CN103600631B - 一种基于偏心桨机构的水陆两栖车轮机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于偏心桨机构的水陆两栖车轮机构。目前单一移动载体的结构特征严重制约了机器人在复杂地形的应用。本发明中支撑架的两端均固定有一块定位块；桨叶位置调节减速盘通过定位块与轮壳配合连接；桨叶位置调节齿轮通过中间传动齿轮与桨叶位置调节减速盘内壁的轮齿啮合，从动锥齿轮固定在桨叶位置调节丝杠上，且与主动锥齿轮啮合；桨叶位置调节丝杠的两端均与支撑架轴承连接；车轮驱动齿轮与车轮减速盘内壁的轮齿啮合；铰块与轮壳轴承连接，车轮减速盘与轮壳固定；桨叶中心轴与丝杠螺母固定，每片桨叶的一端分别与桨叶中心轴铰接，另一端分别伸入对应铰块的滑槽中。本发明可提高轮式移动机器人的越障能力与地形适应性。

Description

一种基于偏心桨机构的水陆两栖车轮机构

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及机器人移动机构，具体涉及一种基于偏心桨机构的水陆两栖车轮机构。

背景技术

目前陆地移动机器人的移动方式多是轮式滚动或腿式行走，但这两种移动方式在水中和滩涂地形中的运动能力有限。水下机器人则主要依靠螺旋桨驱动，在浅水和深水区域具有很好的作业能力，而在极浅水、随浪带和海滩区域作业能力较弱，且无法在陆地上为机器人提供行进动力。因此，目前单一移动载体的结构特征严重制约了机器人在复杂地形的应用。为保证移动机器人既能适应陆地和近岸滩涂的多变地形，又能适应复杂的水环境，有必要提出一种可根据具体作业环境，改变移动构件构形和机器人运动方式的移动载体。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于偏心桨机构的水陆两栖车轮机构，该机构可提高轮式移动机器人的越障能力与地形适应性，进而提高其移动效率。

本发明包括驱动部件、传动部件和轮桨部件。

所述的驱动部件包括车轮驱动电机、桨叶驱动电机、桨叶位置调节电机和电机座；所述的电机座固定在机器人车体上，车轮驱动电机、桨叶驱动电机和桨叶位置调节电机均固定在电机座上。

所述的传动部件包括桨叶位置调节齿轮、车轮减速盘、桨叶位置调节减速盘、支撑架连接轴、导杆、桨叶位置调节丝杠、丝杠螺母、从动锥齿轮、支撑架和车轮驱动齿轮。车轮驱动电机带动车轮驱动齿轮转动，桨叶位置调节电机带动桨叶位置调节齿轮转动；桨叶驱动电机通过支撑架连接轴带动支撑架转动，支撑架的两端分别固定设置有一块定位块；桨叶位置调节减速盘设置在两块定位块之间，且与每块定位块的内侧壁间隙配合连接；所述的桨叶位置调节减速盘整体呈圆筒形，内壁设有轮齿，靠近支撑架的端面设有主动锥齿轮；所述的桨叶位置调节齿轮通过中间传动齿轮与桨叶位置调节减速盘内壁的轮齿啮合，所述的从动锥齿轮固定在桨叶位置调节丝杠上，且与桨叶位置调节减速盘端面的主动锥齿轮啮合；桨叶位置调节丝杠的两端均与支撑架轴承连接；所述的导杆固定在支撑架上；丝杠螺母套置在导杆和桨叶位置调节丝杠上，且与导杆滑动连接，与桨叶位置调节丝杠螺纹连接；所述的车轮减速盘整体呈圆筒形，内壁设有轮齿，车轮驱动齿轮与车轮减速盘内壁的轮齿啮合。

所述的轮桨部件包括铰块、桨叶中心轴、桨叶和轮壳；所述的轮壳沿周向均布开设有多个槽口，每个槽口的垂直轮壳轴向的两侧壁分别与对应铰块的一端轴承连接；车轮减速盘固定在轮壳的内壁上，固定在支撑架上的两块定位块的外侧壁均与轮壳间隙配合连接；所述的桨叶中心轴与丝杠螺母固定，多片桨叶沿桨叶中心轴的周向均布，桨叶的数量与轮壳的槽口数量相等；每片桨叶的一端分别与桨叶中心轴铰接，另一端分别伸入对应铰块的滑槽中。

所述桨叶驱动电机的输出轴沿电机座的轴向设置，车轮驱动电机和桨叶位置调节电机的输出轴沿电机座的径向设置；所述的车轮驱动电机通过一对锥齿轮将动力传递给车轮驱动齿轮，桨叶位置调节电机通过一对锥齿轮将动力传递给桨叶位置调节齿轮；所述桨叶驱动电机的输出轴与支撑架连接轴的一端固接，支撑架连接轴的另一端固定在支撑架的中心处。

所述的轮壳整体呈圆筒形，包括两个固定连接的半圆筒部分。

本发明的有益效果：

1、本发明可以进行类轮式滚动，提高移动机器人在平坦路面上的行驶效率；通过类腿式行走模式，提高移动机器人在崎岖陆地地形情况下的越障能力；通过轮腿综合式移动模式，增加车轮与地面的附着力，实现移动机器人在滩涂、沼泽等松软路面条件下的快速行进；在桨摆动和桨转动运动模式下，可分别实现移动机器人在浅水区和深水区的高速航行；通过类轮式滚动、类腿式行走、轮腿综合式移动、桨转动式、桨摆动式等复合运动的传递与转化，有效提升了机器人在两栖地形中的适应性以及运动性能。

2、本发明运动灵巧、速度快、稳定性好、节能实用；偏心桨机构充分利用车轮内部空间，机构紧凑，重量轻。

附图说明

图1为本发明的整体结构立体图；

图2为本发明中各零部件的结构立体图；

图3为本发明实现类轮式滚动步态的机构原理示意图；

图4-1为本发明实现类腿式行走运动步态越过障碍前的机构原理示意图；

图4-2为本发明实现类腿式行走运动步态越过障碍过程中的机构原理示意图；

图4-3为本发明实现类腿式行走运动步态时越过障碍后的机构原理示意图；

图5为本发明实现轮腿综合式运动步态的机构原理示意图；

图6为本发明实现深水区域转动式桨运动步态的机构原理示意图；

图7为本发明实现浅水区域转动式桨运动步态的机构原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如图1和2所示，一种基于偏心桨机构的水陆两栖车轮机构包括驱动部件、传动部件和轮桨部件。

驱动部件包括车轮驱动电机1、桨叶驱动电机2、桨叶位置调节电机3和电机座4；电机座4固定在机器人车体上，车轮驱动电机1、桨叶驱动电机2和桨叶位置调节电机3均固定在电机座4上，且桨叶驱动电机2的输出轴沿电机座4的轴向设置，车轮驱动电机1和桨叶位置调节电机3的输出轴沿电机座4的径向设置。

传动部件包括桨叶位置调节齿轮5、车轮减速盘7、桨叶位置调节减速盘8、支撑架连接轴9、导杆10、桨叶位置调节丝杠11、丝杠螺母12、从动锥齿轮15、支撑架16和车轮驱动齿轮19；车轮驱动电机1通过一对锥齿轮将动力传递给车轮驱动齿轮19，桨叶位置调节电机3通过一对锥齿轮将动力传递给桨叶位置调节齿轮5；桨叶驱动电机2的输出轴与支撑架连接轴9的一端固接，支撑架连接轴9的另一端固定在支撑架16的中心处，支撑架16的两端分别固定设置有一块定位块17；桨叶位置调节减速盘8设置在两块定位块17之间，且与每块定位块17的内侧壁间隙配合连接；桨叶位置调节减速盘8整体呈圆筒形，内壁设有轮齿，靠近支撑架16的端面设有主动锥齿轮；桨叶位置调节齿轮5通过中间传动齿轮20与桨叶位置调节减速盘8内壁的轮齿啮合，从动锥齿轮15固定在桨叶位置调节丝杠11上，且与桨叶位置调节减速盘8端面的主动锥齿轮啮合；桨叶位置调节丝杠11的两端均与支撑架16轴承连接；导杆10固定在支撑架16上；丝杠螺母12套置在导杆10和桨叶位置调节丝杠11上，且与导杆10滑动连接，与桨叶位置调节丝杠11螺纹连接；车轮减速盘7整体呈圆筒形，内壁设有轮齿，车轮驱动齿轮19与车轮减速盘7内壁的轮齿啮合。

轮桨部件包括铰块6、桨叶中心轴13、桨叶14和轮壳18；轮壳18整体呈圆筒形，包括两个固定连接的半圆筒部分；轮壳18沿周向均布开设有四个槽口，每个槽口的垂直轮壳18轴向的两侧壁分别与对应铰块6的一端轴承连接；车轮减速盘7固定在轮壳18的内壁上，固定在支撑架16上的两块定位块17的外侧壁均与轮壳18间隙配合连接。桨叶中心轴13与丝杠螺母12固定，四片桨叶14沿桨叶中心轴13的周向均布，每片桨叶14的一端分别与桨叶中心轴13铰接，另一端分别伸入对应铰块6的滑槽中。

该基于偏心桨机构的水陆两栖车轮机构可实现三个独立运动：轮壳转动、桨叶中心轴转动和桨叶中心轴径向移动。车轮驱动电机1驱动车轮的驱动齿轮19转动，进而带动车轮减速盘7和轮壳18转动，从而实现了轮壳18的转动。桨叶驱动电机2带动支撑架连接轴9转动，由于支撑架连接轴9与支撑架16固定、桨叶中心轴13与丝杠螺母12固定，使得支撑架连接轴9带动桨叶中心轴13转动，同时在轮壳18的转动驱动下共同实现桨叶14的转动。桨叶位置调节电机3驱动桨叶位置调节齿轮5转动，从而带动桨叶位置调节减速盘8转动，从动锥齿轮15与桨叶位置调节减速盘8端面的主动锥齿轮啮合，带动与从动锥齿轮15固连的桨叶位置调节丝杠11转动，从而带动丝杠螺母12沿导杆10移动，实现桨叶中心轴13沿轮壳18的径向运动。

通过上述三个独立运动相互配合，可将桨叶中心轴13调整到轮壳18径向平面内的任意一点，构成不同的运动模式，以适应具体的地形条件需求。

该基于偏心桨机构的水陆两栖车轮机构主要可以实现如下5个运动步态：

1、类轮式滚动步态运动原理图如图3所示。在这个步态中，将桨叶中心轴13调整至桨叶位置调节丝杠11上极限位置，整个车轮机构的运动方式仅为车轮驱动电机1驱动轮壳18转动，此时桨叶14在运动到轮壳18下端时正好收入轮壳18内部，不与地面产生相互干涉。该步态适用于移动机器人在平坦路面情况下运行，可以保证较高的机械效率、较好的运行平稳性和较快的行进速度。但这种步态越障能力较差，不能适用于崎岖地形下机器人的行驶。

2、类腿式行走步态运动原理图如图4-1、4-2和4-3所示。针对机器人轮式滚动步态越障能力不足的问题，该水陆两栖车轮机构可通过类腿式行走步态，提高移动机器人在崎岖陆地地形情况下的越障能力。类腿式行走步态实现过程如下：如图4-1所示，将桨叶中心轴13调整至桨叶位置调节丝杠11下极限位置，随后桨叶位置调节丝杠11转动带动桨叶中心轴13向上运动，同时轮壳18逆时针转动，运动到图4-2所示状态；随后桨叶位置调节丝杠11转动带动桨叶中心轴13向下运动，同时轮壳18继续逆时针转动，运动到图4-3所示状态；再通过轮壳18顺时针转动使该水陆两栖车轮机构恢复到图4-1的初始状态，移动机器人的各个水陆两栖车轮机构交替往复以上过程，实现了运动机器人的腿式行走步态。

3、轮腿综合移动运动原理如图5所示。当移动机器人在沼泽、滩涂等松软地形条件下行驶时，纯粹的轮式滚动步态会出现打滑现象，而腿式行走桨叶会出现沉陷现象，因此提出轮腿综合移动步态。桨叶中心轴13运动到轮壳18中心偏上位置，整个车轮机构的运动方式仅为车轮驱动电机1驱动轮壳18转动，此时桨叶14在运动到轮壳18下端时有一部分还处在轮壳18外部，可以深入泥土中避免出现打滑现象，同时轮壳18也与地面接触避免了沉陷现象出现。

4、深水区域转动式桨运动步态原理如图6所示。这个步态中，将桨叶中心轴13与轮壳18旋转中心偏移一个距离，当轮壳18旋转时，迫使桨叶14转动推动水产生推力，实现机器人在深水区域的高速航行。

5、浅水区域转动式桨运动步态原理如图7所示。这个步态中，将桨叶中心轴13与轮壳18旋转中心偏移一个距离，轮壳18被驱动绕双向箭头所示方向交替往复旋转，迫使桨叶14摆动推动水产生推力，实现机器人在浅水区域的航行。

Claims (3)

1. 一种基于偏心桨机构的水陆两栖车轮机构，包括驱动部件、传动部件和轮桨部件，其特征在于：

所述的驱动部件包括车轮驱动电机、桨叶驱动电机、桨叶位置调节电机和电机座；所述的电机座固定在机器人车体上，车轮驱动电机、桨叶驱动电机和桨叶位置调节电机均固定在电机座上；

所述的传动部件包括桨叶位置调节齿轮、车轮减速盘、桨叶位置调节减速盘、支撑架连接轴、导杆、桨叶位置调节丝杠、丝杠螺母、从动锥齿轮、支撑架和车轮驱动齿轮；车轮驱动电机带动车轮驱动齿轮转动，桨叶位置调节电机带动桨叶位置调节齿轮转动；桨叶驱动电机通过支撑架连接轴带动支撑架转动，支撑架的两端分别固定设置有一块定位块；桨叶位置调节减速盘设置在两块定位块之间，且与每块定位块的内侧壁间隙配合连接；所述的桨叶位置调节减速盘整体呈圆筒形，内壁设有轮齿，靠近支撑架的端面设有主动锥齿轮；所述的桨叶位置调节齿轮通过中间传动齿轮与桨叶位置调节减速盘内壁的轮齿啮合，所述的从动锥齿轮固定在桨叶位置调节丝杠上，且与桨叶位置调节减速盘端面的主动锥齿轮啮合；桨叶位置调节丝杠的两端均与支撑架轴承连接；所述的导杆固定在支撑架上；丝杠螺母套置在导杆和桨叶位置调节丝杠上，且与导杆滑动连接，与桨叶位置调节丝杠螺纹连接；所述的车轮减速盘整体呈圆筒形，内壁设有轮齿，车轮驱动齿轮与车轮减速盘内壁的轮齿啮合；

所述的轮桨部件包括铰块、桨叶中心轴、桨叶和轮壳；所述的轮壳沿周向均布开设有多个槽口，每个槽口的垂直轮壳轴向的两侧壁分别与对应铰块的一端轴承连接；车轮减速盘固定在轮壳的内壁上，固定在支撑架上的两块定位块的外侧壁均与轮壳间隙配合连接；所述的桨叶中心轴与丝杠螺母固定，多片桨叶沿桨叶中心轴的周向均布，桨叶的数量与轮壳的槽口数量相等；每片桨叶的一端分别与桨叶中心轴铰接，另一端分别伸入对应铰块的滑槽中。

2.根据权利要求1所述的一种基于偏心桨机构的水陆两栖车轮机构，其特征在于：所述桨叶驱动电机的输出轴沿电机座的轴向设置，车轮驱动电机和桨叶位置调节电机的输出轴沿电机座的径向设置；所述的车轮驱动电机通过一对锥齿轮将动力传递给车轮驱动齿轮，桨叶位置调节电机通过一对锥齿轮将动力传递给桨叶位置调节齿轮；所述桨叶驱动电机的输出轴与支撑架连接轴的一端固接，支撑架连接轴的另一端固定在支撑架的中心处。

3.根据权利要求1所述的一种基于偏心桨机构的水陆两栖车轮机构，其特征在于：所述的轮壳整体呈圆筒形，包括两个固定连接的半圆筒部分。