CN101585304A - 摇杆式移动机器人用齿轮式差动平衡机构 - Google Patents

Abstract

一种摇杆式移动机器人用齿轮式差动平衡机构，由太阳外齿轮(1)，太阳内齿轮(2)，同轴固联的两外齿轮(3)、(4)，以及系杆(H)构成，太阳外齿轮(1)与太阳内齿轮(2)旋转轴在同一轴线上，系杆(H)支撑着同轴固联的两外齿轮(3)、(4)，同轴固联的两外齿轮(3)、(4)分别与太阳外齿轮(1)、太阳内齿轮(2)相啮合，且两对相互啮合的齿轮的齿数比相同。本发明可应用在摇杆式机器人上，对机器人主车体起到差动平衡的作用。本发明的系杆与机器人主车体固定，太阳齿轮的轮轴分别与机器人左右摇杆连接，当机器人在不平整的地面上运行时，可使得机器人主车体绕该轴线摆角为左右两摇杆的摆角和的一半。

Description

摇杆式移动机器人用齿轮式差动平衡机构

所属技术领域

本发明涉及一种齿轮式差动平衡机构，是应用在具有摇杆结构的移动机器人上使机器人主车体保持相对平衡的齿轮式差动平衡机构。

背景技术

具有摇杆结构的移动机器人是目前移动机器人领域研究的一个重要方向。美国研制的Rock系列和FIDO等大量行星探测机器人的原理样机及成功登陆火星的“索杰纳”、“勇气号”等火星车均采用了6轮独立驱动的摇杆悬架式移动系统。这些机器人均采用了美国专利US4840394中提出的Rocker-Bogie的摇杆机构，左右两侧摇杆通过平衡机构与机器人主车体相连，使得机器人主车体的转角是两侧摇杆机构转角的和的一半，使得机器人主车体保持相对平衡。美国专利US4840394提出了采用连杆机构连接左右两侧摇杆，以保持机器人的平衡。该连杆平衡机构一般布置在机器人主体机壳的外面，这样给机器人的结构设计带来了不便。因此，设计一种体积小、结构紧凑的差动器十分必要。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种体积小、结构紧凑的齿轮式差动平衡机构，该齿轮式差动平衡机构应用在具有摇杆结构的移动机器人上，连接两侧的摇杆以保持机器人主车体的相对平衡。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明由太阳外齿轮、太阳内齿轮、同轴固联的两外齿轮以及系杆构成，太阳外齿轮与太阳内齿轮的旋转轴在同一轴线上，系杆支撑着同轴固联的两外齿轮，同轴固联的两外齿轮分别与太阳外齿轮、太阳内齿轮相啮合，且两对相互啮合的齿轮的齿数比相同。

设太阳外齿轮、太阳内齿轮、同轴固联的两外齿轮的齿数分别为Z₁、Z₂、Z₃、Z₄；设太阳外齿轮、太阳内齿轮、同轴固联的两外齿轮及系杆的角速度分别为ω₁、ω₂、ω₃、ω₄、ω_H。

由上述关系可知：

$\frac{Z_3}{Z_1}=\frac{Z_4}{Z_2},$ ω₃＝ω₄

设太阳外齿轮与其相啮合的齿轮相对系杆的传动比分别i₁₃ ^H，设太阳内齿轮与其相啮合的齿轮相对系杆的传动比为i₂₄ ^H，则有

$i_{13}^H=\frac{{\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_H}{{\mathrm{\ω}}_3-{\mathrm{\ω}}_H}=-\frac{Z_3}{Z_1}$

$i_{24}^H=\frac{{\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{\ω}}_H}{{\mathrm{\ω}}_4-{\mathrm{\ω}}_H}=\frac{Z_4}{Z_2}$

因 $\frac{Z_3}{Z_1}=\frac{Z_4}{Z_2},$ ω₃＝ω₄则有

$\frac{{\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_H}{{\mathrm{\ω}}_3-{\mathrm{\ω}}_H}=-\frac{{\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{\ω}}_H}{{\mathrm{\ω}}_4-{\mathrm{\ω}}_H};$ ${\mathrm{\ω}}_H=\frac{{\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2}{2}$

系杆与太阳外齿轮转角

太阳内齿轮的转角

有以下关系

可见，当系杆固定时，太阳内齿轮与太阳外齿轮的转速相同转向相反。当系杆可摆动时，系杆的转速为太阳内齿轮与太阳内齿轮和的一半，因此实现了差动的目的。采用上述技术方案，系杆的摆角为太阳内齿轮与太阳外齿轮摆角的线性平均。

采用上述方案制作的差动平衡装置，安装在摇杆式机器人上时，可将系杆采取措施固联在机器人的主车体上，太阳外齿轮的轮轴、太阳内齿轮的轮轴分别与机器人的左右摇杆结构连接，当机器人在不平整的地面上运行时，左右两摇杆绕太阳齿轮的轮轴的轴线转动，这样机器人的主车体的绕该轴线摆角为左右两摇杆的摆角的和的一半，保证了机器人在复杂的地形上移动时机器人主车体的差动平衡。

采用上述的方案，可以达到以下有益效果：本发明为一个独立的功能单元，结构紧凑，比利用连杆机构实现摇杆式机器人平衡节省空间，安装使用方便。

附图说明

图1为本发明的机构原理图；

图2为本发明安装在摇杆式机器人上的安装示意图；

图中：1-太阳外齿轮2-太阳内齿轮3-外齿轮4-外齿轮H-系杆5-主车体6-太阳内齿轮轮轴7-太阳外齿轮轮轴8-左摇杆9-右摇杆10-左摇杆部分11-右摇杆部分12-轮体

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为的本发明的机构原理图，本发明由太阳外齿轮1，太阳内齿轮2，同轴固联的两外齿轮3、4，以及系杆H构成，太阳外齿轮1与太阳内齿轮2旋转轴在同一轴线上，系杆H支撑着同轴固联的两外齿轮3、4，同轴固联的两外齿轮3、4分别与太阳外齿轮1、太阳内齿轮2相啮合，且相互啮合的太阳外齿轮1和外齿轮3的齿数比与相互啮合的太阳内齿轮2和外齿轮4的齿数比相同。

图2为本发明安装在摇杆式机器人上的安装示意图，将本发明安装在摇杆式机器人上时，采取措施将其系杆H与机器人主车体5固定，摇杆部分10、11由摇杆8、9和轮体12构成，太阳内齿轮的轮轴6与左摇杆部分10的摇杆8连接，太阳外齿轮的轮轴7与右摇杆部分11的摇杆9连接。

当机器人在不平整的地面上运行时，轮体随着起伏不平的地面上下起伏，并使得左右两摇杆8、9绕差动平衡机构的太阳齿轮的轮轴的轴线转动，因本发明的作用，机器人的主车体5绕该轴线摆角为左右两摇杆8、9的摆角的和的一半，保证了机器人在复杂的地形上移动时机器人主车体5的差动平衡。

本发明为齿轮式差动平衡机构，具体实施时，可将齿轮部分设置在一个封闭的壳体内，形成一个独立的功能单元，这样即便于齿轮的润滑，又使得差动平衡装置的结构紧凑、体积小，可以节省主车体的空间，且安装方便。本发明可广泛地应用在具有摇杆结构的轮式、履带式及轮履结合式的移动机器人上。

Claims (2)

1、一种摇杆移动机器人用齿轮式差动平衡机构，包括齿轮与系杆，其特征在于：太阳外齿轮(1)与太阳内齿轮(2)旋转轴在同一轴线上，系杆(H)支撑着同轴固联的两外齿轮(3)、(4)，同轴固联的两外齿轮(3)、(4)分别与太阳外齿轮(1)、太阳内齿轮(2)相啮合，且相互啮合的太阳外齿轮(1)和外齿轮(3)的齿数比与相互啮合的太阳内齿轮(2)和外齿轮(4)的齿数比相同。

2、根据权利要求1所述的摇杆移动机器人用齿轮式差动平衡机构，其特征在于：太阳外齿轮(1)和太阳内齿轮(2)的轮轴分别与摇杆机器人的左右摇杆连接，系杆(H)与机器人的主车体固定。

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