CN102407889B

CN102407889B - 一种基于椭圆原理的双v型可变履带越障机构

Info

Publication number: CN102407889B
Application number: CN 201110260105
Authority: CN
Inventors: 刘少刚; 郭云龙; 赵华鹤; 刘铮; 郭峰; 周钊; 刘刚; 林珊颖; 徐震; 刘海丰
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2011-09-05
Filing date: 2011-09-05
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2031-09-05
Also published as: CN102407889A

Abstract

本发明提供一种基于椭圆原理的双V型可变履带越障机构，解决现有履带机器人存在的越障不灵活的问题。它包括驱动轮和套在驱动轮外面的履带，位于一侧前后方向的驱动轮是两个；还包括至少两个行星轮，每个行星轮分别与两个驱动轮通过履带连接；所述驱动轮与行星轮的位置关系为，两个驱动轮分别处于隐形椭圆的两个焦点位置上，所述行星轮处于所述椭圆的圆环位置上；两个行星轮之间通过轮系连接实现二者的对称运动；所述驱动轮与一号电机连接实现前进或后退，所述行星轮与二号电机连接实现越障。该越障机构提高了履带式底盘的越障性、机动性。机构简单，结构变形能力强。具有良好地面适应性、易于控制、重量较轻，可用于多种救援、探测设备的底盘车。

Description

一种基于椭圆原理的双V型可变履带越障机构

技术领域

本发明涉及到一种可变履带式越障机构，是基于椭圆原理的一种越障机构，尤其适用于救援机器人、战场机器人的底盘开发。

背景技术

由于救援机器人在9·11事件中的成功应用，引发了人们研究救援机器人的热潮。救援机器人的最重要的部分就是越障机构与机械本体，只有很好的翻越障碍，才能顺利的执行任务。

越障机构的移动载体，按其运动机构总体上可分为蛇形(无肢类)、轮式、腿式(类人型)、轮腿式、履带式以及复合式等。

蛇形机器人具有运动稳定性好、适应地形能力强和高的牵引力等特点，但多自由度的控制困难，运动速度低。

轮式机器人具有结构简单、重量轻、轮式滚动摩擦阻力小和机械效率高等特点，但越过壕沟、台阶的能力差。

腿式机器人具有适应地形能力强的特点，能越过大的壕沟和台阶，其缺点是速度慢，稳定性较差。

轮腿式及其它复合式机器人能融合各自特点，其缺点是结构复杂，控制繁琐。

履带式机器人因为自身地形适应能力强，控制简单，动载荷小等特点在实际应用中十分广泛，但在越障方面不够灵活。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于椭圆原理的双V型可变履带越障机构，具有越障灵活的优点。

所述目的是通过如下方案实现的：

一种基于椭圆原理的双V型可变履带越障机构，包括驱动轮和套在驱动轮外面的履带，位于一侧前后方向的驱动轮是两个；还包括至少两个行星轮，每个行星轮分别与两个驱动轮通过履带连接；所述驱动轮与行星轮的位置关系为，两个驱动轮分别处于隐形椭圆的两个焦点位置上，所述行星轮处于所述椭圆的圆环位置上；两个行星轮之间通过轮系连接实现二者的对称运动；所述驱动轮与一号电机连接实现前进或后退，所述行星轮与二号电机连接实现越障。

所述二号电机与轮系配合实现越障的具体结构为：

二号电机的输出轴与直齿轮I的中心轴连接，直齿轮I与直齿轮VI外啮合，直齿轮VI的中心轴固定连接主臂III的一端，所述主臂III的另一端固定连接直齿轮VII的中心轴，所述直齿轮VII与直齿轮VIII外啮合，直齿轮VIII通过中心轴固定连接主臂I；

直齿轮VI与直齿轮V外啮合，直齿轮V与直齿轮IV的中心轴固定连接，直齿轮IV与直齿轮VII外啮合，直齿轮VII与直齿轮II外啮合，直齿轮II 4中心轴与轴I固定连接，轴I上固定链轮II，链轮II通过链条I带动链轮I转动，链轮I中心连接曲柄I，曲柄I带动行星轮I转动；

轴I的另一端与锥齿轮III的中心固定连接，锥齿轮III与锥齿轮I啮合，锥齿轮I与锥齿轮II啮合，锥齿轮II中心与轴III固定连接，轴III与链轮III中心固定连接，链轮III通过链条II带动链轮IV转动，链轮IV中心连接曲柄II带动行星轮II转动。

所述直齿轮II、直齿轮III、直齿轮IV、直齿轮V和直齿轮VI的齿数都相等；所述链轮I、链轮II、链轮III和链轮IV的齿数相等；所述锥齿轮I、锥齿轮II和锥齿轮III的齿数相等。

本发明通过一套可行的传动方案与传动关系，利用椭圆圆周上任意一点到两个焦点所构成的三角形周长不变、三角形外形可不断变化的几何特性(见图1)，以合理简洁的齿轮传动(直齿轮、锥齿轮)，并排布置在该机构两侧，通过一定传动关系与传动件的布置能够在单侧形成一对关于Y轴对称、具有共同太阳轮心的行星轮机构，使其在单侧能够形成V字型的摆动，保证双侧履带时刻处在张紧状态下，通过控制驱动电机，主臂驱动电机的正转与反转实现此结构的越障，差速转弯等动作。可以在较为复杂的环境下完成越障的功能，提高了履带式底盘的越障性、机动性。另外，本实用新型机构设计简单，结构变形能力强，能够实现理想的几何、数学运动关系。本机构通过不同控制模块的植入可以实现不同的功能应用，依托于此结构的可开发性高、应用前景广阔。

附图说明

图1：椭圆模型原理图。

图2：行星轮数学坐标图。

图3：主臂传动机构布置图，为图4所示的A-A向剖视图。

图4：机构上台阶前示意图。

图5：机构上台阶中I示意图。

图6：机构上台阶中II示意图。

图7：机构上台阶后示意图。

图8：机构下台阶前示意图。

图9：机构下台阶中I示意图。

图10：机构下台阶中II示意图。

图11：机构下台阶后示意图。

图中1.直齿轮I，2.主臂驱动电机，3.轴I，4.直齿轮II，5.直齿轮III，6.轴II，7.直齿轮IV，8.直齿轮V，9.行星轮I，10.直齿轮VI，11.曲柄I，12.链轮I，13.；链条I，14.链轮II，15.直齿轮VII，16.锥齿轮I，17.轴III，.链轮III，19.链条II，20.链轮IV，21.曲柄II，22.行星轮II，23.主臂I，24.轴IV，25.直齿轮VIII，26.锥齿轮II，27.锥齿轮III，28.主臂II，29.履带，30.车体，31.履带架，32.驱动轮II，33.地面，34.驱动电机，35.驱动轮I，36台阶，37.主臂III，38.履带II。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明优选的实施方式。

本发明基于的原理：

根据椭圆的性质，设p₁为椭圆上的任意一点(见图1)，F₁，F₂为焦点可以得出p₁f₁+p₁f₂和为常数2a。三角形p₁f₁f₂的周长在焦点F₁，F₂确定时，也同样为常数，则关于y轴与P₁对称的P₂点也同样满足以上的数学关系，则六个点构成的两个三角形关于y轴对称。如果p₁，p₂时刻满足此关系，则当p₁，p₂运动时，中心在y轴上动态的上下移动。

在本机构的椭圆几何关系中(见图1，图4)。一方面，在隐形椭圆两焦点F1、F2处布置驱动轮I 35和驱动轮II 32，二者通过履带架31连接固定。驱动轮I 35，驱动轮II 32，在隐形椭圆的圆环上布置行星轮I 9和行星轮II 22，通过履带I 29将驱动轮I 35、驱动轮II 32和行星轮I 9相连，通过履带II 38将驱动轮I 35、驱动轮II 32和行星轮II 22连接，再利用轮系的相互配合关系实现它们同步转动。履带I 29和履带II 38由于同时置于两个驱动轮上，因此在实际操作时，可将驱动轮表面纵向分成两部分，一部分用于套接履带I 29，另一部分用于套接履带II 38。同时，一号电机(以下称驱动电机)34连接在驱动轮I 35上提供驱动轮前进的动力。使用时，可在本发明所述越障机构上固定搜索或报警设备以实现相应目的。

本发明中，位于一侧前后方向的驱动轮是两个，为了增加运动效果也可以设置三个、四个或更多个；本发明所述的“一侧”是指如图4所示越障机构的一个侧面，而从整体看，本发明所述越障机构还应当包括另一侧的驱动轮(个数应当相等以实现对称)，当然在实际使用中，也可以将驱动轮设置为具有较长轴心的结构，这样只通过两个驱动轮也可以实现越障目的。

二号电机(以下称主臂驱动电机)2的输出轴与直齿轮I 1的中心轴连接，直齿轮I 1与直齿轮VI 10外啮合，直齿轮VI 10的中心轴固定连接主臂III 37的一端，所述主臂III 37的另一端固定连接直齿轮VII 15的中心轴，所述直齿轮VII 15与直齿轮VIII 25外啮合，直齿轮VIII 25通过中心轴24固定连接主臂I 23；

直齿轮VI 10与直齿轮V 8外啮合，直齿轮V 8与直齿轮IV 7的中心轴固定连接，直齿轮IV 7与直齿轮VII 5外啮合，直齿轮VII 5与直齿轮II 4外啮合，直齿轮II 4中心轴与轴I 3固定连接，轴I 3上固定链轮II 14，链轮II 14通过链条I 13带动链轮I 12转动，链轮I 12中心连接曲柄I 11，曲柄I 11带动行星轮I 9转动；

轴I 3的另一端与锥齿轮III 27的中心固定连接，锥齿轮III 27与锥齿轮I 16啮合，锥齿轮I 16与锥齿轮II 26啮合，锥齿轮II 26中心与轴III 17固定连接，轴III 17与链轮III 18中心固定连接，链轮III 18通过链条II 19带动链轮IV 20转动，链轮IV 20中心连接曲柄II带动行星轮II 22转动。

所述链轮III 18、链条II 19、链轮IV 20都设置在主臂I 23内；链轮I 12、链条I 13、链轮II 14都设置在主臂II 28内，主臂I 23与主臂II 28具有相同的长度，同时，主臂II 28与主臂III 37相固定并且二者相互垂直。

本发明的工作过程为：

首先，主臂驱动电机2正转(见图3)，通过直齿轮I 1、直齿轮VI 10啮合带动主臂III 37转动。其次，主臂III 37通过直齿轮VII 15、直齿轮VIII 25啮合带动主臂I 23反向转动，二者形成V字形运动。再次，通过直齿轮I 1、直齿轮III 5、直齿轮IV 7、直齿轮V 8、直齿轮VI 10这一系列啮合关系可以带动直齿轮II 4转动，此时，通过直齿轮II 4与轴I 3的连接可以带动链轮II 14转动，通过链条I 13带动使其与链轮I 12连接的曲柄I 11转动，从而带动行星轮I 9转动。最后，通过轴I 3的连接、锥齿轮I 16、锥齿轮II 26、锥齿轮III 27的啮合关系，使轴I 3和轴III 17反向运动；轴III 17的转动带动链轮III 18，通过链条II 19的连接使链轮IV 20又带动曲柄II 21转动，最终带动行星轮II 22转动。

直齿轮II 4，直齿轮III 5，直齿轮IV 7，直齿轮V 8，直齿轮VI 10的齿数z相等。则传动比：

链轮I 12，链轮II 14，链轮III 18，链轮IV 20齿数z均相等，锥齿轮I 16，锥齿轮II 26，锥齿轮III 27齿数z也相等，同理也可得出图中轴III 17，轴I 3转速相等，转向相反。行星轮I 9，行星轮II 22转向相反，转速相等。这样就可以得出前面所提到的的几何关系。双臂机构反向对称运动可以形成V字型，主臂II 28，主臂I 23相向运动时，曲柄I 11，曲柄II 21反向运动；主臂II 28，主臂I 23反向运动时，曲柄I 11，曲柄II 21相向运动。

在本机构的椭圆几何关系中(见图1，图4)。一方面，在一侧主臂处的两焦点处布置驱动轮I 35，驱动轮II 32，二者通过履带架31连接固定。驱动轮I 35，驱动轮II 32，行星轮I9通过履带29相连从而实现三者同步转动。另一方面，驱动电机34连接在驱动轮I 35上提供驱动轮前进动力。

本发明翻越障碍过程如下：

当车体30在地面33行驶时，车体30上的主臂II 28上移，驱动电机34驱动车体30前进(见图4)。遇到台阶36时(见图5)，第一阶段，主臂驱动电机2驱动车体30两侧主臂I23，主臂II 28同时下移。一方面，提高车体30重心，另一方面，令履带I 29和履带II 38前端“攀爬”至台阶36上。第二阶段，当车体30重心上移到合理高度时(见图6)，驱动电机34驱动车体30继续前进。同时，主臂驱动电机2驱动主臂I 23，主臂II 28同步上移(见图7)。至此，车体30完全越过台阶36。

主臂I 23，主臂II 28在主臂驱动电机2下形状的改变令履带I 29和履带II 38与地面33的接触面积发生变化，从而使力也在发生变化，直至获得合适的形状、抓地力等参数，应用灵活。在“攀爬”阶梯时，其运动过程与其类似。

当机构遇到下台阶36时，首先，主臂驱动电机2驱动车体30两侧主臂I 23，主臂II 28同步下移(见图8)至履带I 29和履带II 38前端接触到地面33。其次，驱动电机34驱动车体30前进(见图9)，同时通过操作主臂驱动电机2来调整主臂I 23，主臂II 28在车体30前进过程中的“变形”状态(见图10)，使履带I 29和履带II 38充分接触地面33，获得最佳的力、几何状态等参数。再次，主臂驱动电机2驱动车体30两侧主臂I 23，主臂II 28渐渐的同步向上移动。最后，当车体30重心降低到合理高度(见图11)、履带I 29和履带II 38前端部分与地面33完全接触。驱动电机34驱动车体30继续前进。同时，主臂驱动电机2驱动主臂I 23，主臂II 28同步上移。至此，整个车体30顺利完成下台阶36的结构变化过程。本结构可以根据不同的地形调节车体30底牌履带的形状，使车体30重心在对称的轴内上下移动。稳定性和越障性都能够很好的实现。

Claims

1.一种基于椭圆原理的双V型可变履带越障机构，包括驱动轮和套在驱动轮外面的履带，其特征在于：

位于一侧前后方向的驱动轮是两个；

还包括至少两个行星轮，每个行星轮分别与两个驱动轮通过履带连接；

所述驱动轮与行星轮的位置关系为，两个驱动轮分别处于隐形椭圆的两个焦点位置上，所述行星轮处于所述椭圆的圆环位置上；

两个行星轮之间通过轮系连接实现二者的对称运动；

所述驱动轮与一号电机连接实现前进或后退，所述行星轮与二号电机连接实现越障；

所述二号电机与轮系配合实现越障的具体结构为：

直齿轮VI与直齿轮V外啮合，直齿轮V与直齿轮IV的中心轴固定连接，直齿轮IV与直齿轮VII外啮合，直齿轮VII与直齿轮II外啮合，直齿轮II中心轴与轴I固定连接，轴I上固定链轮II，链轮II通过链条I带动链轮I转动，链轮I中心连接曲柄I，曲柄I带动行星轮I转动；

2.根据权利要求1所述的基于椭圆原理的双V型可变履带越障机构，其特征在于，所述直齿轮Ⅱ、直齿轮III、直齿轮Ⅳ、直齿轮Ⅴ和直齿轮Ⅵ的齿数都相等。

3.根据权利要求1所述的基于椭圆原理的双V型可变履带越障机构，其特征在于，所述链轮Ⅰ、链轮Ⅱ、链轮III和链轮Ⅳ的齿数相等。

4.根据权利要求1所述的基于椭圆原理的双V型可变履带越障机构，其特征在于，所述锥齿轮Ⅰ、锥齿轮Ⅱ和锥齿轮III的齿数相等。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的基于椭圆原理的双V型可变履带越障机构，其特征在于，所述链轮III、链条II、链轮IV都设置在主臂I内；链轮I、链条I、链轮II都设置在主臂II内；主臂II与主臂III相固定并且二者相互垂直。

6.根据权利要求5所述的基于椭圆原理的双V型可变履带越障机构，其特征在于，主臂I与主臂II具有相同的长度。