CN103407506B - 可折叠多面体滚动机构 - Google Patents
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Abstract
可折叠多面体滚动机构，包括两个伸缩顶点（A）、三个折叠杆组（B）以及连接它们的六个顶点连接轴（9）、三个电机（10）和三个配重（11），其中每个伸缩顶点（A）通过电动推杆（8）将推杆同步连杆（6）和推杆座连杆（7）连接组成，折叠杆组（B）由两个四边形杆组（B-1）和连接它们的球副铰链（B-2）组成。两个伸缩顶点（A）分别置于机构的上下两端，三个折叠杆组（B）互为120度均匀分布。通过两个伸缩顶点（A）上的电动推杆（8）实现机构的折叠和展开动作，机构展开后的移动功能依靠三个电机（10）控制三个折叠杆组的变形来实现。<!--1-->
Description
技术领域
本发明涉及一种滚动机构，具体涉及一种具有折叠功能的多面体滚动机构。
背景技术
滚动机构是指通过改变自身质心位置，从而产生连续翻倒动作的移动机构。例如球型机器人通过调整球壳内部重物块的位置实现滚动功能的控制；模块化机器人通过改变各关节的转动角度实现质心位置的变化从而进行滚动。中国专利CN101973319A提出了一种滚动六面体步行机构，该机构采用闭链结构用以增加机器人刚度和提高负载能力，结构和控制简单，机构在惯性作用下能够实现平面内的移动和转向。中国专利CN102145719A提出了一种滚动机器人，该滚动机器人利用惯性，能够实现平面内任意方向滚动。
发明内容
本发明要解决的技术问题：滚动型机器人（如球形或轮式机器人）在滚动过程中一般外形不发生变化，对地面环境及周围空间环境的适应能力差。
本发明的技术方案：可折叠多面体滚动机构包括两个伸缩顶点、三个折叠杆组以及连接它们的六个顶点连接轴、三个电机和三个配重。
其中，伸缩顶点通过电动推杆将推杆同步连杆和推杆座连杆相连接所组成。电动推杆的一端与推杆同步连杆的螺纹孔相配合进行固定连接，电动推杆的另一端与推杆座连杆的螺纹孔相配合进行固定连接，推杆同步连杆上L型连接端的长边方向与推杆座连杆上L型连接端的长边方向相对。
折叠杆组通过球副铰链将两个四边形杆组相连接所组成。
四边形杆组包括顶点连杆、折叠连杆、三角形连杆、电机轴连杆和四个杆组连接轴，顶点连杆、折叠连杆、三角形连杆和电机轴连杆构成一个平行四边形，四个连杆分别作为平行四边形的四个边，第一个杆组连接轴穿过顶点连杆中间的轴孔和折叠连杆一端的轴孔，第二个杆组连接轴穿过折叠连杆另一端的轴孔和三角形连杆直线型连接端的轴孔，第三个杆组连接轴穿过三角形连杆中间的轴孔和电机轴连杆长边连接端的轴孔，第四个杆组连接轴穿过电机轴连杆中间的轴孔和顶点连杆长边连接端的轴孔，四个杆组连接轴用卡簧进行轴向固定。
球副铰链具有两个连接端，两个连接端间用球副的形式进行连接，球副铰链的一个连接端与第一个四边形杆组中三角形连杆三角形连接端用螺钉进行固定连接，球副铰链的另一个连接端与第二个四边形杆组中三角形连杆三角形连接端用螺钉进行固定连接。
可折叠多面体滚动机构中，三个折叠杆组通过连接件将两个伸缩顶点连接在一起，三个折叠杆组之间相互成120度分别与两个伸缩顶点进行连接。
第一个折叠杆组中，第一个顶点连接轴穿过第一个四边形杆组中顶点连杆短边连接端的轴孔，和第一个伸缩顶点中推杆同步连杆L型连接端的长边轴孔，并用卡簧进行轴向固定，形成一个转动副连接，
电机通过螺钉固定在第一个伸缩顶点中推杆座连杆L型连接端的长边电机安装孔上，电机的电机轴穿过第二个伸缩顶点中推杆座连杆L型连接端的长边轴孔，和第一个四边形杆组中电机轴连杆短边连接端的轴孔，并用顶丝通过顶丝孔与电机轴连杆固定连接，形成一个转动副连接，
第二个顶点连接轴穿过第二个四边形杆组中顶点连杆短边连接端的轴孔，和第二个伸缩顶点中推杆同步连杆L型连接端的长边轴孔，并用卡簧进行轴向固定，形成一个转动副连接，
配重通过螺钉固定在第二个伸缩顶点中推杆座连杆L型连接端的长边电机安装孔上，配重的轴穿过第二个伸缩顶点中推杆座连杆L型连接端的长边轴孔，和第二个四边形杆组中电机轴连杆短边连接端的轴孔，并用卡簧进行轴向固定，形成一个转动副连接，
配重的质量与电机的质量相同。
第二个折叠杆组、第三个折叠杆组与两个伸缩顶点的连接方式，和第一个折叠杆组与两个伸缩顶点的连接方式相同。
本发明的有益效果：本发明所述的可折叠多面体滚动机构具有滚动功能的同时，还具有折叠功能。通过两个电动推杆的伸长和缩短，控制机构折叠功能的折叠与展开动作；当机构展开后，通过三个电机控制机构的变形，实现其滚动步态和转向控制，同时还具一定的越障能力。该机构具有较大的缩放比，可用于运载空间有限的星球探测机器人，以及需要隐蔽功能的军用侦查机器人。
附图说明
图1可折叠多面体滚动机构的整体视图
图2折叠杆组的整体视图
图3四边形杆组的整体视图
图4伸缩顶点的整体视图
图5折叠杆组与伸缩顶点的连接示意图
图6顶点连杆的整体视图
图7折叠连杆的整体视图
图8三角形连杆的整体视图
图9电机轴连杆的整体视图
图10推杆同步连杆的整体视图
图11推杆座连杆的整体视图
图12球副铰链的整体视图
图13(a)、图13(b)、图13(c)是可折叠多面体滚动机构自折叠状态展开的动作分解图：
图13(a)机构的折叠状态
图13(b)机构的展开过程
图13(c)机构的展开状态
图14(a)、图14(b)、图14(c)、图14(d)、图14(e)、图14(f)是可折叠多面体滚动机构翻滚运动的分解图：
图14(a)机构的展开状态
图14(b)翻滚运动的初始状态
图14(c)杆组着地支撑动作
图14(d)机构的变形动作
图14(e)机构的翻滚动作
图14(f)翻滚运动的复位状态
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明的实施方式：
可折叠多面体滚动机构，如图1所示，包括两个伸缩顶点（A）、三个折叠杆组（B）以及连接它们的六个顶点连接轴（9）、三个电机（10）和三个配重（11）；
其中，如图4所示的伸缩顶点（A）通过电动推杆（8）将推杆同步连杆（6）和推杆座连杆（7）相连接所组成，
所述的电动推杆（8）的一端与推杆同步连杆（6）的螺纹孔相配合进行固定连接，电动推杆（8）的另一端与推杆座连杆（7）的螺纹孔相配合进行固定连接，推杆同步连杆（6）上L型连接端的长边方向与推杆座连杆（7）上L型连接端的长边方向相对；
如图2所示，折叠杆组（B）通过球副铰链（B-2）将两个四边形杆组（B-1）相连接所组成，
如图3所示，所述的四边形杆组（B-1）包括顶点连杆（1）、折叠连杆（2）、三角形连杆（3）、电机轴连杆（4）和四个杆组连接轴（5），顶点连杆（1）、折叠连杆（2）、三角形连杆（3）和电机轴连杆（4）构成一个平行四边形，四个连杆分别作为平行四边形的四个边，第一个杆组连接轴（5）穿过顶点连杆（1）中间的轴孔和折叠连杆（2）一端的轴孔，第二个杆组连接轴（5）穿过折叠连杆（2）另一端的轴孔和三角形连杆（3）直线型连接端的轴孔，第三个杆组连接轴（5）穿过三角形连杆（3）中间的轴孔和电机轴连杆（4）长边连接端的轴孔，第四个杆组连接轴（5）穿过电机轴连杆（4）中间的轴孔和顶点连杆（1）长边连接端的轴孔，四个杆组连接轴（5）用卡簧进行轴向固定，
如图12所示，所述的球副铰链（B-2）具有两个连接端，两个连接端间用球副的形式进行连接，
球副铰链（B-2）的一个连接端与第一个四边形杆组（B-1）中三角形连杆（3）三角形连接端用螺钉进行固定连接，球副铰链（B-2）的另一个连接端与第二个四边形杆组（B-1）中三角形连杆（3）三角形连接端用螺钉进行固定连接；
可折叠多面体滚动机构中，三个折叠杆组（B）通过连接件将两个伸缩顶点（A）连接在一起，三个折叠杆组（B）之间相互成120度分别与两个伸缩顶点（A）进行连接，
如图5所示，第一个折叠杆组（B）中，第一个顶点连接轴（9）穿过第一个四边形杆组（B-1）中顶点连杆（1）短边连接端的轴孔，和第一个伸缩顶点（A）中推杆同步连杆（6）L型连接端的长边轴孔，并用卡簧进行轴向固定，形成一个转动副连接，
电机（10）通过螺钉固定在第一个伸缩顶点（A）中推杆座连杆（7）L型连接端的长边电机安装孔上，电机（10）的电机轴穿过第二个伸缩顶点（A）中推杆座连杆（7）L型连接端的长边轴孔，和第一个四边形杆组（B-1）中电机轴连杆（4）短边连接端的轴孔，并用顶丝通过顶丝孔与电机轴连杆（4）固定连接，形成一个转动副连接，
第二个顶点连接轴（9）穿过第二个四边形杆组（B-1）中顶点连杆（1）短边连接端的轴孔，和第二个伸缩顶点（A）中推杆同步连杆（6）L型连接端的长边轴孔，并用卡簧进行轴向固定，形成一个转动副连接，
配重（11）通过螺钉固定在第二个伸缩顶点（A）中推杆座连杆（7）L型连接端的长边电机安装孔上，配重（11）的轴穿过第二个伸缩顶点（A）中推杆座连杆（7）L型连接端的长边轴孔，和第二个四边形杆组（B-1）中电机轴连杆（4）短边连接端的轴孔，并用卡簧进行轴向固定，形成一个转动副连接，
配重（11）的质量与电机（10）的质量相同，
第二个折叠杆组（B）、第三个折叠杆组（B）与两个伸缩顶点（A）的连接方式，和第一个折叠杆组（B）与两个伸缩顶点（A）的连接方式相同。
推杆同步连杆（6）上有三个具有轴孔的L型连接端，三个L型连接端的短边与中心有螺纹孔的正三角形连接板相连，三个L型连接端的长边向同一方向弯曲且方向垂直于正三角形所在平面，三个L型连接端相互成120度。
推杆座连杆（7）上有三个具有电机安装孔和轴孔的L型连接端，三个L型连接端的短边与中心有螺纹孔的正三角形连接板相连，三个L型连接端的长边向同一方向弯曲且方向垂直于正三角形所在平面，三个L型连接端相互成120度。
顶点连杆（1）为一个L型杆件，短边和长边一端各有一个轴孔，两端轴孔间有一个中间轴孔。
三角形连杆（3）分为直线型连接端和三角形连接端，两个连接端各有一个轴孔，两端轴孔间有一个中间轴孔。
电机轴连杆（4）为一个L型杆件，短边和长边一端各有一个轴孔，两端轴孔间有一个中间轴孔。
具体的使用方法：
可折叠多面体滚动机构可以实现机构从折叠状态进行的展开动作。首先可折叠多面体滚动机构处于如图13(a)所示的机构的折叠状态，通过驱动两个电动推杆，实现如图13(b)所示的机构的展开过程，当电机转轴与对应的顶点连接轴的轴线相重合时，达到如图13(c)所示的机构的展开状态。如此实现了机构的展开动作，相反方向驱动电动推杆则可以实现机构的折叠动作。
可折叠多面体滚动机构可以实现翻滚运动。首先可折叠多面体滚动机构处于如图14(a)所示的机构的展开状态；同时驱动三个电机，实现如图14(b)所示的翻滚运动的初始状态；同时驱动滚动方向一侧的两个电机，实现如图14(c)所示的杆组着地支撑动作；驱动第三个电机，实现如图14(d)所示的机构的变形动作；随着机构质心的改变，通过变形时所具有的速度和加速度，达到实现如图14(e)所示的机构的翻滚动作；同时驱动三个电机，实现如图14(f)所示的翻滚运动的复位状态。如此实现了机构一个周期的翻滚运动，通过多个周期的运动则可以实现机构的移动功能和转向控制。
Claims (2)
1.可折叠多面体滚动机构，其特征在于：可折叠多面体滚动机构包括两个伸缩顶点（A）、三个折叠杆组（B）以及连接它们的六个顶点连接轴（9）、三个电机（10）和三个配重（11）；
其中，伸缩顶点（A）通过电动推杆（8）将推杆同步连杆（6）和推杆座连杆（7）相连接所组成，
所述的电动推杆（8）的一端与推杆同步连杆（6）的螺纹孔相配合进行固定连接，电动推杆（8）的另一端与推杆座连杆（7）的螺纹孔相配合进行固定连接，推杆同步连杆（6）上L型连接端的长边方向与推杆座连杆（7）上L型连接端的长边方向相对；
折叠杆组（B）通过球副铰链（B-2）将两个四边形杆组（B-1）相连接所组成，
所述的四边形杆组（B-1）包括顶点连杆（1）、折叠连杆（2）、三角形连杆（3）、电机轴连杆（4）和四个杆组连接轴（5），顶点连杆（1）、折叠连杆（2）、三角形连杆（3）和电机轴连杆（4）构成一个平行四边形，四个连杆分别作为平行四边形的四个边，第一个杆组连接轴（5）穿过顶点连杆（1）中间的轴孔和折叠连杆（2）一端的轴孔，第二个杆组连接轴（5）穿过折叠连杆（2）另一端的轴孔和三角形连杆（3）直线型连接端的轴孔，第三个杆组连接轴（5）穿过三角形连杆（3）中间的轴孔和电机轴连杆（4）长边连接端的轴孔，第四个杆组连接轴（5）穿过电机轴连杆（4）中间的轴孔和顶点连杆（1）长边连接端的轴孔，四个杆组连接轴（5）用卡簧进行轴向固定，
所述的球副铰链（B-2）具有两个连接端，两个连接端间用球副的形式进行连接，
球副铰链（B-2）的一个连接端与第一个四边形杆组（B-1）中三角形连杆（3）三角形连接端用螺钉进行固定连接，球副铰链（B-2）的另一个连接端与第二个四边形杆组（B-1）中三角形连杆（3）三角形连接端用螺钉进行固定连接；
可折叠多面体滚动机构中，三个折叠杆组（B）通过连接件将两个伸缩顶点（A）连接在一起，三个折叠杆组（B）之间相互成120度分别与两个伸缩顶点（A）进行连接，
第一个折叠杆组（B）中，第一个顶点连接轴（9）穿过第一个四边形杆组（B-1）中顶点连杆（1）短边连接端的轴孔，和第一个伸缩顶点（A）中推杆同步连杆（6）L型连接端的长边轴孔，并用卡簧进行轴向固定，形成一个转动副连接，
电机（10）通过螺钉固定在第一个伸缩顶点（A）中推杆座连杆（7）L型连接端的长边电机安装孔上，电机（10）的电机轴穿过第二个伸缩顶点（A）中推杆座连杆（7）L型连接端的长边轴孔，和第一个四边形杆组（B-1）中电机轴连杆（4）短边连接端的轴孔，并用顶丝通过顶丝孔与电机轴连杆（4）固定连接，形成一个转动副连接，
第二个顶点连接轴（9）穿过第二个四边形杆组（B-1）中顶点连杆（1）短边连接端的轴孔，和第二个伸缩顶点（A）中推杆同步连杆（6）L型连接端的长边轴孔，并用卡簧进行轴向固定，形成一个转动副连接，
配重（11）通过螺钉固定在第二个伸缩顶点（A）中推杆座连杆（7）L型连接端的长边电机安装孔上，配重（11）的轴穿过第二个伸缩顶点（A）中推杆座连杆（7）L型连接端的长边轴孔，和第二个四边形杆组（B-1）中电机轴连杆（4）短边连接端的轴孔，并用卡簧进行轴向固定，形成一个转动副连接，
配重（11）的质量与电机（10）的质量相同，
第二个折叠杆组（B）、第三个折叠杆组（B）与两个伸缩顶点（A）的连接方式，和第一个折叠杆组（B）与两个伸缩顶点（A）的连接方式相同。
2.如权利要求1所述的可折叠多面体滚动机构，其特征在于：
推杆同步连杆（6）上有三个具有轴孔的L型连接端，三个L型连接端的短边与中心有螺纹孔的正三角形连接板相连，三个L型连接端的长边向同一方向弯曲且方向垂直于正三角形所在平面，三个L型连接端相互成120度；
推杆座连杆（7）上有三个具有电机安装孔和轴孔的L型连接端，三个L型连接端的短边与中心有螺纹孔的正三角形连接板相连，三个L型连接端的长边向同一方向弯曲且方向垂直于正三角形所在平面，三个L型连接端相互成120度；
顶点连杆（1）为一个L型杆件，短边和长边一端各有一个轴孔，两端轴孔间有一个中间轴孔；
三角形连杆（3）分为直线型连接端和三角形连接端，两个连接端各有一个轴孔，两端轴孔间有一个中间轴孔；
电机轴连杆（4）为一个L型杆件，短边和长边一端各有一个轴孔，两端轴孔间有一个中间轴孔。
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Granted publication date: 20160113 |