CN101254800A - 主被动结合的摇臂式菱形月球车移动系统 - Google Patents

Abstract

一种主被动结合的摇臂式菱形月球车移动系统，它包括可转动的车架以及安装于车架上呈菱形布置的前轮、后轮、左轮和右轮，前轮和后轮分别通过前悬架系统和后悬架系统固定于车架上，左轮和右轮分别通过左悬架系统和右悬架系统固定于车架上，前悬架系统和后悬架系统均由连接机构和转向机构组成，车架包括安装有前轮的前车架和安装有后轮的后车架，后车架的一端设有转轴，后车架通过转轴与前车架铰接，左悬架系统和右悬架系统均由连接机构和摆臂电机组成，摆臂电机安装在前车架左右两端上，其输出轴与左悬架或右悬架固联。本发明采用四轮三轴菱形底盘的结构，具有结构紧凑、轻量化程度高、越野性能好、地形适应能力强、车体姿态平稳、可靠性高的优点。

Description

主被动结合的摇臂式菱形月球车移动系统

技术领域

本发明主要涉及到行走装置的设计领域，特指一种主被动结合的摇臂式菱形月球车移动系统，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

对于月面环境来说，月球车要求适应不熟悉的地貌和多灰层、微重力等独特的月球表面行驶环境以及实现地月转移，这对车辆的轻量化和行驶性能有着特殊的要求。从目前国内研究月球车情况看，大家认为传统的两轴四轮机构具有结构紧凑、耗能低、负载能力大、姿态调整方便的优点，缺点是车体的稳定性较差，爬坡和越障能力不强；六轮机构由于具有三轴特性，越野性和稳定性较强的优点，缺点是难以实现轻量化，重力在各车轮上的分配不均匀，不能充分发挥电机的效率。考虑到月球上特殊的工况，人们普遍认为轮式月球车中六轮是最优的，而传统的四轮车尽管比六轮结构更简单、可靠，但由于不具备好的越野性而不在选择范围之内。若要发挥四轮车的结构简单易于轻量化和可靠性强的优势，又要使其拥有优越的越野性能，就必须通过新概念的创新设计提高其越野性等行驶性能。

发明内容

针对现有技术存在的技术问题，本发明要解决的问题就在于：本发明提供一种结构简单紧凑、耗能低、地形适应能力强、越障性能好、车体姿态平稳、可靠性高、高轻量化的主被动结合的摇臂式菱形月球车移动系统。

为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：一种主被动结合的摇臂式菱形月球车移动系统，其特征在于：它包括可转动的车架以及安装于车架上呈菱形布置的前轮、后轮、左轮和右轮，所述前轮和后轮分别通过前悬架系统和后悬架系统固定于车架上，左轮和右轮分别通过左悬架系统和右悬架系统固定于车架上，所述前悬架系统和后悬架系统均由连接机构和转向机构组成，所述车架包括安装有前轮的前车架和安装有后轮的后车架，后车架的一端设有转轴，后车架通过转轴与前车架铰接，左悬架系统和右悬架系统均由连接机构和摆臂电机组成，摆臂电机安装在前车架左右两端上，其输出轴与左悬架或右悬架固联。

所述转轴与电机相连。

所述前车架上设有轴承座，电机通过轴承座支承。

所述电机为带自锁装置的驱动电机。

所述前悬架系统和后悬架系统中连接机构包括转向电机套筒、轴承座、角接触轴承、锁紧螺帽和连接臂，所述连接臂与前轮或后轮固连，转向电机套筒与车架固连，角接触轴承安装于轴承座内，轴承座与转向电机套筒固连，连接臂通过锁紧螺帽与角接触轴承内圈定位。

所述转向机构包括转向电机，转向电机固定于转向电机套筒内，转向电机的输出轴通过键与连接臂上端相接，转向力矩通过连接臂输送到前轮或后轮上。

所述前轮或后轮的接地点与转向电机输出轴的轴心延长线不相交。

与现有技术相比，本发明的优点就在于：

1、本发明主被动结合的摇臂式菱形月球车移动系统的“三轴”确保良好的越野性能和移动稳定性；“四轮”确保比六轮系统更高程度的轻量化。

2、本发明主被动结合的摇臂式菱形月球车移动系统采用菱形底盘结构，在同样的转向角度下，通过前后轮联动转向，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。同时还可以实现原地转向，能够实现随时避障，显著提高月球车的适应性。

3、本发明主被动结合的摇臂式菱形月球车移动系统，具有路面自适应性，尤其是月球坑和爬坡的接地性更好；

4、本发明主被动结合的摇臂式菱形月球车移动系统具有中间两轮主动摆臂和前后车架主动可调的特点。可以主动调节中间两轮悬臂来减少崎岖路面的侧倾，同时在越障和越壕中可以通过左右摆臂和前后调整车架，大大提高其通过能力。

5、本发明主被动结合的摇臂式菱形月球车移动系统，通过前轮或后轮的转向可实现重心左右相对偏移，使得具有在坡面行驶或路面坍塌时的四辙稳定性。

附图说明

图1是本发明的三维结构示意图；

图2是本发明的侧视图；

图3是本发明中前悬架系统的结构示意图；

图4-1是本发明的越壕沟示意图一；

图4-2是本发明的越壕沟示意图二；

图4-3是本发明的越壕沟示意图三；

图4-4是本发明的越壕沟示意图四；

图4-5是本发明的越壕沟示意图五；

图4-6是本发明的越壕沟示意图六；

图4-7是本发明的越壕沟示意图七；

图4-8是本发明的越壕沟示意图八。

图例说明

1、前轮           2、后轮

3、左轮           4、右轮

5、前悬架系统     6、后悬架系统

7、左悬架系统     8、右悬架系统

9、车架           10、转向电机

11、前车架        12、后车架

13、转轴          14、轴承座

15、电机          16、转向电机套筒

17、轴承座        18、锁紧螺帽

19、角接触轴承    20、连接臂

21、摆臂电机

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2、图3所示，本发明的主被动结合的摇臂式菱形月球车移动系统，它包括可转动的车架9以及安装于车架9上菱形布置的前轮1、后轮2、左轮3和右轮4，前轮1和后轮2分别通过前悬架系统5和后悬架系统6固定于车架9上，左轮3和右轮4分别通过左悬架系统7和右悬架系统8固定于车架9上，前悬架系统5和后悬架系统6均由连接机构和转向机构组成，左悬架系统7和右悬架系统8均由连接机构和摆臂机构组成。车架9由前车架11、后车架12、转轴13、轴承座14、电机15组成。后车架12跟转轴13通过螺栓固连，轴承座14跟前车架11通过螺栓固连，电机15安装在轴承座上，其输出轴跟转轴13一端固连，转轴13通过轴承与轴承座14定位，在电机15自带的自锁装置解锁后车架12可以通过转轴13自由地绕前车架11相对自由转动，在电机15作用下可主动的使前车架12和后车架13相对的转动，并且在电机15自带的自锁装置自锁后可以保持前车架11和后车架12不发生相对转动。前后悬架的连接机构由转向电机套筒16、轴承座17、锁紧螺帽18、角接触轴承19、连接臂20组成，其中转向电机套筒16通过螺栓跟车架9固连，轴承座17通过螺钉跟转向电机套筒16固连，角接触轴承19安装在轴承座17内，其外圈分别通过轴承座17和转向电机套筒16定位，内圈中安装连接臂20，连接臂20通过其自身的凸台和锁紧螺帽18跟角接触轴承19内圈固定。连接臂20下端跟车轮轴通过销钉固连。转向机构的转向电机10通过螺钉安装在转向电机套筒16内，其输出轴跟连接臂20通过键连接。转向时其动力通过连接臂20传送到前后车轮上。由于前后车轮接地点与转向电机10输出轴轴心延长线不相交，所以在转向时前后车轮接地点是绕前后转向电机10输出轴轴心转动的。转向电机10自带抱剎装置。左右悬架的摆臂机构由摇臂电机21和摆臂组成，摇臂电机21固定安装在前车架上，其输出轴跟摆臂固联，摇臂电机21自带电磁制动器。

在普通粗糙路面行驶时，电机15自带的自锁装置解锁。直接驱动四轮，转向通过前轮1、后轮2联动转向。

当路面崎岖不平时，电机15自带的自锁装置解锁，由于本发明车架9分为前车架11和后车架12两节，且两节可绕转轴13轴心相对转动，使得车轮有良好的接地性能，可以保持车轮始终接地，这样可以使得车的重力可以由四轮平均承载，还可以获得更大的地面附着力得以驱动。

在走阴阳路面时，可通过左右摆臂电机21主动调整，以减少或消除车体的侧倾。

当遇到障碍时，本发明可以发挥其主动摆臂加车架可主动摆动的特点实现越障，如图，发现前方障碍时，左轮3和右轮4通过摆臂电机21往前摆，使得重心偏后，然后通过转轴13端部的电机15把前车架11相对后车架12摆动，把前轮1摆至车轮高于障碍物，保持电机15的自锁装置自锁，锁住前后车架，然后驱动四轮，前轮1即可顺利越过障碍。当前轮1位于障碍物之后，前轮1转向180度，由于本发明前后轮可以通过转向相对车架9改变布置方式，此时重心位于前轮1、后轮2、和右轮4之中，此时左轮3悬空车依然将维持平衡，然后通过摆臂电机21把左轮3向上摆至位于障碍物之上，然后前轮1往回转向180至正常位置，后轮2转向180度，此时重心左偏至前轮1、左轮3、后轮2中，此时右轮4悬空车依然将维持平衡，然后将右轮4摆至障碍物之上，继续驱动，同时把左轮3和右轮4同时往后摆至重心位于前面三轮中，这样后轮2也将越过障碍物。即完成越障动作。

当遇到壕沟时，本发明越壕的具体过程如下：1、当检测到前方有壕沟，停止四轮驱动，调节电机15使前车架11平面和后车架12平面水平，并是电机15自带的自锁装置自锁住，左右臂摆为垂直位置，然后将后轮2转向转至180度，使重心位于前轮1、左轮3、后轮2组成的三角形间。同时将左轮摇臂7后摆一小角度，右轮摇臂8前摆一个相对比较大的角度，使得重心位于左轮3、右轮4、后轮2组成的三角形间，如图(4-1)。2、驱动四轮，前轮1先遇到壕沟，由于重心位于后面三轮之内，所以当前轮1悬空时，车还是能平稳的行使，这样前轮1能平稳的越过壕沟，如图(4-2)。3、第二个到达壕沟的是前摆的右轮4，由于前轮1已到达对岸，重心又位于前轮1、左轮3、后轮2组成的三角形内，所以当右轮4悬空时，车也一样能平稳行驶，从而送右轮4安全越过壕沟，如图(4-3)。这时两轮处于壕沟对岸，两轮未过壕沟，但四轮都接地。4、将右轮4解锁，前后轮转向至可以绕右轮4接地点做圆周运动，此时重心将处于前轮1、右轮4、后轮2接地点所组成的三角形内，接下来驱动另外三轮，车体将绕右轮4做圆周运动，左轮3将到达壕沟，但由于重心位于右轮4、前轮1、后轮2三角形之内，所以车在左轮3悬空时仍然能平稳行驶，左轮3在其悬空的同时前摆摇臂7，使其摆至与右轮摆臂8平齐，当左轮3越过壕沟时，停止驱动，如图(4-4)。5、此时前左右轮都已越过壕沟，此时只有后轮2未越过壕沟，但是处于接地状态。将前后轮转向至正常行驶角度，如图(4-5)。6、此时，左右轮摆臂都是前摆，重心处于左轮3、右轮4、后轮2的三角形中，为了使重心相对前移，将左右两轮摇臂同时往后摆直至重心位于前面三轮接地点的三角之内，如图(4-6)。7、驱动四轮，由于重心处于前部，后轮2悬于壕沟上时车仍然可以平稳行驶，如图(4-7)。8、继续驱动四轮，后轮6即可以安全越过壕沟。即完成了越壕动作，如图(4-8)。

当车在斜坡上横向行驶时，由于重力的原因，使得左轮3和右轮4中位于下边的轮子分担的车轮重力要大于其余各轮，而上边轮子分担的重力要小于其他轮子。这样重力在各车轮上的分配不均匀，不能发挥电机的效率。由于转向电机10轴线与地面交点与前后轮接地点不重合，所以前后轮可以相对车架9改变布置方式。比如如果右轮位于下方，可以把后轮2转向180度，从而使其接地点相对下移，这样既可以减少左轮3分担的重力，又可以增加右轮4分担的重力，于是使得各车轮分担的重力尽可能的均衡，最大程度上发挥驱动电机的效率。

当车在一边路面容易坍塌的路况行驶时，由于本发明前后轮可以通过转向相对车架9改变布置方式。假设右边路面容易坍塌，可以把后轮2转向180度，从而使其接地点相对右移，这样使得原来的四轮三辄变为了四轮四辄，此时车的重心位于前轮1、后轮2、左轮3各自接地点所组成的三角形中，这样减轻了右轮4分担的车的重力，从而较少了右边路面坍塌的可能性。即算是右边路面坍塌，由于重心已经相对左偏，所以车仍然能保持平稳行驶。

当车遇到不可逾越的障碍时，此车可以发挥其360度原地转向的超强避障功能，原地转向时只需将前后轮转向至各自轮轴线延长线通过车的重心，然后前轮1和后轮2差速，左轮3和右轮4差速即可。

Claims (10)

1、一种主被动结合的摇臂式菱形月球车移动系统，其特征在于：它包括可转动的车架(9)以及安装于车架(9)上呈菱形布置的前轮(1)、后轮(2)、左轮(3)和右轮(4)，所述前轮(1)和后轮(2)分别通过前悬架系统(5)和后悬架系统(6)固定于车架(9)上，左轮(3)和右轮(4)分别通过左悬架系统(7)和右悬架系统(8)固定于车架(9)上，所述前悬架系统(5)和后悬架系统(6)均由连接机构和转向机构组成，所述车架(9)包括安装有前轮(1)的前车架(11)和安装有后轮的后车架(12)，后车架(12)的一端设有转轴(13)，后车架(12)通过转轴(13)与前车架(11)铰接，左悬架系统(5)和右悬架系统(6)均由连接机构和摆臂电机(21)组成，摆臂电机(21)安装在前车架(11)左右两端上，其输出轴与左悬架(7)或右悬架(8)固联。

2、根据权利要求1所述的主被动结合的摇臂式菱形月球车移动系统，其特征在于：所述转轴(13)与电机(15)相连。

3、根据权利要求2所述的主被动结合的摇臂式菱形月球车移动系统，其特征在于：所述前车架(11)上设有轴承座(14)，电机(15)通过轴承座(14)支承。

4、根据权利要求2或3所述的主被动结合的摇臂式菱形月球车移动系统，其特征在于：所述电机(15)为带自锁装置的驱动电机。

5、根据权利要求1或2或3所述的主被动结合的摇臂式菱形月球车移动系统，其特征在于：所述前悬架系统(5)和后悬架系统(6)中连接机构包括转向电机套筒(16)、轴承座(17)、角接触轴承(19)、锁紧螺帽(18)和连接臂(20)，所述连接臂(20)与前轮(1)或后轮(2)固连，转向电机套筒(16)与车架(9)固连，角接触轴承(19)安装于轴承座(17)内，轴承座(17)与转向电机套筒(16)固连，连接臂(20)通过锁紧螺帽(18)与角接触轴承(19)内圈定位。

6、根据权利要求4所述的主被动结合的摇臂式菱形月球车移动系统，其特征在于：所述前悬架系统(5)和后悬架系统(6)中连接机构包括转向电机套筒(16)、轴承座(17)、角接触轴承(19)、锁紧螺帽(18)和连接臂(20)，所述连接臂(20)与前轮(1)或后轮(2)固连，转向电机套筒(16)与车架(9)固连，角接触轴承(19)安装于轴承座(17)内，轴承座(17)与转向电机套筒(16)固连，连接臂(20)通过锁紧螺帽(18)与角接触轴承(19)内圈定位。

7、根据权利要求5所述的主被动结合的摇臂式菱形月球车移动系统，其特征在于：所述转向机构包括转向电机(10)，转向电机(10)固定于转向电机套筒(16)内，转向电机(10)的输出轴通过键与连接臂(20)上端相接，转向力矩通过连接臂(20)输送到前轮(1)或后轮(2)上。

8、根据权利要求6所述的主被动结合的摇臂式菱形月球车移动系统，其特征在于：所述转向机构包括转向电机(10)，转向电机(10)固定于转向电机套筒(16)内，转向电机(10)的输出轴通过键与连接臂(20)上端相接，转向力矩通过连接臂(20)输送到前轮(1)或后轮(2)上。

9、根据权利要求7所述的主被动结合的摇臂式菱形月球车移动系统，其特征在于：所述前轮(1)或后轮(2)的接地点与转向电机(10)输出轴的轴心延长线不相交。

10、根据权利要求8所述的主被动结合的摇臂式菱形月球车移动系统，其特征在于：所述前轮(1)或后轮(2)的接地点与转向电机(10)输出轴的轴心延长线不相交。

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