CN101242982B - 差动推进机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种差动推进机构，其包括两个或多个同心的且相互反向旋转的第一滚轮(4，6，8，10)，它们相互反作用并平衡与所述滚轮相互作用的电机驱动装置(20)的转矩。所述电机驱动装置具有定子和转子以及同心连接装置，所述定子与所述第一滚轮中的一个连接，以便为第一导轨(12，14，16，18)上的第一滚轮提供驱动力，所述转子与机械连接件连接，该机械连接件至少间接地将所述转子与所述两个或多个第一滚轮中的至少一个第二滚轮连接，以便为第二导轨上的所述第二滚轮提供驱动力，同心连接装置固定成将运载物体连接到其上或者将该差动推进机构本身连接到其它的装置上。

Description

差动推进机构 

技术领域

本发明涉及一种轻型无人驾驶车辆，该车辆在长的挠性和/或刚性导轨上携带传感器和/或运载物体(payload)，导轨安装在或连接到结构、场所(site)和设备上。本发明在室内和/或室外应用中，在结构、场所和设备上的短路线和长路线上，为运载物体的运动动力和通信提供一种费用低廉的解决方案。 

背景技术

需要将各种类型的专用无人传感器/运载物体，例如日用照相机、热像仪、激光图像仪、声敏元件、化学传感器等，在长路线的结构、场所和设备上以快速、可靠和费用低廉的方式传送。有时，无人运载物体必需运送到几乎不能到达或者非常危险的地方，以监控远方的事件和/或活动。其它情况下，无人照看的运载物体必需在长路线上以费用低廉的方式反复传送。 

从经济的角度考虑，具有多种性能的昂贵运载物体，例如监测设备，在静止作业中不是费用低廉的。假定采用一种费用低廉的运送方案，那么对于动态作业或者分时作业的运载物体来说，将更加经济。 

本发明为平台和运载物体的移动、动力和通信提供一种费用低廉的解决方案，平台和运载物体在室内和/或室外应用中是在长路径的结构、场所和设备上遥控操作的。 

发明内容

因此，本发明的广泛的目的是以动态和费用低廉的方式在结构、场所和设备路线上配置专用运载物体。 

因此，根据本发明，提供一种差动推进机构，其包括两个或更多个同心的且相互反向旋转的滚轮，它们相互反作用并平衡与所述滚轮相互作用的电机驱动装置的转矩，所述电机驱动装置具有定子，所述定子与所述滚轮中的第一滚轮连接，以便为第一导轨上的所述第一滚轮提供驱动力，所述电机驱动装置具有一个与机械连接件连接的转子，该机械连接件至少间接地将所述转子与所述滚轮中的至少一个第二滚轮连接，以便为第二导轨上的所述第二滚轮提供驱动力，以及同心连接装置，其固定成将运载物体连接到所述同心连接装置上或者将该差动推进机构本身连接到其它的装置上。

附图说明

现在参照以下示意图并结合特定的优选实施方式对本发明进行描述，以使其能更充分地理解。 

详细地具体参照附图，要强调的是所显示的细节是示例的方式，目的仅是对本发明的优选实施方式进行示例性的讨论，只是提供对本发明原理和概念方面据信为最有用和易于理解的描述。在这点上，没有试图在基本理解本发明的需要之外更详细地显示本发明的结构细节，结合附图的描述能够使本领域技术人员明白如何在实践中实施本发明的几种形式。 

这些附图中： 

图1是根据本发明的平台模块的机构的简化机电原理示意图； 

图2是图1的平台模块的电力供给和控制的简化示意图； 

图3A、3B和3C是根据本发明的平台模块的三个详细的主视图、截面图和分解图； 

图4A和4B是导电导轨的详细视图； 

图5A、5B、5C和5D是导轨和滚轮的接合结构的实施例的三维图； 

图6A和6B是两个和三个模块的平台滚轮架(carriage)的示意性透视图； 

图7A、7B、7C和7D示出了图6A中的滚轮架在“T”形导轨连接处的转向步骤的四个连续视图； 

图8示出了滚轮架在“X”形导轨连接处的可操纵性； 

图9A、9B和9C示出了滚轮架从套筒形导轨到开放的单轨的切换步骤的三个连续视图； 

图10A至10E是平台模块外罩的三维图； 

图11A至11G是带有运载物体支承架的平台模块，支承架由导轨的反作用力保持稳定；以及 

图12A、12B、12C和12D示出了挠性导轨的示意图。 

具体实施方式

图1是差动推进机构的简化的机电原理的示意图，差动推进机构下文称车辆或平台模块2。平台模块2包括多个同心的第一滚轮4、6、8和10，滚轮保持在第一导轨12、14、16和18之间。导轨12和14具有导电表面，用于通过第一滚轮4和6在内置于导轨中的输电线(以及图1中未显示的控制和通信通道之间)和平台模块2之间提供连续的导电性。 

第一滚轮10连接到电机驱动装置20的转子，并由导轨18导向。第一滚轮8自由转动，并由导轨16导向。第一滚轮4和6分别由导轨12和14导向。只要平台的第一滚轮(4、6、8、10)和导轨(12、14、16、18)的接触线(共存于同一平面内)之间的距离保持在一定的范围内，平台模块将在导轨上沿着导轨曲线平稳地移动，导轨曲线包括结构曲线和由外力形成的曲线。为将接触线之间的距离保持在允许的范围内，导轨12和14可由弹簧(图1中未示出)沿着导轨16和18的方向施加作用力，以此保证滚轮和导轨之间的近距离接触和更大的牵引力。可选择地，第一滚轮4和6的直径的动态调整，可以补偿由上述距离的增大所导致的误差和操作变形。 

一个或多个内嵌的驱动电机20，以一个旋转方向驱动第一滚轮10，同时，由第一滚轮6支撑的电机“定子”与第一滚轮6一起以相反的旋转方向旋转，并提供平台模块在导轨上推进所需要的反作用转矩。因此，在标准的平衡转子的要求之外，还需要平衡定子。 

平台模块的相互反向旋转的一组元件基本上形成一个固有的差动机构。该事实构成单轴滚轮平台的推进原理的基础，并赋予平台模块包括急转弯在内的高度的可操纵性能。平台速度较高时，由于“陀螺”效应，可预期获得更好的平台稳定性。在所有在挠性装置上进行高速传输的情况下，这一点将变得至关重要。 

运载物体支承架22(payload carrier)在电机和滚轮轴24上自由转动。电力从导电的第一导轨12和14，通过第一滚轮4和6的导电表面，然后通过导电的滚轮的旋转滑环接触器26(两个外环)和两个相应的非旋转接触器28，随后通过导线30，被供给到运载物体。 

图2示出了通过导线30、接触器28和电机驱动装置的滑环接触器26(图1所示的两个内环)而将电源施加给电机驱动装置20的方式。如图2所示，电池32可以是运载物体34的一部分，或者可选择地，电池32可以是平台模块2的内部元件，但是，这种情况下，电池应该保持旋转平衡。还可以看到电池充电器36和电机控制器38。 

图3A和3B详细地示出了具有四个相关导电片/盘4a、4b和6a、6b的第一滚轮的结构，这四个导电片/盘由绝缘体隔板分隔开，两个用于电力，两个用于通信。驱动电机20的轴使得第一滚轮能沿一个旋转方向旋转，同时，其“定子”(实际上是非静止的)使得所有其它有关的第一滚轮(除了自由转动的第一滚轮8之外)能沿相反的旋转方向被驱动，并提供平台模块移动所需要的反作用转矩。因此，在标准的平衡转子的要求之外，还需要平衡定子。 

图3B和3C示出了运载物体支承架22，其由双列球轴承40支承，即使所有的平台元件都在转动，也能确保运载物体的稳定。对运载物体的高度稳定性来说，可以采用下文将要描述的平台滚轮架(platformcarriage)结构。可选择地，对低速-低稳定性的应用来说，可以通过在运载物体支承架和导轨之间形成反作用力而实现运载物体的稳定，如图11A至11E和图12A至12D所示。运载物体支承架具有螺纹和/或孔42以及至少一个定心销或者相似的定心机构，用于连接到运载物体结构，或者连接到平台模块连接杆(图6)以及运载物体的 电力和通信线的电连接器。在运载物体支承架22的中心，具有一个用于导线30的孔，导线30从容纳滑环接触器28(图1)的集电盒(collector house)44延伸出来。 

图3C是平台模块的分解透视图。电机和滚轮轴24允许用两个球轴承48以这样的方式支承滚轮组件的所有旋转元件，使得驱动电机(由电机和滚轮轴24承载)只承受载纯转矩(pure torque)。 

图4A和4B分别是第一导轨12和14以及导电导轨和滚轮的相互作用区域的详细视图。第一导轨12和14是由薄的挠性电绝缘带50和52以及薄的弹性金属薄片54a、54b、54c和54d形成的挠性多层结构。薄的弹性金属薄片54a、54b、54c和54d作为结构增强件、导体和连续接触部。挠性多层结构使其纵轴上可以有较大范围的弹性变形，同时保持其横截面的形状不变。 

导电的弹簧片54a至54c与相关导电片/盘4a、4b、6a和6b之间的连续接触，通过上述滚轮的一定压力使弹簧片54a至54c的边缘弹性弯曲而实现。为了避免导电的弹簧片54a至54c以及导电片/盘4a、4b、6a和6b的导电表面的疲劳和磨损，在第一导轨12和14的反作用带(reaction strip)56与第一滚轮6和4的反作用片/盘58和60之间的大部分的机械反作用相应地被吸收。由一组轴向弹簧预加载的反作用片/盘58和60充分利用它们呈一定角度的形状，以增加其机械接触线的有效直径。通过补偿导轨之间的距离变化，可以获得改进的牵引力。当需要大的牵引力时，可以在反作用带56的中心槽内并邻接导轨18(图1)的地方设置嵌齿条(cog-strip)(未示出)，以提供与平台模块嵌齿轮62(图4B)和64(图3B)的直接啮合，嵌齿轮62和64相应地分别与第一滚轮10和6相关联。从摩擦牵引到直接嵌齿牵引(cog-traction)的切换是一步一步地完成的(首先62，然后64，反之亦然)，同时利用距离补偿反作用片/盘58、60的弹性和/或通过在切换区域形成导电导轨的局部弹性。 

图5A至5D是一些另外的基本导轨和滚轮设计的示意图。基本上有两种主要设计-对称的(图5A和5B)和非对称的(图5C和5D)。 导轨的横截面不局限于以上举例示出的那些。还能以其它方式形成导轨横截面，例如锥形、圆形、椭圆形等。 

图6A和6B是平台滚轮架70的示意图。在平台模块的功能性之外，平台滚轮架能获得更高水平的运载物体稳定性和承载能力，以达到更高的速度，以及，在图6B的三模块滚轮架结构中，在导轨中操纵平台。 

平台滚轮架70包括通过运载物体支承架22由连接杆72或弹簧片74互相连接的两个或更多个平台模块。对于三模块滚轮架的转向(steering)性能来说，第一平台模块应该通过连接杆72连接到角度致动器76的定子，角度致动器76的定子由中间平台模块的运载物体支承架支撑，同时角度致动器76的转子78应该通过弹簧片74连接到第三平台模块的运载物体支承架22。弹簧片74的目的是(通过角度致动器76)在连接处的转向点之前能够预加载，以实现更好的转向控制灵活性。 

二模块平台滚轮架能实现更重的运载物体，沿着导轨更快的移动，并能获得运载物体相对于导轨的更好的稳定性。通过在不同类型的连接处改变方向，三模块平台滚轮架能够在导轨网络80中获得额外的可操纵性。如果不需要电机驱动装置，三平台模块的平台滚轮架可以具有简化的中间模块。 

图7A至7D的示意图是在“T”形导轨连接网络80中的三模块平台滚轮架70的可操纵性的连续步骤。 

图8是在“X”形导轨连接网络80中的三模块滚轮架70的可操纵性的示意图。 

图9A、9B和9C的示意图是三模块平台滚轮架70从套筒形导轨网络80内切换到开放的单轨82的连续步骤。 

导轨网络80为电力、通信以及平台和由平台承载的运载物体在该网络上的输送提供了基础设施。此外，导轨网络还能为外部的附近的使用者，提供受保护的通道区(channeling place)。形成导轨网络的导轨模块具有各自的能被平台模块或者平台滚轮架读取和识别的序列 号。因此，平台控制器可以实时检测滚轮架的位置，并且可以准确地将平台置于导轨网络中的任何位置。 

图10A和10B是具有内置式导轨16和18的保护罩84的透视图。罩84的弹性翼86连接到模块表面，并且通常封闭以确保罩内部的清洁，并避免对平台和环境的任何安全风险。通过翼打开轮88(图3A和3B)的作用力和在翼86的基部附近作用的滚轮8的外侧，弹性翼86被自动地向外推开。这两个力形成一个“连续”的局部槽口(notch)，以避免运载物体支承架22和保护罩84之间产生摩擦。该槽口将在平台模块通过之后马上闭合。还可以在图中看到用于电力和通信电缆的通道90和用于用户电缆的通道92以及吊耳94。 

图10C和10D是互相连接的保护罩84的透视图。限定罩组件的刚度值的两个参数是密封件96的挠度值和导电导轨的安装结构(即重叠对非重叠)。罩组件的小的刚度可以通过采用短的罩模块84、挠度大的密封件96并且第一导轨12、14不重叠来获得(图10C)。对于这种结构，建议采用两个吊耳94，用于吊在适当的绳索上。通过使用重叠的第一导轨12、14(图10D)，可以获得大的刚度，用于平稳地移动平台滚轮架。另外，对于刚性装置来说，有利于组装更长的模块罩(图10E)。 

其它类型的模块(曲线的、成角度的、连接点、端部元件和单轨)可以从上述实施例得出。并且，对于刚性和半刚性导轨来说，如图10A至10E所示，采用了对称设计。对于挠性导轨来说，如后面的图12A至12D所示，采用了非对称设计。 

根据本发明的平台模块2的一个实施例如图11A-11G所示，在该平台模块中，运载物体通过支承架22和导轨(挠性和/或刚性)之间的反作用力承载和稳定，其中可以看到两个同心的第一滚轮6和10分别限定在第一导轨14和18之间。第一导轨14和18由圆形挠性导电线/电缆形成，例如用于高压电高空装置的电缆或者具有相同横截面的导电刚性杆，以形成静止的电源和平台模块能量包(energy pack)之间(以及通过第一滚轮6和10的导电表面在控制和通信中心与平台 之间)的导电性。 

在图11D和11E中，可以看到由电机驱动装置20的转子轴100通过机械传动装置102而在第一导轨18上驱动的第一滚轮10(传动由连接到转子轴100上的小齿轮和与该小齿轮啮合的大齿轮而实现)。第一滚轮6在第一导轨14上反向旋转，同时它承载着电机驱动装置20的定子。 

运载物体通过支承架22(图11A和11B)被承载和稳定在第一导轨18和14上，支承架22通过至少三个稳定轮与导轨相互作用。在图11F所示的结构中，两个稳定轮106和108在导轨18上移动，并牢固地连接到支承架22，至少一个稳定轮(图中所示的是两个稳定轮110和112)在另一个导轨14上移动。至少三个稳定轮能够在两条非平行的导轨上面稳定一个单独平面，挠性和刚性导轨都能这样实现。 

为使第一滚轮6和10与导轨14和18之间的距离和牵引力分别保持在许可的范围内，采用两个或更多个预加载弹簧116与限定轮118和120沿着导轨18的方向推导轨14，以避免第一滚轮6和10与导轨14和18之间的滑动。两个或更多个预加载限定轮118和120由能围绕支承架22的单独轴转动的臂122和124承载。 

在该结构中，导轨14和18陷入在分别由第一滚轮6和10、限定轮118和120与稳定轮106、108和110、112限定的区域内，因此，在高动态载荷下保持平台和导轨之间的接合。 

在该结构中，运载物体支承架22还作为电机和滚轮轴24(图1和2)，并在差动推进机构的两侧提供连接能力。电力从导电的第一导轨14和18，通过第一滚轮6和10的导电表面，然后通过在连接到支承架22上的两个相应的非旋转导电滑环126上滑动的两个下部旋转接触器28，最后通过连接到电池的导线30(见图2)，并可选择地通过充电器，供给到平台能量包(未示出)。然后，由电机控制器通过在连接到支承架22上的两个相应的非旋转导电滑环上滑动的两个上部旋转接触器，为电机20供电。 

只要刚性导轨不适用或者由于地形状况例如地形障碍而不是费用 低廉的，其中该地形障碍将增加刚性导轨装置的费用的，和/或只要有利于使运载物体升起和在该地形上很好移动以更好地进行区域覆盖，都可以采用挠性导轨。 

如图12A至12D所示的挠性导轨可以由标准的圆形电线/电缆制成，或者可选择地，由起重索或者任何其它能够在两个相距较远的点例如柱子128之间桥接的挠性材料制成。挠性导轨的强度应该明显地高于由于自重、平台重量、动态载荷和环境影响例如风、雪、冰等产生的张紧力。电线/电缆在柱子或其它支撑元件上的安装，可以基于标准的高电压装置的技术和元件，例如绝缘子130，或者可选择地，基于图12C和12D所示的专用连接元件。 

为了使由支承架22承载的运载物体在柱子128和/或在其它支撑机构上输送连续性更加容易实现，可以在连接到柱子和/或连接到其它支撑元件上的挠性导轨之间设置一个具有可调转角和转弯半径的刚性输送桥132。图12A至12D示出了输送桥的两种基本结构，即浮动和固定结构。浮动输送桥的入口和出口元件134由对齐元件136保持与挠性导轨对齐。元件134使支承架22和由支承架22承载的差动推进机构从挠性导轨重新定向到桥132的刚性导轨，反之亦然。桥132由元件134、136以及可选择地由元件138支撑，在挠性导轨之间自由浮动，以避免桥/导轨的过度压力。图12C和12D所示的固定输送桥的入口和出口元件140至少间接地连接到柱子或其它支撑结构。固定输送桥的入口和出口元件140提供一个从挠性导轨到由适配器144连接到所述元件的刚性导轨的线性平滑通道，反之亦然。当挠性导轨被外部张紧装置(未示出)张紧后，该挠性导轨由紧固件142和/或任何其它连接到入口和出口元件140的紧固元件保持。 

当需要独特的物理性能时，基于平台内部能量包能在某些时间段内独立地为系统供电，可以从一组非导电性材料中选择挠性导轨。 

当需要高水平的运载物体的稳定性时，运载物体可以在由超轻非电动的悬架(为防止产生震动)承载的单独的导轨上传送，该悬架由在其它导轨(未示出)上移动的平台模块拖曳。为防止震动从电动拖 曳的平台以及从其导轨上传递到非电动拖曳的悬架和运载物体及其导轨，运载物体悬架可以通过吸震连杆拖曳。 

刚性导轨结构可以安装在连续的基于刚性的安装物例如建筑物的墙和天花板上。半刚性导轨结构适合于在开口上方例如在两个建筑物之间架桥，或者适合于不稳定的结构例如栅栏。挠性导轨结构适合于用在没有足够的实体基础结构在长的线上支撑导轨的场合。 

所有上述导轨结构的基本元件都是直的元件。如果导轨的方向变化，也可以采用弯曲的元件，例如成形为所需角度的封闭物(enclosure)等。对于刚性或半刚性结构来说，在一个连接处可以采用连接三个或四个导轨的元件。通过嵌入所述元件中的旁路线，能使平台滚轮架改变导轨，同时保持电力和通信线与所有连接导轨的连续性。 

对所有的导轨结构而言，都具有足够的端部元件，其能够在导轨线的末端处被封闭，或者在平台滚轮架装载到导轨网络上或者从其上拆除的位置打开。它还能容易地接近电力和通信线。 

对本领域技术人员来说，显然的是，本发明不限定于上述实施例的细节，在不脱离本发明精神或本质属性的情况下，本发明还可以其它特定的形式实施。本实施例因此在各个方面应被认为是示例性的而非限制性的，本发明的范围由所附的权利要求而不是由以上描述所限定，并且包括在权利要求含义和范围内的所有变化。 

Claims (11)

1.一种差动推进机构，其包括：

两个或更多个同心的且相互反向旋转的滚轮，它们相互反作用并平衡与所述滚轮相互作用的电机驱动装置的转矩；

所述电机驱动装置具有定子，所述定子与所述滚轮中的第一滚轮连接，以便为第一导轨上的所述第一滚轮提供驱动力；

所述电机驱动装置具有一个与机械连接件连接的转子，该机械连接件至少间接地将所述转子与所述滚轮中的至少一个第二滚轮连接，以便为第二导轨上的所述第二滚轮提供驱动力，以及

同心连接装置，其固定成将运载物体连接到所述同心连接装置上或者将该差动推进机构本身连接到其它的装置上。

2.如权利要求1所述的差动推进机构，其特征在于，所述差动推进机构限定、稳定在由导电或非导电材料制成的两个或更多个刚性、半刚性或挠性导轨之间并在其间推进。

3.如权利要求1所述的差动推进机构，其特征在于，所述电机驱动装置是一个或多个具有直接连接件或者具有减速传动装置的电机。

4.如权利要求1所述的差动推进机构，其特征在于，通过对至少一个所述第一滚轮或第一导轨预加载，相应地将所述第一滚轮或第一导轨连接到所述第一导轨或第一滚轮上，以提供牵引力。

5.如权利要求1所述的差动推进机构，其特征在于，所述第一滚轮和第二滚轮分别与所述第一导轨和第二导轨啮合，以减小滑动的可能性。

6.如权利要求1所述的差动推进机构，其特征在于，所述差动推进机构通过与所述第一导轨和第二导轨相互作用的运载物体支承架被承载和稳定。

7.如权利要求6所述的差动推进机构，其特征在于，所述运载物体支承架具有至少三个设置在导轨上的固定轮，以在两根非平行导轨上的一个单独的平面内使运载物体保持稳定。

8.如权利要求3所述的差动推进机构，其特征在于，所述电机由连接到定子和/或承载定子的滚轮上的整体电池组供电。

9.如权利要求3所述的差动推进机构，其特征在于，所述电机由连接到所述同心连接装置的电池组供电。

10.如权利要求3所述的差动推进机构，其特征在于，所述电机由导轨通过所述第一滚轮的导电表面并经过至少一个滑环接触器供电。

11.如权利要求1所述的差动推进机构，其特征在于，所述同心连接装置与一个或多个另外的所述差动推进机构互相连接，以提供改进的承载能力和/或运载物体稳定性。

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