CN101554895A - 月球车行走折叠系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种月球车行走折叠系统，包括车轮驱动单元、车轮转向单元、转向架、前摇臂、车身、车体传动轴、后摇臂、中间杆、摆动杆，车轮驱动单元与车轮转向单元连接，两个车轮转向单元与转向架固定，另一转向单元与摆动杆固定，转向架与前摇臂通过转轴连接，摆动杆与中间杆通过转轴连接，中间杆与后摇臂固定，前摇臂和后摇臂均连接到车体传动轴上，传动轴连接到车身上。折叠方式简单、方便、快速；折叠状态外形美观；所用电机数量较少，充分地利用了转向电机，真正为折叠功能而设计的电机只有2个摆动电机，其余6个转向电机仍可用于正常行走与转弯；折叠比高，214％，有效地缩小了月球车的初始安放体积。

Description

月球车行走折叠系统

技术领域

本发明涉及的是一种机械技术领域的装置，具体是一种月球车行走折叠系统。

背景技术

对地球以外的太空空间进行探测的重点是各种行星\卫星天体，而探测这些天体的一种重要方式是向其发送可着陆的移动漫游探测车，在地表上进行近距离勘探。为了节省火箭发射和飞行器运行成本，要求探测车初始安放体积必须尽可能小。因此，探测车应具有可折叠功能，当安装在航天器内时应处于折叠状态，待到达行星\卫星表面后，再全部展开，恢复正常行走与工作状态。

对现有技术进行文献检索，结果如下。国内外很多科研机构都研究开发了行星\月球探测车，其体积有大型、小型、微型。大型探测车整体结构固定，一般不具有折叠功能。小型和微型探测车中部分具有折叠功能。在探测车行走系统方面，有轮式、腿式、轮腿式、履带式等，轮式又分单轮、两轮、三轮、四轮、五轮、六轮、八轮、十二轮等。一般来说，带摇臂的轮式、轮腿式以及带摆臂的履带式均可以设计成具有折叠功能。已知的行走系统具有折叠功能的探测车有如下几种类型。(1)带摇臂的轮式，摇臂夹角可调，车体可折叠，代表有美国喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory)开发的Nanorover、SRR(Sample Return Rover)和Sojourner三种火星探测车；Nanorover探测车技术见Wilcox B.H.等在2000年IEEE Aerospace Conference Proceedings第7卷第287-295页上发表的文章“The MUSES-CN nanorover mission and relatedtechnology”，SRR探测车技术见Karl Iagnemma等在Autonomous Robots杂志2003年14卷第5-16页上发表的文章“Control of robotic vehicles with actively articulatedsuspensions in rough terrain”，Sojourner探测车技术见Donna L.Shirley在ActaAstronautica杂志1995年35卷第355-365页上发表的文章“Mars pathfinder microroverflight experiment-a paradigm for very low-cost Spacecraft”。(2)摇臂夹角可调，车轮可收缩，车体可折叠，代表有JPL开发的MER火星探测车，见Lindemann Randel在2005年ASME International Design Engineering Technical Conferences第6A卷第99-106页上发表的文章“Dynamic testing and simulation of the mars explorationrover”。(3)轮腿式，腿部关节可弯曲，车体可折叠，代表有欧洲空间局(European SpaceAgency)研制的Hylos四轮轮腿式行星探测机器人，见Ch.Grand等人在2004年IEEEInternational Conference on Robotics & Automation第5期第5111-5116页上发表的文章“Decoupled control of posture and trajectory ofthe hybrid wheel-legged robot hylos”。(4)带摆臂的履带式，车身可上升下降，车体可折叠，代表有俄罗斯移动车辆工程学院(VNIITRANSMASH)研制的Track1关节履带式探测车，见Mikhail Malenkov等人在2004年the 8th ESA Workshop on Advanced Space Technologies for Robotics andAutomation上发表的文章“Results of ESA/ESTEC and VNII Transmash & RCL jointactivities aimed at planetary rovers development”。以上车型根据其自身行走系统的特点，可实现车体的部分折叠。但它们并不是从设计之初就充分地考虑折叠功能，或者没有根据行走系统和车身机构的特点充分地去设计折叠功能，因此这些车型的折叠比不高。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种月球车行走折叠系统，通过机构空间的精确布局和一体化轮系的设计，实现行走系统的高度折叠，从而有效地缩小月球车的初始安放体积。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：车轮驱动单元、车轮转向单元、转向架、前摇臂、车身、车体传动轴、后摇臂、中间杆、摆动杆，车轮驱动单元与车轮转向单元连接，两个车轮转向单元与转向架固定，另一转向单元与摆动杆固定，转向架与前摇臂通过转轴连接，摆动杆与中间杆通过转轴连接，中间杆与后摇臂固定，前摇臂和后摇臂均连接到车体传动轴上，传动轴连接到车身上。折叠后，车轮藏在车身下部，前摇臂、后摇臂、转向架与中间杆在同一条直线上。

所述的车轮转向单元包括转向机构外壳、外壳端盖、转向轴、轴承、转向电机、电机端盖、螺钉。空心转向轴上并排设置两个轴承，转向电机装入空心转向轴内，通过电机端盖与转向轴固连，用螺钉固定。整个转向轴装入转向机构外壳，轴承外圈与外壳顶紧，电机输出轴与外壳固连。外壳端盖用螺钉固定在转向机构外壳上，以约束轴承的轴向移动。车轮转向单元可带动车轮驱动单元做180度旋转。

所述的前摇臂包括摇臂杆、弹簧、传动销、弹簧盖。弹簧装在摇臂杆一个带螺纹的通孔内，一端顶着传动销，另一端顶着弹簧盖。弹簧盖通过螺纹旋进通孔内。摇臂杆一端的轴用通孔固定在转向架中轴承的外圈上。

所述的摆动杆，一端有通孔，连接车轮转向轴。另一端中间挖去，左右各剩一薄壁对立，薄壁上有一通孔，摆动轴从中穿过。两薄壁内侧各焊接有一粗销钉，用于摆动杆转动的限位。摆动杆可带动后轮的驱动单元和转向单元收缩与伸展。

所述的中间杆包括连杆、摆动电机、摆动轴、斜齿轮、端盖、螺钉。摆动电机插入连杆中心的圆柱槽内，电机输出轴上设置一斜齿轮，摆动轴穿过连杆的通孔并且上面也设置一斜齿轮，两个斜齿轮成90度啮合。端盖中心穿过摆动轴，用螺钉与连杆固定。摆动杆固定连接在中间杆的摆动轴上。所述连杆分两段，上段为长方体，下段为圆柱体。长方体中心挖出一圆柱型深孔，摆动电机放入其中，其前端与长方体固定。顶部端面有螺丝孔，可与后摇臂固定连接。圆柱体内部挖空，一侧有盖，一侧无盖。有盖的一面中心位置有一通孔，摆动轴可从中穿过。有盖的一面绕圆中心有一150度夹角的环形导槽。

所述的后摇臂包括摇臂杆、弹簧、传动销、弹簧盖。弹簧装在摇臂杆一个带螺纹的通孔内，一端顶着传动销，另一端顶着弹簧盖。弹簧盖通过螺纹旋进通孔内。摇臂杆与中间杆用螺钉固定连接。

所述的车体传动轴包括车轴、轴承、轴套、轴用挡圈。两个轴承套在车轴上，中间用一轴套进行定位，轴用挡圈卡在车轴上，约束轴承的轴向移动。前摇臂、后摇臂分别固定在车轴的两个轴承上。所述车轴一端插入车体内部进行连接，一端设置轴承、轴套、轴用档圈，两端结合部，有一转盘，转盘两侧各有一环形导槽，导槽内部自上而下深度逐渐加深，到最下端变为圆形通孔，直径与导槽宽度相同。前、后摇臂的传动销可在导槽内部滑动，并插入圆形通孔内，实现两摇臂夹角的固定。

所述车身中下部左右两侧同时向内凹陷部分空间，留出空间给车轮折叠时使用。

本发明采用六轮摇臂转向架式行走系统，其折叠功能一共需要8个电机。

与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：折叠方式简单、方便、快速；折叠状态外形美观；所用电机数量(8个)较少，充分地利用了转向电机，真正为折叠功能而设计的电机只有2个摆动电机，其余6个转向电机仍可用于正常行走与转弯；折叠比高，214％，有效地缩小了月球车的初始安放体积。

附图说明

图1是本发明完全展开状态的结构示意图；

图2是本发明处于折叠状态的结构示意图；

图3是本发明车轮转向单元的局部剖面图；

图4是本发明摆动轴的局部剖面图；

图5是本发明摇臂夹角锁定机构的局部示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，为月球车行走系统完全展开状态(侧视图)。本实施例包括：车轮驱动单元1、车轮转向单元2、转向架3、前摇臂4、车身5、车体传动轴6、后摇臂7、中间杆8、摆动杆9，车轮驱动单元1与车轮转向单元2连接，两个车轮转向单元2与转向架3固定，另一转向单元2与摆动杆9固定，转向架3与前摇臂4通过转轴连接，摆动杆9与中间杆8通过转轴连接，中间杆8与后摇臂7固定，前摇臂4和后摇臂7均连接到车体传动轴6上，传动轴6连接到车身5上。

所述车轮驱动单元1包括车轮外壳、空心轮轴、轴承、轴套、轴用挡圈、驱动电机、电机端盖、轮盖、螺钉，空心轮轴上设置两个轴承，两轴承中间有一个轴套用于定位，轴用挡圈卡在轮轴上用于约束轴承，驱动电机装入空心轮轴内，通过电机端盖与空心轮轴固连，用螺钉固定，整个轮轴装入车轮外壳，轴承外圈与外壳顶紧，电机输出轴与外壳固连，轮盖用螺钉固定在车轮外壳上。

如图2所示，为月球车行走系统完全折叠状态(侧视图)。车轮藏在车身5下部，前摇臂4、后摇臂7、转向架3与中间杆8在同一条直线上。所述车身5中下部左右两侧同时向内凹陷部分空间。

如图3、4、5所示，所述的车轮转向单元2包括转向机构外壳12、外壳端盖14、转向轴15、轴承13、转向电机16、电机端盖11、螺钉10，空心转向轴上并排设置两个轴承13，转向电机16装入空心转向轴15内，通过电机端盖11与转向轴15固连，用螺钉10固定，整个转向轴15装入转向机构外壳12，轴承13外圈与转向机构外壳12顶紧，电机输出轴与转向机构外壳12固连，外壳端盖14用螺钉10固定在转向机构外壳12上；其中，所述转向机构外壳12，主体部分为圆柱体，内部挖空，沿内壁有定位沿，下端有一小型通孔，主体部分侧面连接有与之垂直的圆柱体，内部挖空，圆柱体外端有若干小通孔；所述转向轴15内部挖空，外壁靠下位置有定位沿，底端有若干螺丝孔，转向轴上端直径缩小，最上端位置有螺纹；所述转向电机16包括电动机、减速器和编码器三个部件，固定在一起，呈圆柱形，减速器转轴作为转向电机输出轴，电动机和编码器的接线引出来，另接到驱动器上。

所述的转向架3包括车轮连杆、转动轴、轴承、轴用挡圈，转动轴穿过车轮连杆一通孔并紧配合，轴承套在转动轴上，轴用挡圈卡在转动轴上。

所述的前摇臂4包括摇臂杆30、弹簧29、传动销27、弹簧盖28，弹簧28装在摇臂杆30一个带螺纹的通孔内，一端顶着传动销27，另一端顶着弹簧盖28，弹簧盖28通过螺纹旋进通孔内，摇臂杆30一端的轴用通孔固定在转向架3中轴承的外圈上。

所述的摆动杆9，一端有通孔，连接车轮转向轴，另一端中间挖去，左右各剩一薄壁对立，薄壁上有一通孔，摆动轴从中穿过，两薄壁内侧各焊接有一粗销钉19。

所述的中间杆8包括连杆23、摆动电机24、摆动轴20、斜齿轮22、端盖21、螺钉，摆动电机24插入连杆23中心的圆柱槽内，电机输出轴上设置一斜齿轮22，摆动轴20穿过连杆24的通孔并且上面也设置一斜齿轮22，两个斜齿轮22成90度啮合，端盖21中心穿过摆动轴20，用螺钉与连杆23固定，摆动杆9固定连接在中间杆8的摆动轴20上；其中，所述连杆23分两段，上段为长方体，下段为圆柱体，长方体中心挖出一圆柱型深孔，摆动电机24放入其中，其前端与长方体固定，顶部端面有螺丝孔，可与后摇臂7固定连接，圆柱体内部挖空，一侧有盖，一侧无盖，有盖的一面中心位置有一通孔，有盖的一面绕圆中心有一150度夹角的环形导槽26；所述摆动电机24包括电动机、减速器和编码器三个部件，固定在一起，呈圆柱形，减速器转轴作为摆动电机24输出轴，电动机和编码器的接线引出来，另接到驱动器上；所述摆动轴20一端较粗，一端较细，较粗的一端连接摆动杆9一侧薄壁上的通孔并固定，较细一端可将斜齿轮22套入并固定，其末端插入摆动杆9另一侧薄壁上的通孔并固定。

所述的后摇臂7包括摇臂杆30、弹簧29、传动销27、弹簧盖28，弹簧29装在摇臂杆30一个带螺纹的通孔内，一端顶着传动销27，另一端顶着弹簧盖28，弹簧盖28通过螺纹旋进通孔内，摇臂杆30与中间杆8用螺钉固定连接。

所述的车体传动轴6包括车轴、轴承、轴套、轴用挡圈，两个轴承套在车轴上，中间用一轴套进行定位，轴用挡圈卡在车轴上，约束轴承的轴向移动，前摇臂4、后摇臂7分别固定在车轴的两个轴承上，所述车轴一端插入车体内部进行连接，一端设置轴承、轴套、轴用档圈，两端结合部，有一传动轴转盘25，传动轴转盘25两侧各有一环形导槽26，环形导槽26内部自上而下深度逐渐加深，到最下端变为圆形通孔，直径与环形导槽26宽度相同。

月球车行走系统折叠过程如下：首先车身正下方地面伸出一支撑杆，顶住车身5。然后六个转向电机16转动，六个车轮驱动单元1和转向机构外壳12绕竖直转向轴15同时旋转180度至转向架3和摆动杆9的内侧。接着车体两侧中间杆8内的摆动电机24转动，带动两个斜齿轮22运动，于是摆动轴20跟着转动，摆动杆9也跟着旋转，后轮开始收缩。当摆动杆9内侧的粗销钉19在中间杆连杆23和连杆端盖21的环形导槽26内运动至另一端极限位置时，摆动电机24停止转动，后轮收缩完毕。此时中间杆8与摆动杆9垂直。然后将前后摇臂杆30内的传动销27从车体传动轴转盘25上的圆形通孔内顶出，同时支撑杆缩回，车身5缓慢下降，传动销27在环形导槽26内向上端滑动，前摇臂4和后摇臂7夹角变大。最终前后摇臂夹角变为180度，二者处于同一条直线上，同时转向架3也位于该条直线上。车身5则骑在六个轮子上，从而达到折叠状态。

月球车行走系统展开过程如下：首先车身正下方地面伸出一支撑杆，缓慢顶起车身5。位于同一条直线上的前摇臂4和后摇臂7之间的夹角开始变小，两个摇臂杆30内的传动销27在车体传动轴转盘25的环形导槽26内向下端滑动。最后传动销27滑至导槽26下端的圆形通孔位置，并在弹簧29的作用下成功顶进该通孔内，前摇臂4、后摇臂7位置固定，其夹角也锁定。接着车体两侧中间杆8内的摆动电机24转动，带动两个斜齿轮22运动，于是摆动轴20跟着转动，摆动杆9也跟着旋转，后轮开始伸展。当摆动杆9内侧的粗销钉19在中间杆8连杆23和连杆端盖21的环形导槽内运动至另一端极限位置时，摆动电机24停止转动，后轮伸展完毕。此时摆动杆9处于水平位置。然后六个转向电机16转动，六个车轮驱动单元1和转向机构外壳12绕竖直转向轴15同时旋转180度至转向架3和摆动杆9的外侧。最后支撑杆缩回，车身5下降，六轮同时着地，行走系统完全展开。

行走系统可从展开状态收缩到折叠状态，亦可从折叠状态伸展到展开状态。折叠展开过程均需要车身正下方地面支撑杆的支持。整个月球车展开状态的尺寸：1370mm×1080mm×600mm，折叠状态尺寸：1200mm×770mm×450mm，总折叠比可达214％，有效地缩小了月球车的初始安放体积，节省了火箭发射和飞行器运行的成本。

Claims (10)

1、一种月球车行走折叠系统，包括车轮驱动单元、车轮转向单元、转向架、前摇臂、车身、车体传动轴、后摇臂、中间杆、摆动杆，其特征在于：车轮驱动单元与车轮转向单元连接，两个车轮转向单元与转向架固定，另一转向单元与摆动杆固定，转向架与前摇臂通过转轴连接，摆动杆与中间杆通过转轴连接，中间杆与后摇臂固定，前摇臂和后摇臂均连接到车体传动轴上，传动轴连接到车身上。

2、根据权利要求1所述的月球车行走折叠系统，其特征是，所述的车轮转向单元包括转向机构外壳、外壳端盖、转向轴、轴承、转向电机、电机端盖、螺钉，空心转向轴上并排设置两个轴承，转向电机装入空心转向轴内，通过电机端盖与转向轴固连，用螺钉固定，整个转向轴装入转向机构外壳，轴承外圈与外壳顶紧，电机输出轴与外壳固连，外壳端盖用螺钉固定在转向机构外壳上。

3、根据权利要求1所述的月球车行走折叠系统，其特征是，所述的前摇臂包括摇臂杆、弹簧、传动销、弹簧盖，弹簧装在摇臂杆一个带螺纹的通孔内，一端顶着传动销，另一端顶着弹簧盖，弹簧盖通过螺纹旋进通孔内，摇臂杆一端的轴用通孔固定在转向架中轴承的外圈上。

4、根据权利要求1所述的月球车行走折叠系统，其特征是，所述的摆动杆，一端有通孔，连接车轮转向轴，另一端中间挖去，左右各剩一薄壁对立，薄壁上有一通孔，摆动轴从中穿过，两薄壁内侧各焊接有一粗销钉。

5、根据权利要求1所述的月球车行走折叠系统，其特征是，所述的中间杆包括连杆、摆动电机、摆动轴、斜齿轮、端盖、螺钉，摆动电机插入连杆中心的圆柱槽内，电机输出轴上设置一斜齿轮，摆动轴穿过连杆的通孔并且上面也设置一斜齿轮，两个斜齿轮成90度啮合，端盖中心穿过摆动轴，用螺钉与连杆固定，摆动杆固定连接在中间杆的摆动轴上。

6、根据权利要求5所述的月球车行走折叠系统，其特征是，所述连杆分两段，上段为长方体，下段为圆柱体，长方体中心挖出一圆柱型深孔，摆动电机放入其中，其前端与长方体固定，顶部端面有螺丝孔，与后摇臂固定连接，圆柱体内部挖空，一侧有盖，一侧无盖，有盖的一面中心位置有一通孔，有盖的一面绕圆中心有一150度夹角的环形导槽。

7、根据权利要求1所述的月球车行走折叠系统，其特征是，所述的后摇臂包括摇臂杆、弹簧、传动销、弹簧盖，弹簧装在摇臂杆一个带螺纹的通孔内，一端顶着传动销，另一端顶着弹簧盖，弹簧盖通过螺纹旋进通孔内，摇臂杆与中间杆用螺钉固定连接。

8、根据权利要求1所述的月球车行走折叠系统，其特征是，所述的车体传动轴包括车轴、轴承、轴套、轴用挡圈，两个轴承套在车轴上，中间用一轴套进行定位，轴用挡圈卡在车轴上，约束轴承的轴向移动，前摇臂、后摇臂分别固定在车轴的两个轴承上。

9、根据权利要求8所述的月球车行走折叠系统，其特征是，所述车轴一端插入车体内部进行连接，一端设置轴承、轴套、轴用档圈，两端结合部，有一转盘，转盘两侧各有一环形导槽，导槽内部自上而下深度逐渐加深，到最下端变为圆形通孔，直径与导槽宽度相同。

10、根据权利要求1所述的月球车行走折叠系统，其特征是，所述车身中下部左右两侧同时向内凹陷部分空间。

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