CN102673675B - 一种可转向四边形翻滚机构 - Google Patents
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Abstract
一种可转向四边形翻滚机构，包括八个连板及它们的连接。形式上每个连板都有两个轴孔，且对于每个连板，两个轴孔间的轴线垂直距离等长，八个连板组成一个四边形，其中板（1）、（2），板（3）、（4），板（5）、（6）及板（7）、（8）分别构成四边形的四个边，任意相邻的连板用转动副连接，当四边形内角均为90°，且正四边形四个角上的转动副轴线相互平行时，机构外形呈正四边形；机构的运动由电机（9）、（10）、（15）控制，配重（11）、（12）、（13）、（14）、（16）与电机同重，使结构对称。控制电机（13），则机构变形并因惯性而翻滚，控制电机（9）、（10），则机构变形并实现转弯。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人，具体涉及一种可转向四边形翻滚机构。
背景技术
平面四连杆机构是应用最为广泛的连杆机构，它的结构简单、设计方便，平面四杆机构分为曲柄摇杆机构、双摇杆机构、曲柄滑块机构等多种形式。四边形机构是一种特殊的双摇杆机构，组成机构的机架、中间连杆和两个摇杆的长度相同，只需要一个驱动就可以实现对机构运动的控制。中国专利CN 2789106Y提出了一种单动力滚动四杆机构，它使用一个驱动电机，依靠机构自身变形时产生的的惯性实现了四杆机构的整体滚动，结构简单，具有一定运动能力，但是该机构只能实现直线运动，机动性较差。
发明内容
本发明要解决的技术问题：滚动型机器人（如滚动四杆机构）在滚动过程中一般运动方向不发生变化，运动的机动性较差。
本发明的技术方案：一种可转向四边形翻滚机构包括八个连板及它们的连接，形式上每个连板都有两个轴孔，且对于每个连板，两个轴孔间的轴线垂直距离等长，八个连板组成一个四边形，当四边形内角均为90°，且正四边形四个角上的转动副轴线相互平行时，机构外形呈正四边形，每个四边形的边均包含一个电机座连板和一个电机同步连板。
第一连接件变形驱动电机形式上看作四边形一个边的中点，第一连接件变形驱动电机固定在电机座连板上，电机的转轴将电机轴孔与电机同步连板的轴孔以转动副的形式链接，该转动副的轴线垂直于两个连板板面所在的平面，顶丝通过电机同步连板的顶丝孔将电机同步连板与电机轴固定。
第二连接件与第一连接件结构和连接形式完全相同。
第三连接件配重形式上看作四边形一个边的中点，第三连接件配重固定在电机座连板上，配重的轴将电机轴孔与电机同步连板的轴孔以转动副的形式链接，该转动副的轴线垂直于两个连板板面所在的平面。
第四连接件与第三连接件结构和连接形式完全相同。
第五连接件配重形式上看作四边形的一个顶点，第五连接件配重固定在电机座连板上，配重的轴将电机轴孔与电机同步连板的轴孔以转动副的形式链接，该转动副的轴线垂直于四边形的平面。
第六连接件、第八连接件与第五连接件结构和连接形式完全相同。
第七连接件行进驱动电机形式上看作四边形的一个顶点，第七连接件行进驱动电机固定在电机座连板上，电机的转轴将电机轴孔与电机同步连板的轴孔以转动副的形式链接，该转动副的轴线垂直于四边形的平面，顶丝通过电机同步连板的顶丝孔将电机同步连板与电机轴固定。
配重所构成的转动副是多种形式的圆周运动，如转轴、普通直流电机或舵机；配重可替换为驱动电机，作为冗余驱动使用；驱动电机的形式是多样的，如普通直流电机或舵机。
本发明的有益效果：本发明所述的可转向四边形翻滚机构，通过三个或三个以上的电机分别对四边形的一个顶点和四边形的两个边的中点进行驱动和控制实现机构的翻滚运动和转弯功能，可转向四边形翻滚机构既可以实现直行功能，也可以实现转弯功能，并具有一定的避障能力。该机构结构简单，成本低廉，易于制造和工程实现。为中小学生提供了一个对几何形体及移动机构的认识，可用于制作玩具、教学教具，也可用于制作军用探测机器人。
附图说明
图1滚动行进的可转向四边形翻滚机构的整体三维图
图2行进驱动电机的安装图
图3变形驱动电机的安装图
图4a、图4b、图4c、图4d、图4e、图4f是可转向四边形翻滚机构直行步态的分解图：
图4a直行步态的起始位姿
图4b直行步态重心偏移动作
图4c直行步态翻滚落地起始动作
图4d直行步态翻滚落地结束动作
图4e直行步态姿态恢复起始动作
图4f直行步态姿态恢复结束动作
图5a、图5b、图5c、图5d、图5e、图5f是可转向四边形翻滚机构转弯步态的分解图：
图5a转弯步态的起始位姿
图5b转弯步态转弯变形动作
图5c转弯步态翻滚落地起始动作
图5d转弯步态翻滚落地结束动作
图5e转弯步态姿态恢复动作
图5f 转弯步态直行恢复动作
图中：电机座连板1、电机同步连板2、电机座连板3、电机同步连板4、电机座连板5、电机同步连板6、电机座连板7、电机同步连板8、变形驱动电机9、变形驱动电机10、配重11、配重12、配重13、配重14、行进驱动电机15、配重16。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
可转向四边形翻滚机构如图1所示，可转向四边形翻滚机构包括八个连板及它们的连接，八个连板组成一个四边形，当四边形内角均为90°，且正四边形四个角上的转动副轴线相互平行时，机构外形呈正四边形，每个四边形的边均包含一个电机座连板和一个电机同步连板。
本发明的实施方式：
如图1, 电机座连板（1）和电机同步连板（2）构成四边形的一个边，电机座连板（3）和电机同步连板（4）构成四边形的一个边，电机座连板（5）和电机同步连板（6）构成四边形的一个边，电机座连板（7）和电机同步连板（8）构成四边形的一个边，电机同步连板（2）和电机座连板（3）构成转动副作为四边形的一个顶点，电机同步连板（4）和电机座连板（5）构成转动副作为四边形的一个顶点，电机同步连板（6）和电机座连板（7）构成转动副作为四边形的一个顶点，电机同步连板（8）和电机座连板（1）构成转动副作为四边形的一个顶点；
第一连接件变形驱动电机（9）形式上看作四边形一个边的中点，第一连接件变形驱动电机（9）固定在电机座连板（1）上， 电机的转轴将电机轴孔与电机同步连板（2）的轴孔以转动副的形式连接，该转动副的轴线垂直于两个连板板面所在的平面，顶丝通过电机同步连板（2）的顶丝孔将电机同步连板（2）与电机轴固定；
第二连接件变形驱动电机（10）形式上看作四边形一个边的中点，第二连接件变形驱动电机（10）固定在电机座连板（3）上，电机的转轴将电机轴孔与电机同步连板（4）的轴孔以转动副的形式连接，该转动副的轴线垂直于两个连板板面所在的平面，顶丝通过电机同步连板（4）的顶丝孔将电机同步连板（4）与电机轴固定；
第三连接件配重（11）形式上看作四边形一个边的中点，第三连接件配重（11）固定在电机座连板（5）上，配重的轴将电机轴孔与电机同步连板（6）的轴孔以转动副的形式连接，该转动副的轴线垂直于两个连板板面所在的平面；
第四连接件配重（12）形式上看作四边形一个边的中点，第四连接件配重（12）固定在电机座连板（7）上，配重的轴将电机轴孔与电机同步连板（8）的轴孔以转动副的形式连接，该转动副的轴线垂直于两个连板板面所在的平面；
第五连接件配重（13）形式上看作四边形的一个顶点，第五连接件配重（13）固定在电机座连板（3）上，配重的轴将电机轴孔与电机同步连板（2）的轴孔以转动副的形式连接，该转动副的轴线垂直于四边形的平面；
第六连接件配重（14）形式上看作四边形的一个顶点，第六连接件配重（14）固定在电机座连板（5）上，配重的轴将电机轴孔与电机同步连板（4）的轴孔以转动副的形式连接，该转动副的轴线垂直于四边形的平面；
第七连接件行进驱动电机（15）形式上看作四边形的一个顶点，第七连接件行进驱动电机（15）固定在电机座连板（7）上，电机的转轴将电机轴孔与电机同步连板（6）的轴孔以转动副的形式连接，该转动副的轴线垂直于四边形的平面，顶丝通过电机同步连板（6）的顶丝孔将电机同步连板（6）与电机轴固定；
第八连接件配重（16）形式上看作四边形的一个顶点，第八连接件配重（16）固定在电机座连板（1）上，配重的轴将电机轴孔与电机同步连板（8）的轴孔以转动副的形式连接，该转动副的轴线垂直于四边形的平面；
行进驱动电机的安装如附图2所示，行进驱动电机（15）的安装端面与电机座连板（7）的电机座安装端面通过螺钉连接，电机的轴与电机同步连板（6）通过顶丝固定在一起；
变形驱动电机的安装如附图3所示，变形驱动电机（9）的安装端面与电机座连板（1）的电机座安装端面通过螺钉连接，电机的轴与电机同步连板（2）通过顶丝固定在一起；变形驱动电机（10）的连接方式与变形驱动电机（9）相同。
具体的使用方法：
可转向四边形翻滚机构可以实现直行步态。首先滚动行进的可转向四边形翻滚机构处于如附图4a所示的直行步态的起始位姿，机构外形成正四边形；当要直行的时候，以与地面接触的四边形的一个边为支撑面，调整四边形的顶点角度，实现如附图4b所示的直行步态重心偏移动作以及如附图4c所示的直行步态翻滚落地起始动作；当可转向四边形翻滚机构的重心在地面上的投影由于惯性超出平衡位置时，实现如图4d所示的直行步态翻滚落地结束动作；当四边形的另一边落地后，协调四边形的顶点角度，实现如附图4e所示的直行步态姿态恢复起始动作以及如附图4f所示的直行步态姿态恢复结束动作。这样就实现了机器人的一个完整直行步态，图4a、图4b、图4c、图4d、图4e、图4f是可转向四边形翻滚机构直行步态的分解图。
可转向四边形翻滚机构也可以实现转弯步态。首先滚动行进的可转向四边形翻滚机构处于如附图5a所示的转弯步态的起始位姿，机构外形成正四边形；当要转弯的时候，两个变形驱动电机同时工作，协调四平行每条边上两个连板之间的角度，实现如图5b所示的转弯步态转弯变形动作；以与地面接触的四边形的一个边为支撑面，调整四边形的顶点角度，通过可转向四边形翻滚机构的重心在地面上的投影由于惯性而产生的变化，实现如附图5c所示的转弯步态翻滚落地起始动作以及如附图5d所示的转弯步态翻滚落地结束动作；当四边形的一边落地后，两个变形驱动电机同时工作，协调四平行每条边上两个连板之间的角度，实现如图5e所示的转弯步态姿态恢复动作；调整四边形的顶点角度，实现如图5f所示的转弯步态直行起始位姿，此时的滚动行进的可转向四边形翻滚机构的位置与原来的位置已经有一定的角度了，机器人实现一定角度的转弯步态，图5a、图5b、图5c、图5d、图5e、图5f是可转向四边形翻滚机构转弯步态的分解图。
Claims (2)
1.一种可转向四边形翻滚机构，其特征在于：可转向四边形翻滚机构包括八个连板（1、2、3、4、5、6、7、8）及它们的连接，形式上每个连板都有两个轴孔，且对于每个连板，两个轴孔间的轴线垂直距离等长，八个连板组成一个四边形，当四边形内角均为90°，且正四边形四个角上的转动副轴线相互平行时，机构外形呈正四边形，每个四边形的边均包含一个电机座连板和一个电机同步连板，其中第一电机座连板（1）和第一电机同步连板（2）构成四边形的一个边，第二电机座连板（3）和第二电机同步连板（4）构成四边形的一个边，第三电机座连板（5）和第三电机同步连板（6）构成四边形的一个边，第四电机座连板（7）和第四电机同步连板（8）构成四边形的一个边，第一电机同步连板（2）和第二电机座连板（3）构成转动副作为四边形的一个顶点，第二电机同步连板（4）和第三电机座连板（5）构成转动副作为四边形的一个顶点，第三电机同步连板（6）和第四电机座连板（7）构成转动副作为四边形的一个顶点，第四电机同步连板（8）和第一电机座连板（1）构成转动副作为四边形的一个顶点；
第一连接件变形驱动电机（9）形式上看作四边形一个边的中点，第一连接件变形驱动电机（9）固定在第一电机座连板（1）上，电机的转轴将电机轴孔与第一电机同步连板（2）的轴孔以转动副的形式连接，该转动副的轴线垂直于两个连板板面所在的平面，顶丝通过第一电机同步连板（2）的顶丝孔将第一电机同步连板（2）与电机轴固定；
第二连接件变形驱动电机（10）形式上看作四边形一个边的中点，第二连接件变形驱动电机（10）固定在第二电机座连板（3）上，电机的转轴将电机轴孔与第二电机同步连板（4）的轴孔以转动副的形式连接，该转动副的轴线垂直于两个连板板面所在的平面，顶丝通过第二电机同步连板（4）的顶丝孔将第二电机同步连板（4）与电机轴固定；
第三连接件配重（11）形式上看作四边形一个边的中点，第三连接件配重（11）固定在第三电机座连板（5）上，配重的轴将电机轴孔与第三电机同步连板（6）的轴孔以转动副的形式连接，该转动副的轴线垂直于两个连板板面所在的平面；
第四连接件配重（12）形式上看作四边形一个边的中点，第四连接件配重（12）固定在第四电机座连板（7）上，配重的轴将电机轴孔与第四电机同步连板（8）的轴孔以转动副的形式连接，该转动副的轴线垂直于两个连板板面所在的平面；
第五连接件配重（13）形式上看作四边形的一个顶点，第五连接件配重（13）固定在第二电机座连板（3）上，配重的轴将电机轴孔与第一电机同步连板（2）的轴孔以转动副的形式连接，该转动副的轴线垂直于四边形的平面；
第六连接件配重（14）形式上看作四边形的一个顶点，第六连接件配重（14）固定在第三电机座连板（5）上，配重的轴将电机轴孔与第二电机同步连板（4）的轴孔以转动副的形式连接，该转动副的轴线垂直于四边形的平面；
第七连接件行进驱动电机（15）形式上看作四边形的一个顶点，第七连接件行进驱动电机（15）固定在第四电机座连板（7）上，电机的转轴将电机轴孔与第三电机同步连板（6）的轴孔以转动副的形式连接，该转动副的轴线垂直于四边形的平面，顶丝通过第三电机同步连板（6）的顶丝孔将第三电机同步连板（6）与电机轴固定；
第八连接件配重（16）形式上看作四边形的一个顶点，第八连接件配重（16）固定在第一电机座连板（1）上，配重的轴将电机轴孔与第四电机同步连板（8）的轴孔以转动副的形式连接，该转动副的轴线垂直于四边形的平面；
当四边形内角均为90°，且四边形四个角上的转动副轴线相互平行，机构外形呈正四边形时，第一连接件变形驱动电机（9）、第二连接件变形驱动电机（10）和第三连接件配重（11）、第四连接件配重（12）的轴线在同一平面。
2.如权利要求1所述的可转向四边形翻滚机构，其特征在于：配重第三连接件配重（11）、第四连接件配重（12）、第五连接件配重（13）、第六连接件配重（14）、第八连接件配重（16）可替换为驱动电机，作为冗余驱动使用。
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