CN103287521A - 双螺旋槽道凸轮驱动式轮桨腿一体化车轮机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双螺旋槽道凸轮驱动式轮桨腿一体化车轮机构，该机构中，第一驱动轴与双螺旋槽道凸轮固定连接，双螺旋槽道凸轮安装在双螺旋槽道凸轮轴支撑架上，双螺旋槽道凸轮轴支撑架与第二驱动轴固定连接，轮缘上固定连接第三驱动轴，桨中心轴与桨叶连接套固定连接，四个桨叶铰接在桨叶连接套上，四个铰块铰接在轮缘上，一个桨叶与一个铰块形成一滑动副；本发明可形成轮桨腿一体化车轮机构的类轮式、类腿式、轮腿组合式、桨转动式、桨摆动式等运动步态，克服了现有移动越障机器人车辆在非结构化地形和两栖环境中适应能力较差的缺陷，有效提高了移动机器人车辆的地形适应性。

Description

双螺旋槽道凸轮驱动式轮桨腿一体化车轮机构

技术领域

本发明涉及一种适用于非结构化地形和水陆两栖等复杂地形环境的多用途的轮桨腿一体化车轮机构。

背景技术

车轮是轮式机器人的移动载体，但传统的轮式或履带式移动机器人无法适用于水中或软结构地形；传统的水下机器人则通常采用螺旋桨在水下驱动，不能应用于硬路面非结构化地形。因此，目前单一移动载体的结构特征严重制约了其在复杂地形的应用。为保证移动机器人能够适用于软、硬非结构化地形和水陆两栖环境，所采用的轮式移动机器人移动载体必须具有多种运动轨迹特征，以适应复杂的非结构化地形环境。

发明内容

本发明的目的主要是为提高轮式移动机器人的越障性与地形适应性，进而提高其移动效率。在不同地形环境下，所提出的轮桨腿一体化车轮机构可以通过轮、桨、腿的有效切换，获得适应地形要求的步态，满足复杂地形条件下移动机器人的作业任务。 

本发明所采用的技术方案如下：一种双螺旋槽道凸轮驱动式轮桨腿一体化车轮机构，它包括：第一桨叶、第一铰块、第二桨叶、第二铰块、第三桨叶、第三铰块、第二驱动轴、第三驱动轴、桨中心轴、第四铰块、第四桨叶、桨叶连接套、双螺旋槽道凸轮、双螺旋槽道凸轮轴支撑架、轮缘、第一驱动轴。第一驱动轴与双螺旋槽道凸轮固定连接，双螺旋槽道凸轮安装在双螺旋槽道凸轮轴支撑架上，双螺旋槽道凸轮轴支撑架与第二驱动轴固定连接，轮缘上固定连接第三驱动轴，桨中心轴与桨叶连接套固定连接，第一桨叶、第二桨叶、第三桨叶和第四桨叶均铰接在桨叶连接套上，第一铰块、第二铰块、第三铰块和第四铰块均铰接在轮缘上，第一桨叶与第一铰块形成滑动副，第二桨叶与第二铰块形成滑动副，第三桨叶与第三铰块形成滑动副，第四桨叶与第四铰块形成滑动副。

进一步地：所述轮缘包括：其上均匀分布了第一轮槽、第二轮槽、第三轮槽和第四轮槽，第一铰块铰接在第一轮槽上，第二铰块铰接在第二轮槽上，第三铰块铰接在第三轮槽上，第四铰块铰接在第四轮槽上。

进一步地：所述桨叶连接套包括：其上均匀分布了第一连接铰槽、第二连接铰槽、第三连接铰槽和第四连接铰槽，第一桨叶铰接在第一连接铰槽上，第二桨叶铰接在第二连接铰槽上，第三桨叶铰接在第三连接铰槽上，第四桨叶铰接在第四连接铰槽上。

进一步地：双螺旋槽道凸轮具有双螺旋槽道凸轮右螺旋槽道和双螺旋槽道凸轮左螺旋槽道，桨中心轴置于双螺旋槽道凸轮右螺旋槽道或双螺旋槽道凸轮左螺旋槽道中。

本发明相对于现有技术具有以下技术效果：轮桨腿一体化车轮机构可以进行类轮式的滚动运动，以提高移动机器人的传动效率；轮与桨的组合应用可以提高移动机器人的越障能力及对复杂地形的适应能力；双螺旋槽道凸轮驱动机构可以充分利用车轮内部空间，实现类轮式、类腿式、轮腿组合式、桨转动式、桨摆动式等复合运动的传递与转化，使其控制系统得到了简化。

附图说明

图1为本发明原理图；

图2为本发明结构示意图；

图3为轮桨腿一体化车轮机构类轮式滚动运动示意图；

图4为轮桨腿一体化车轮机构类腿式行走运动示意图；

图5为轮桨腿一体化车轮机构轮腿混合式运动示意图；

图6为轮桨腿一体化车轮机构桨转动式运动示意图；

图7为轮桨腿一体化车轮机构桨摆动式运动示意图；

图中，第一桨叶1、第一铰块2、第一轮槽3、第一连接铰槽4、第二连接铰槽5、第二桨叶6、第二铰块7、第二轮槽8、第三连接铰槽9、第三桨叶10、双螺旋槽道凸轮右螺旋槽道11、第三铰块12、第三轮槽13、双螺旋槽道凸轮左螺旋槽道14、第二驱动轴15、第三驱动轴16、桨中心轴17、第四连接铰槽18、第四铰块19、第四桨叶20、第四轮槽21、桨叶连接套22、双螺旋槽道凸轮23、双螺旋槽道凸轮轴支撑架24、轮缘25、第一驱动轴26。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、图2所示，本发明双螺旋槽道凸轮驱动式轮桨腿一体化车轮机构包括第一桨叶1、第一铰块2、第二桨叶6、第二铰块7、第三桨叶10、第三铰块12、第二驱动轴15、第三驱动轴16、桨中心轴17、第四铰块19、第四桨叶20、桨叶连接套22、双螺旋槽道凸轮23、双螺旋槽道凸轮轴支撑架24、轮缘25、第一驱动轴26。

第一驱动轴26与双螺旋槽道凸轮23固定连接，双螺旋槽道凸轮23安装在双螺旋槽道凸轮轴支撑架24上，双螺旋槽道凸轮轴支撑架24与第二驱动轴15固定连接，轮缘25上固定连接第三驱动轴16，桨中心轴17与桨叶连接套22固定连接，第一桨叶1、第二桨叶6、第三桨叶10和第四桨叶20均铰接在桨叶连接套22上，第一铰块2、第二铰块7、第三铰块12和第四铰块19均铰接在轮缘25上，第一桨叶1与第一铰块2形成滑动副，第二桨叶6与第二铰块7形成滑动副，第三桨叶10与第三铰块12形成滑动副，第四桨叶20与第四铰块19形成滑动副。

轮缘25上均匀分布了第一轮槽3、第二轮槽8、第三轮槽13和第四轮槽21，第一铰块2铰接在第一轮槽3上，第二铰块7铰接在第二轮槽8上，第三铰块12铰接在第三轮槽13上，第四铰块铰接在第四轮槽21上。

桨叶连接套22上均匀分布了第一连接铰槽4、第二连接铰槽5、第三连接铰槽9和第四连接铰槽18，第一桨叶1铰接在第一连接铰槽4上，第二桨叶6铰接在第二连接铰槽5上，第三桨叶10铰接在第三连接铰槽9上，第四桨叶20铰接在第四连接铰槽18上。

双螺旋槽道凸轮23具有双螺旋槽道凸轮右螺旋槽道11和双螺旋槽道凸轮左螺旋槽道14，桨中心轴17置于双螺旋槽道凸轮右螺旋槽道11或双螺旋槽道凸轮左螺旋槽道14中。

当第一驱动轴26驱动时，双螺旋槽道凸轮上的双螺旋槽道凸轮右螺旋槽道11和双螺旋槽道凸轮左螺旋槽道14起始与终了位置相同，可实现双螺旋槽道凸轮转向不变，而桨中心轴17（从动件）往复移动，双螺旋槽道凸轮23驱动桨中心轴17在槽道内平移，带动桨叶连接套22移动，桨叶连接套22的运动分别带动第一桨叶1在在第一铰块2，第二桨叶6在第二铰块7，第三桨叶10在第三铰块12，第四桨叶20在第四铰块19内移动，实现桨叶的移动。

当第二驱动轴15驱动时，双螺旋槽道凸轮轴支撑架24旋转。由于桨中心轴17与双螺旋槽道凸轮轴支撑架24的轴心存在偏心，当双螺旋槽道凸轮轴支撑架24旋转至某一时刻，第一桨叶1、第二桨叶6、第三桨叶10和第四桨叶20分别在第一铰块2、第二铰块7、第三铰块12和第四铰块19随桨中心轴17的运动而变换姿态。对第二驱动轴15通过控制按一定速度摆动，即可实现双螺旋槽道凸轮轴支撑架24带动第一桨叶1、第二桨叶6、第三桨叶10和第四桨叶20摆动，可以实现桨叶摆动运动。

双螺旋槽道凸轮驱动式轮桨腿一体化车轮机构轮体的转动则由安装于车轮内部的电机单独驱动其第三驱动轴16实现。

轮桨腿一体化车轮机构类轮式滚动运动原理如图3所示。驱动第一驱动轴26，实现双螺旋槽道凸轮23带动桨叶连接套22平移，桨叶连接套22运动至虚线所示位置，即第二桨叶6运动至轮缘25的最高位置，第四桨叶20运动至轮缘25内部，使桨叶不与地面产生相互干涉。在这个步态中，移动机器人可以实现很高的传动效率。

轮腿一体化车轮机构类腿式行走运动原理如图4所示。当移动机器人需要越过障碍物时，第一桨叶1、第二桨叶6、第三桨叶10和第四桨叶20的运动轨迹曲线可以根据不同的环境存在的障碍进行有效调节。驱动驱动轴26，实现双螺旋槽道凸轮23带动桨叶连接套22平移，桨叶连接套22运动至虚线所示位置，当桨叶连接套22运动至轮缘25底端，第二桨叶6处于轮缘25内部，第四桨叶20运动至轮缘25的最低位置，轮缘25继续转动，此时即依靠轮腿一体化车轮机构类腿式运动行走。在这种运动姿态中，移动机器人可以通过反复变换第一桨叶1、第二桨叶6、第三桨叶10和第四桨叶20的位置，使桨叶始终接触地面，起到腿的作用，通过使用这个腿步态，移动机器人可以获得很大的越障能力。

轮腿一体化车轮机构轮腿混合式运动原理如图5所示。当在非结构化地形中移动时，，通过驱动第一驱动轴26和第二驱动轴15进行混合运动，双螺旋槽道凸轮23带动桨叶连接套22运动至如图5所示位置，第一桨叶1、第二桨叶6、第三桨叶10和第四桨叶20根据地形不同进行定位，获得最优运动姿态，桨叶20伸入至复杂地形中，为移动机器人提供足够的附着力，而类轮式车轮机构由于轮壳与在地面容易产生相对滑动不能提供足够的摩擦力，腿式行走机构由于有限的接触面积而不能提供足够的支撑，因此轮腿一体化车轮机构轮腿混合式运动可以提高其任务执行成功率。

轮桨腿一体化车轮机构桨转动式运动与桨摆动式运动原理如图6，7所示。在图6中，第一桨叶1、第二桨叶6、第三桨叶10和第四桨叶20与轮缘25旋转中心偏移一定距离，驱动驱动轴26绕着其轴线旋转，轮缘25即可以驱动第一桨叶1、第二桨叶6、第三桨叶10和第四桨叶20转动，推动水产生推力，驱动移动机器人在水中游动。在图7中，第一桨叶1、第二桨叶6、第三桨叶10和第四桨叶20与轮缘25旋转中心偏移一定距离，使驱动轴16摆动运动，进而实现第一桨叶1、第二桨叶6、第三桨叶10和第四桨叶20摆动，推动水产生推力，可以驱动移动机器人在水中的游动。轮桨腿一体化车轮机构桨转动式运动与桨摆动式运动实现了移动机器人在水中的运动，扩大了移动机器人的使用范围。

Claims (4)

1.一种双螺旋槽道凸轮驱动式轮桨腿一体化车轮机构，其特征在于，它包括：第一桨叶（1）、第一铰块（2）、第二桨叶（6）、第二铰块（7）、第三桨叶（10）、第三铰块（12）、第二驱动轴（15）、第三驱动轴（16）、桨中心轴（17）、第四铰块（19）、第四桨叶（20）、桨叶连接套（22）、双螺旋槽道凸轮（23）、双螺旋槽道凸轮轴支撑架（24）、轮缘（25）和第一驱动轴（26）；其中，所述第一驱动轴（26）与双螺旋槽道凸轮（23）固定连接，双螺旋槽道凸轮（23）安装在双螺旋槽道凸轮轴支撑架（24）上，双螺旋槽道凸轮轴支撑架（24）与第二驱动轴（15）固定连接，轮缘（25）上固定连接第三驱动轴（16），桨中心轴（17）与桨叶连接套（22）固定连接，第一桨叶（1）、第二桨叶（6）、第三桨叶（10）和第四桨叶（20）均铰接在桨叶连接套（22）上，第一铰块（2）、第二铰块（7）、第三铰块（12）和第四铰块（19）均铰接在轮缘（25）上，第一桨叶（1）与第一铰块（2）形成滑动副，第二桨叶（6）与第二铰块（7）形成滑动副，第三桨叶（10）与第三铰块（12）形成滑动副，第四桨叶（20）与第四铰块（19）形成滑动副。

2.根据权利要求1所述双螺旋槽道凸轮驱动式轮桨腿一体化车轮机构，其特征在于，所述轮缘（25）均匀分布了第一轮槽（3）、第二轮槽（8）、第三轮槽（13）和第四轮槽（21）；所述第一铰块（2）铰接在第一轮槽（3）上，第二铰块（7）铰接在第二轮槽（8）上，第三铰块（12）铰接在第三轮槽（13）上，第四铰块铰接在第四轮槽（21）上。

3.根据权利要求1所述双螺旋槽道凸轮驱动式轮桨腿一体化车轮机构，其特征在于，所述桨叶连接套（22）上均匀分布了第一连接铰槽（4）、第二连接铰槽（5）、第三连接铰槽（9）和第四连接铰槽（18）；所述第一桨叶（1）铰接在第一连接铰槽（4）上，第二桨叶（6）铰接在第二连接铰槽（5）上，第三桨叶（10）铰接在第三连接铰槽（9）上，第四桨叶（20）铰接在第四连接铰槽（18）上。

4.根据权利要求1所述双螺旋槽道凸轮驱动式轮桨腿一体化车轮机构，其特征在于，所述双螺旋槽道凸轮（23）具有双螺旋槽道凸轮右螺旋槽道（11）和双螺旋槽道凸轮左螺旋槽道（14），桨中心轴（17）置于双螺旋槽道凸轮右螺旋槽道（11）或双螺旋槽道凸轮左螺旋槽道（14）中。

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