CN103144691A

CN103144691A - 六自由度滚动机构

Info

Publication number: CN103144691A
Application number: CN2013100874608A
Authority: CN
Inventors: 姚燕安; 田耀斌; 王洁羽
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2013-03-19
Filing date: 2013-03-19
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2033-03-19
Also published as: CN103144691B

Abstract

本发明公开一种六自由度滚动机构，包括第一至第四接头组件（A2、A4、A6、A8）和第一至第四分叉组件（A1、A3、A5、A7）；每个接头组件设有三个连接轴，每个分叉组件均设有三个连接管；第一分叉组件（A1）还设有三个舵机，第二、第三、第四分叉组件（A3、A5、A7）均设有一个舵机；第一接头组件（A2）与第一、第二、第三分叉组件（A1、A3、A5）通过销钉固定；第二接头组件（A4）与第二、第三、第四分叉组件（A3、A5、A7）通过销钉固定；第三接头组件（A6）与第一、第三、第四分叉组件（A1、A5、A7）通过销钉固定；第四接头组件（A8）与第一、第二、第四分叉组件（A1、A2、A7）通过销钉固定，通过上述的连接，该机构由六个舵机控制实现变形与滚动。

Description

六自由度滚动机构

技术领域

本发明涉及一种滚动步行机构，具体涉及一种多面体滚动机构。该装置可用于军事领域中侦查、监视恐怖事件及排雷等。

背景技术

中国专利申请CN2789106Y公开了一种单动力滚动四杆机构。该机构由4根杆组成，并由一个电机驱动。它可以实现平面内的滚动前进。但此设计只是在一个方向运动，不能实现转向，从而无法实现在平面内任意运动。

中国专利申请CN101890714A公开了一种单自由度连杆移动机器人。该机器人能够利用机构的重心位置变化以及运动过程中的不稳定状态，实现机器人的定向移动与转向功能。但其自由度较少，灵活性欠佳。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：是在已有多面体滚动机构基础上，拓展出一种多自由度四面体移动机构，增强变形能力，能够更灵活地实现滚动以及转向功能，提高机构的移动性能。

本发明的技术方案：四面体在几何上由四个面和四个顶点组成，每个顶点上连接三个面，根据几何特征，设计相应的机械结构。其中机构主要包括四个相同接头组件和四个分叉组件。四个分叉组件上，有一分叉组件上有三个舵机，其余分叉组件上各有一个舵机，；接头组件为球副。该机构具有6个自由度，可分别由6个舵机控制。

本发明的有益效果：由于机构自由度为6，其变形能力强，灵活度高，可方便控制机构实现滚动。此外，定点组件和支链便于模块化设计。本发明可用于特种变形机器人的设计，利用机构的外形变化，实现复杂地面上的滚动。进一步地可设计制造特殊的地面侦查机器人。

附图说明

图1 6自由度四面体机构三维图

图2 第一分叉组件（A1）剖视图

图3 第一分叉组件（A1）剖视局部图

图4 电机连接块三维图

图5 第一分叉组件（A1）三维图

图6 第二分叉组件（A3）剖视图

图7 第二分叉组件（A3）剖视局部图

图8 第二分叉组件（A3）三维图

图9 第一顶点组件（A2）三维图

图10 六自由度滚动机构运功过程图

具体实施方案

如图1所示，6自由度滚动机构主要包括第一至第四接头组件（A2、A4、A6、A8）和第一至第四分叉组件（A1、A3、A5、A7）；所述的第一接头组件（A2）上通过弹性件固定有三个连接轴（30、32、34）；第二、三接头组件（A4、A6）尺寸与结构与（A2）相同；所述的第一分叉组件（A1）设有连接管（4、8、13），三个舵机（1、10、14）；所述的第二分叉组件（A3）设有连接管（18、22、27）.一个舵机（15）。

第三、第四分叉组件（A5、A7）结构与尺寸与第二分叉组件（A3）相同。

第一接头组件（A2）上的三个连接轴分别和第一分叉组件（A1）上的连接管（4）、第二分叉组件（A3）上的连接管（18）、第三分叉组件（A5）上的连接管（18）通过销钉固定。

第二接头组件（A4）上的三个连接轴分别和第二分叉组件（A3）上的连接管（22）、第三分叉组件（A5）上的连接管（22）、第四分叉组件（A7）上的连接管（18）通过销钉固定。

第三接头组件（A6）上的三个连接轴分别和第一分叉组件（A1）上的连接管（8）、第三分叉组件（A5）上的连接管（27）、第四分叉组件（A7）上的连接管（22）通过销钉固定。

第四接头组件（A8）上的三个连接轴分别和第一分叉组件（A1）上的连接管（13）、第二分叉组件（A3）上的连接管（27）、第四分叉组件（A7）上的连接管（27）通过销钉固定。

如图2所示，所述的第一分叉组件（A1），包括三个舵机（1、10、14）、三个U件（2、6、11）、三个法兰（3、7、12）、三个连接管（4、8、13）、顶点支撑盘（9）、电机连接块（5）。

如图4所示，所述的电机连接块（5）为三叉形状，三叉的端部为“［”形，“［”形侧面开有两组螺纹孔（5a）用于和舵机上对应的两组孔固定。

如图2所示第一分叉组件（A1），所述的电机连接块（5）的三个“［”形端部分别和三个舵机（1、10、14）的一端通过螺钉连接在一起；所述的电机连接块（5）的中部开有螺纹孔（5b），通过螺钉和顶点支撑盘（9）固定。

如图3所示，U形件（2）的开口端和舵机（1）的舵盘通过螺钉固定连接，U形件（2）的封闭端通过螺钉固定连接法兰（3），法兰（3）通过螺纹固定连接连接管（4）侧面的通孔，U形件（6）和法兰（7）、舵机（10）、连接管（8）之间的连接关系与上述的连接关系相同；U形件（11）、舵机（14）、法兰（12）、连接管（13）之间的连接关系也与上述的连接关系相同。

如图6所示，所述第二分叉组件（A3），所述的电机连接块（19）的三个“［”形端部分别和一个舵机（15）和两个配重块（24、28）的一端通过螺钉连接在一起。

如图7所示，U形件（20、25）的开口端分别和配重（24、28）的通孔通过转销活动连接，其余部件与第一分叉组件（A1）的连接方式相同。

所述的第三、第四分叉组件（A5、A7）的连接方式与尺寸与第二分叉组件（A3）完全相同。

如图9所示，所述的第一接头组件（A2）上，通过弹性件（29、31、33）柔性连接球（34）和连接轴（30、32、34），使其形成球副连接，连接轴与连接管一侧的通孔固定连接，第二、三、四接头组件（A4、A6、A8）与第一接头组件（A1）完全相同。

本发明具有6个自由度，通过舵机转动的角度实现整个机构的变形与滚动。为了便于描述机构的运动过程，用如图10所示的简化模型展示该机构的运动。如图10所示，将第一至第四分叉组件的中心分别用点（P1、P3、P5、P7）表示，第一至第四顶点组件中心分别用点（P2、P4、P6、P8）表示。P1上的三个电机分别驱动P1、P2之间的杆，P1、P8之间的杆，P1、P6之间的杆；P3上的一个电机驱动P3、P4之间的杆；P5上的一个电机驱动P4、P5之间的杆；P7上的一个电机驱动P4、P7之间的杆。

如图10（a）所示，机构的六个电机处于初始状态，此时为一四面体，点（P1、P2、P6、P8）支撑在地面上。

如图10（b）所示，P3、P5、P7上的电机转动带动相应的杆转过一定角度，使得机构重心下降，点（P3、P4、P5、P7）均向下偏移。

如图10（c）所示，P7上的电机转动，使得动点P7继续下降，落在地面上，机构重心移动至左侧。

如图10（d）所示，P1上的电机控制点P2抬起，机构重心上升。

如图10（e）所示，机构处于正方体状态。

如图10（f）所示，控制点P4向左下方落下，机构重心下降并向左偏移。

经过上述状态反复进行，使机构滚动前行。

Claims

1.六自由度滚动机构，其特征在于，由第一至第四接头组件（A2、A4、A6、A8）和第一至第四分叉组件（A1、A3、A5、A7）组成；

所述的第一接头组件（A2）上通过弹性件安装有三个连接轴（30、32、34）；

第二、三、四接头组件（A4、A6、A8）的尺寸与结构与第一接头组件（A2）相同；

所述的第一分叉组件（A1）设有三个连接管（4、8、13）；

所述的第二分叉组件（A3）设有三个连接管（18、22、27）；

第三、第四分叉组件（A5、A7）结构与尺寸与第二分叉组件（A3）相同；

其连接关系如下：

第一接头组件（A2）上的三个连接轴分别和第一分叉组件（A1）上的连接管（4）、第二分叉组件（A3）上的连接管（18）、第三分叉组件（A5）上的连接管（18）通过销钉固定；

第二接头组件（A4）上的三个连接轴分别和第二分叉组件（A3）上的连接管（22）、第三分叉组件（A5）上的连接管（22）、第四分叉组件（A7）上的连接管（18）通过销钉固定；

第三接头组件（A6）上的三个连接轴分别和第一分叉组件（A1）上的连接管（8）、第三分叉组件（A5）上的连接管（27）、第四分叉组件（A7）上的连接管（22）通过销钉固定；

第四接头组件（A8）上的三个连接轴分别和第一分叉组件（A1）上的连接管（13）、第二分叉组件（A3）上的连接管（27）、第四分叉组件（A7）上的连接管（27）通过销钉固定；

通过上述连接，完成六自由度滚动四面体机构组装。

2.根据权利要求1所述的六自由度滚动机构，其特征在于：第一分叉组件（A1）包括三个舵机（1、10、14）、三个U件（2、6、11）、三个法兰（3、7、12）、三个连接管（4、8、13）、顶点支撑盘（9）、电机连接块（5）；

所述的电机连接块（5）为三叉形状，三叉的端部为“［”形，“［”形侧面开有两组螺纹孔（5a）用于和舵机上对应的两组孔固定；

所述的电机连接块（5）的三个“［”形端部分别和三个舵机（1、10、14）的一端通过螺钉连接在一起；

所述的电机连接块（5）的中部开有螺纹孔（5b），通过螺钉和顶点支撑盘（9）固定；

所述的U形件（2）的开口端和舵机（1）的舵盘通过螺钉固定连接，U形件（2）的封闭端通过螺钉固定连接法兰（3），法兰（3）通过螺纹固定连接连接管（4）,U形件（6）和法兰（7）、舵机（10）、连接管（8）之间的连接关系与上述的连接关系相同；U形件（11）、舵机（14）、法兰（12）、连接管（13）之间的连接关系也与上述的连接关系相同；

通过上述的连接，第一分叉组件（A1）上的三个舵机（1、10、14）可分别驱动三个连接管（4、8、13）绕舵机轴转动。

3.根据权利要求1所述的六自由度滚动机构，特征在于：第二分叉组件（A3）包括一个舵机（15）、两个配重（24、28）、三个U件（16、20、25）、三个法兰（17、21、26）、三个连接管（18、22、27）、顶点支撑盘（23）、电机连接块（19）；

所述的电机连接块（19）的三个“［”形端部分别和一个舵机（15）和两个配重块（24、28）的一端通过螺钉连接在一起；

所述的电机连接块（19）的中部开有螺纹孔，通过螺钉和顶点支撑盘（23）固定；

所述的U形件（20）的开口端和配重（24）的通孔通过转销活动连接，U形件（20）的封闭端通过螺钉固定连接法兰（21），法兰（21）通过螺纹固定连接连接管（22）；U形件（25）和法兰（26）、配重（28）、连接管（27）之间的连接关系与上述的连接关系相同，所述的U形件（16）的开口端和舵机（15）的舵盘通过螺钉固定连接，U形件（16）的封闭端通过螺钉固定连接法兰（17），法兰（17）通过螺纹固定连接连接管（18）；通过上述的连接，第二分叉组件（A3）上的舵机（15）驱动连接管（18）绕舵机轴转动。

所述的第三和第四分叉组件（A5、A7）的连接方式和尺寸与第二分叉组件（A3）完全相同。

4.根据权利要求1所述的六自由度滚动机构，特征在于：所述的每个接头组件包括一个连接球，三个弹性件，三个连接轴，所述的三个连接轴分别通过弹性件组装在连接球上。