁器上，锁住-解锁器固定在装有减震系统的悬架上，平时行走的时候，锁住-解锁器是解锁的，此时可以保证四个轮子一直与地面接触，保证其接地性能，提高车身的行驶平顺性。同时，由于履带是随动的，  路面的起伏对车身的姿态变化影响较小，从而可以提高月球车行驶的稳定性；

4、本发明的前、后两轮均采用摇臂式悬架系统与车身相连，可以大大增强月球车的翻越障碍物的能力；

5、本发明相对较长的履带行动装置，越壕沟性能明显优越于其他月球车。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明中履带行动装置的结构示意图；

图3是本发明中前轮或后轮的结构示意图；

图4是本发明履带行动装置中主动轮的立体结构示意图；

图5是本发明履带行动装置中主动轮的主视结构示意图；

图6是本发明前轮或后轮中转向系统的结构示意图；

图7是本发明越障应用实例示意图一；

图8是本发明越障应用实例示意图二；

图9-1、9-2、9-3、9-4、9-5、9-6是本发明越障应用实例示意图三；

图10-1、10-2、10-3、10-4、10-5、10-6是本发明越壕沟应用实例示意图。

图例说明

1、前轮           2、履带行动装置

3、后轮           4、履带行动装置悬架

5、主动轮         6、连接件

7、锁住解锁器     8、导向杆

9、减震弹簧       10、导向轮

11、负重轮        12、驱动电机

13、支撑板        14、轴承

15、连接板        16、支持桥

17、转向减速机    18、转向电机

19、轴承          20、中心轴

21、转动主销      22、车架

23、悬架          24、履带环

25、轮毂          26、内齿轮

27、小齿轮        28、主动轮轮毂

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1-图6所示，本发明履带与轮式结合的摆臂式菱形行走装置，它类菱形的车架22以及安装于车架22上的前轮1、后轮3和两个履带行动装置2，前轮1和后轮3分别通过悬架23装设于车架22的前侧和后侧，两个履带行动装置2分别通过履带行动装置悬架4装设于车架22的左侧和右侧，前轮1和后轮3内均装设有转向系统。在本实施例中，参见图3和图6所示，转向系统包括连接板15、支持桥16、转向减速机17、转向电机18、中心轴20以及转动主销21，车轮的轮毂25通过连接板15固定于中心轴20上，转向减速机17与支持桥16固接，中心轴20与转动主销21固接，转向电机18通过转向减速机17与转动主销21相连。参见图2所示，本实施例中履带行动装置2包括履带行动装置悬架4、主动轮5、连接件6、导向轮10、负重轮11、履带环24以及安装于主动轮5中的独立驱动系统，履带环24绕设于主动轮5、导向轮10和负重轮11上，导向轮10和负重轮11位于同一侧，导向轮10位于负重轮11的上方，履带行动装置悬架4通过连接件6与主动轮5、导向轮10和负重轮11相连。履带行动装置悬架4包括导向杆8、减震弹簧9以及解锁器7，导向杆8与连接件6相连，减震弹簧9套设于导向杆8上，导向杆8的底部设有解锁器7。参见图4和图5所示，本实施例中，独立驱动系统包括驱动电机12、内齿轮26、小齿轮27和支撑板13，固定于支撑板13上的驱动电机4的输出轴与小齿轮27相连，小齿轮27与内齿轮26啮合，内齿轮26与主动轮轮毂28固接。其中，解锁器采用电磁感应原理，跟步进电机的保持力矩原理一样，在通电时其输出轴相对解锁器固定，不能自由转动；断电时解锁，其输出轴可以自由转动。解锁器通过螺栓与导向杆底部固连。履带行动装置的连接件通过连接销跟解锁器输出轴固连。

在一般行驶时，驱动力由履带装置中的主动轮5内动力装置提供，动力由驱动电机12输出到小齿轮27上，小齿轮27与内齿轮26啮合，内齿轮26跟主动轮5是固连的，所以内齿轮26把驱动力传递到主动轮5上，主动轮5通过齿传递到履带环24上，即驱动履带环24跟地面产生相对运动，实现行驶动作。在一般行驶过程中，履带行动装置的连接件6跟锁住解锁器7是解锁的，即履带行动装置可以绕锁住解锁器7和履带行动装置连接件6的定位中心自由转动。这样无论路况怎么样，总有一部分履带环2与路面保持接触，从而提高车身的行驶平顺性。

在翻越障碍物的时候，如果障碍物的高度低于前轮1的话，如图7，则无需动作，直接通过轮子良好的抓地性能和强大的驱动力即可以实现越障。如果障碍物的高度高于前轮1直径而低于导向轮10中心到地面的高度的话，

如图8，首先将锁住解锁器7设置在锁住状态，这样可以避免当前轮1抬起时出现车身向前倾覆状况，然后通过蜗轮蜗杆减速机17的动力输出使得前轮2绕蜗轮蜗杆转向减速机17输出轴中心旋转，从而向上摆起，然后将前轮1置于障碍物上，然后直接驱动履带行动装置2，由于履带行动装置2的优越的越野性能，对于低于导向轮10中心到地面高度的障碍，履带行动装置2都可以轻松越过。

如果障碍物高度高于导向轮10中心到地面高度，如图9-1所示。先给解锁器7通电使之设置在锁住状态，使得履带行动装置2相对车架22不发生运动，避免当前轮1抬起时出现车身向前倾覆状况。然后通过蜗轮蜗杆的转向减速机17的动力输出把前轮2绕蜗轮蜗杆的转向减速机17输出轴中心旋转，把前轮2摆起，直至将前轮1抬至障碍物高度以上，如图9-2。然后驱动至前轮2完全置于障碍物之上，如图9-3。然后将前轮2通过悬架23绕蜗轮蜗杆的转向减速机17往下摆，将整车前部抬起，直至导向轮10中心高于障碍物的高度，如图9-4。根据履带行动装置2的特点，此时只要直接驱动即可越过障碍物，当车全部置于障碍物之上时，如图9-5。下一步就将前轮1再绕蜗轮蜗杆的转向减速机17输出轴下摆至接触地面，然后解锁器7断电解锁，如图9-6。

当前方出现壕沟时，如图10-1所示，先将解锁器7通电使之置于锁住状态，使得履带行动装置2跟车架22为一个整体，前轮1悬空时车身不至于向前倾覆。然后直接向前行驶，使前轮1接触到壕沟另一端，这时要求车的重心还未离开沟壕这一端，如图10-2。这样就可以保证月球车不会倾覆到沟壕中，然后继续行驶，履带一部分悬空没有关系，该发明履带行动装置2相对较长，一部分履带总是接地的，可以保证月球车一直是稳定行走，然后一直走到履带行动装置前部开始接触壕沟另一端，如图10-3。继续驱动，此时履带装置2与壕沟两端都接触，如图10-4。继续驱动直至车的重心通过壕沟，此时要求后轮2还未离开沟壕这端，这样就可以保证月球车不会往后倾覆，如图10-5。当重心过壕沟之后，就可以继续驱动直至整车通过壕沟了。如图10-6。也就是说，如果壕沟宽度低于我们的最大越壕沟宽度的话，我们其实只需要将锁住解锁器2置于锁住状态，然后直接驱动就可轻松越过壕沟。如果壕沟另一端高度高于开始端高度的话，我们可以在前轮2离地后适当把前轮2往上摆一边更好的抵达沟壕的另一端。

以月球车使用本发明的行走装置为例，菱形履带-轮式混合月球车的转向可以有两种方法：一为通过控制前后两轮的转动角度，二靠中间两履带行动装置2的差速。方法一利用转向电机驱动前轮1和后轮3转向，使其与行驶方向产生一定角度，在中间履带行动装置2中的驱动电机12的驱动下产生转向。这种方法可以使月球车行驶的时候执行转向操控，从而提高月球车的行驶速度和工作效率。在一些更加恶劣的情况下，可以采用方法二即差速法。差速法即利用中间履带行动装置2中的驱动电机12，使两履带行动装置产生相反的速度，同时通过前轮1和后轮3的转向电机18使前后轮转到合适的角度，在差速的作用下，可以使月球车绕车身上某一点旋转，从而大大减小月球车的转弯半径，提高月球车的转向灵活性。方法二是月球车在很小的空间内转向，一般需先将月球车停止下来，通过控制才能够实现。

Claims (7)

1.一种履带与轮式结合的摆臂式菱形行走装置，其特征在于：它包括类菱形的车架(22)以及安装于车架(22)上的前轮(1)、后轮(3)和两个履带行动装置(2)，前轮(1)和后轮(3)分别通过悬架(23)装设于车架(22)的前侧和后侧，两个履带行动装置(2)分别通过履带行动装置悬架(4)装设于车架(22)的左侧和右侧，所述前轮(1)和后轮(3)内均装设有转向系统。

2.根据权利要求1所述的履带与轮式结合的摆臂式菱形行走装置，其特征在于：所述转向系统包括连接板(15)、支持桥(16)、转向减速机(17)、转向电机(18)、中心轴(20)以及转动主销(21)，车轮的轮毂(25)通过连接板(15)固定于中心轴(20)上，转向减速机(17)与支持桥(16)固接，中心轴(20)与转动主销(21)固接，转向电机(18)通过转向减速机(17)与转动主销(21)相连。

3.据权利要求1或2所述的履带与轮式结合的摆臂式菱形行走装置，其特征在于：所述履带行动装置(2)包括履带行动装置悬架(4)、主动轮(5)、连接件(6)、导向轮(10)、负重轮(11)、履带环(24)以及安装于主动轮(5)中的独立驱动系统，所述履带环(24)绕设于主动轮(5)、导向轮(10)和负重轮(11)上，导向轮(10)和负重轮(11)位于同一侧，导向轮(10)位于负重轮(11)的上方，所述履带行动装置悬架(4)通过连接件(6)与主动轮(5)、导向轮(10)和负重轮(11)相连。

4.据权利要求3所述的履带与轮式结合的摆臂式菱形行走装置，其特征在于：所述独立驱动系统包括驱动电机(12)、内齿轮(26)、小齿轮(27)和支撑板(13)，固定于支撑板(13)上的驱动电机(4)的输出轴与小齿轮(27)相连，小齿轮(27)与内齿轮(26)啮合，内齿轮(26)与主动轮轮毂(28)固接。

5.据权利要求1或2所述的履带与轮式结合的摆臂式菱形行走装置，其特征在于：所述履带行动装置悬架(4)包括导向杆(8)、减震弹簧(9)以及解锁器(7)，导向杆(8)与连接件(6)相连，减震弹簧(9)套设于导向杆(8)上，导向杆(8)的底部设有解锁器(7)。

6.据权利要求3所述的履带与轮式结合的摆臂式菱形行走装置，其特征在于：所述履带行动装置悬架(4)包括导向杆(8)、减震弹簧(9)以及解锁器(7)，导向杆(8)与连接件(6)相连，减震弹簧(9)套设于导向杆(8)上，导向杆(8)的底部设有解锁器(7)。

7.根据权利要求4所述的履带与轮式结合的摆臂式菱形行走装置，其特征在于：所述履带行动装置悬架(4)包括导向杆(8)、减震弹簧(9)以及解锁器(7)，导向杆(8)与连接件(6)相连，减震弹簧(9)套设于导向杆(8)上，导向杆(8)的底部设有解锁器(7)。

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