CN105172928A - 爬楼车用齿轮五连杆复合式机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种爬楼车用齿轮五连杆复合式机构，包括电机、五连杆机构、行星轮系和定轴轮系，电机输出轴通过齿轮啮合带动上、下2个传动轴进行同步转动，通过与传动轴相连的五连杆机构带动行星轮系的行星轮绕中心轮转动，五连杆机构中长连杆的运动为行星轮和与之固定的短连杆的自身转动与曲柄转动的合运动，该合运动为椭圆形轨迹。由于运动轨迹为椭圆，相对于现有技术运行更为平稳，波动较小，能有效减少货物损坏的可能性；运动过程中速度和加速度均以正弦规律变化，无突变，对台阶冲击较小；装置撑脚始终与地面保持垂直，使承载货物在运输过程中不易摇摆，提高了搬运货物的安全性及搬运人员的舒适性。

Description

爬楼车用齿轮五连杆复合式机构

技术领域

本发明属于爬楼助力机械领域，尤其涉及一种爬楼车用齿轮五连杆复合式机构。

背景技术

随着物流业的发展和服务水平的提高，送货上门业务受到顾客一致好评，但与此同时也加大了送货工人的劳动强度和工作难度。为了解决这一问题，上下楼梯自动化逐渐趋于热门。现有的爬楼机主要使用履带、各种复合轮组以及腿式机构完成爬楼功能。但是这些不同类型的爬楼装置各存在不同的优势与不足。履带式机构运动平稳但重量大、灵活性较差且对平地的适应性较差；复合轮组式结构的灵活性较好，但平稳性不佳且体积相对较大，对不同楼梯的适应性较差；腿式爬楼机的灵感来源于仿生机器人，通常借助四足行走机构完成爬楼作业，但就目前看来，这类爬楼装置大多处于实验阶段，因其结构复杂、体积庞大且运行困难而未普及。目前市场上迫切需要一种体积较小、运行平稳、成本低廉的爬楼装置，以缓解高强度的上下楼梯作业。

发明内容

本发明针对现有技术中的问题，提供一种爬楼车用齿轮五连杆复合式机构，体积较小、运行平稳、连续，成本较低。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种爬楼车用齿轮五连杆复合式机构，包括电机、五连杆机构、行星轮系和定轴轮系，电机输出轴通过齿轮啮合带动上、下2个传动轴进行同步转动，通过与传动轴相连的五连杆机构带动行星轮系的行星轮绕中心轮转动，五连杆机构中长连杆的运动为行星轮和与之固定的短连杆的自身转动与曲柄转动的合运动，该合运动为椭圆形轨迹。

按上述技术方案，包括2套五连杆机构，2套五连杆机构分别位于爬楼车用齿轮五连杆复合式机构的两侧；该爬楼车用齿轮五连杆复合式机构还包括4套行星轮系和定轴轮系，4套行星轮系分布于爬楼车用齿轮五连杆复合式机构的两侧，每侧2套。

按上述技术方案，电机输出轴水平设置，电机输出轴上固定有小齿轮，小齿轮与电机输出轴构成齿轮轴。

按上述技术方案，定轴轮系包括2个大齿轮、2个传动轴，2个大齿轮分别设置在小齿轮的上方、下方，2个大齿轮分别与小齿轮啮合，每个大齿轮的中心固定连接1个传动轴，每个传动轴的两侧分别连接有一套行星轮系。

按上述技术方案，每套五连杆机构包括2个曲柄、2个短连杆、1个长连杆，2个短连杆与长连杆之间通过短铰链连接，曲柄和短连杆通过长铰链连接。

按上述技术方案，每套行星轮系包括中心轮、惰轮、行星轮，中心轮与传动轴轴套固定连接，传动轴轴套与传动轴通过轴承连接(传动轴轴套与传动轴不同步转动，相对于传动轴静止，轴承内圈与传动轴配合，轴承外圈与传动轴轴套配合，传动轴轴套轴套与减速箱通过螺栓连接，相对机架静止)；曲柄与传动轴固定连接，惰轮通过中铰链与曲柄的中部连接，行星轮通过长铰链连接在曲柄的另一端，行星轮与短连杆固定连接，中心轮与惰轮啮合传动，惰轮与行星轮啮合传动。

按上述技术方案，曲柄与传动轴通过短平键固定连接。

按上述技术方案，所述电机为差速电机。

按上述技术方案，中心轮与传动轴轴套之间通过螺栓组固定连接。

本发明产生的有益效果是：本发明爬楼车用齿轮五连杆复合式机构中，五连杆机构中长连杆(即装置撑脚)的运动为行星轮和与之固定的短连杆的自身转动与曲柄转动的合运动，该运动轨迹为椭圆，相对于现有技术(圆形轨迹)运行更为平稳，波动较小，能有效减少货物损坏的可能性；运动过程中速度和加速度均以正弦规律变化，无突变，对台阶冲击较小；五连杆机构中长连杆始终与地面保持垂直，使承载货物在运输过程中不易摇摆，提高了搬运货物的安全性及搬运人员的舒适性；本发明在无电梯的楼房中搬运空调等重量较大的家电，搬运桶装水以及大米等生活用品等方面均具有很好的效益。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为爬楼车的整体示意图；

图2为本发明实施例爬楼车用齿轮五连杆复合式机构的结构示意图；

图3为本发明实施例的定轴轮系和行星轮系的示意图；

图4为本发明实施例的行星轮系示意图；

图5为本发明实施例的五连杆机构示意图；

图6为本发明实施例的正视剖视图；

图7为本发明实施例的行星轮系及五连杆机构的局部详图；

图8为本发明实施例的定轴轮系的局部详图；

图9为本发明实施例的基本原理示意图；

图10为本发明实施例的爬楼过程轨迹示意图一；

图11为本发明实施例的爬楼过程轨迹示意图二；

图12为本发明实施例的爬楼过程轨迹示意图三；

图13为本发明实施例的爬楼过程轨迹示意图四；

图14为本发明实施例的爬楼过程轨迹示意图五；

图15为本发明实施例的行星轮系与五连杆机构的局部爆炸视图；

图中：1—机架、2—齿轮五连杆复合式机构、3—行星轮系一、4—行星轮系二、5—行星轮系三、6—行星轮系四、7—五连杆机构一、8—五连杆机构二、9—电机、10—定轴轮系、11—箱体、12—轴套一、13—轴套二、14—齿轮轴、15—大齿轮一、16—大齿轮二、17—传动轴一、18—传动轴二、19—轴承一、20—轴承二、21—轴承三、22—轴承四、23—中心轮一、24—中心轮二、25—惰轮一、26—惰轮二、27—行星轮一、28—行星轮二、29—曲柄一、30—曲柄二、31—短连杆一、32—短连杆二、33—长连杆、34—螺栓组一、35—螺栓组二、36—垫圈、37—长套筒、38—短套筒、39—短铰链、40—长铰链、41—中铰链、42—轴端挡圈、43—弹簧垫圈、44—螺栓、45—螺母、46—垫圈、47—双头螺栓、48—长平键、49—中平键、50—短平键、51—平键二、52—传动轴套筒、53—平键一。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，提供一种爬楼车用齿轮五连杆复合式机构，包括电机、五连杆机构、行星轮系和定轴轮系，电机输出轴通过齿轮啮合带动上、下2个传动轴进行同步转动，通过与传动轴相连的五连杆机构带动行星轮系的行星轮绕中心轮转动，五连杆机构中长连杆的运动为行星轮和与之固定的短连杆的自身转动与曲柄转动的合运动，该合运动为椭圆形轨迹。

其中，包括2套五连杆机构，2套五连杆机构分别位于爬楼车用齿轮五连杆复合式机构的两侧；该爬楼车用齿轮五连杆复合式机构还包括4套行星轮系和定轴轮系，4套行星轮系分布于爬楼车用齿轮五连杆复合式机构的两侧，每侧2套。

进一步地，电机输出轴水平设置，电机输出轴上固定有小齿轮，小齿轮与电机输出轴构成齿轮轴。

进一步地，本发明实施例中，定轴轮系包括2个大齿轮、2个传动轴，2个大齿轮分别设置在小齿轮的上方、下方，2个大齿轮分别与小齿轮啮合，每个大齿轮的中心固定连接1个传动轴，每个传动轴的两侧分别连接有一套行星轮系。

进一步地，本发明实施例中，每套五连杆机构包括2个曲柄、2个短连杆、1个长连杆，2个短连杆与长连杆之间通过短铰链连接，曲柄和短连杆通过长铰链连接。

进一步地，本发明实施例中，每套行星轮系包括中心轮、惰轮、行星轮，中心轮与传动轴轴套固定连接，传动轴轴套与传动轴通过轴承连接，传动轴轴套与传动轴不同步转动，相对于传动轴静止，轴承内圈与传动轴配合，轴承外圈与传动轴轴套配合，传动轴轴套轴套与减速箱通过螺栓连接，相对机架静止；曲柄与传动轴固定连接，惰轮通过中铰链与曲柄的中部连接，行星轮通过长铰链连接在曲柄的另一端，行星轮与短连杆固定连接，中心轮与惰轮啮合传动，惰轮与行星轮啮合传动。

进一步地，曲柄与传动轴通过短平键固定连接。

进一步地，本发明实施例中，所述电机为差速电机。

进一步地，本发明实施例中，中心轮与传动轴轴套之间通过螺栓组固定连接。

本发明的一个较佳实施例中，提供一种爬楼车用齿轮五连杆复合式机构，包括电机、五连杆机构、行星轮系和定轴轮系，电机输出轴通过齿轮啮合带动上、下2个传动轴进行同步转动，通过与传动轴相连的五连杆机构带动行星轮系的行星轮绕中心轮转动，五连杆机构中长连杆的运动为行星轮和与之固定的短连杆的自身转动与曲柄转动的合运动，该合运动为椭圆形轨迹。其中，包括2套五连杆机构，2套五连杆机构分别位于爬楼车用齿轮五连杆复合式机构的两侧；该爬楼车用齿轮五连杆复合式机构还包括4套行星轮系和定轴轮系，4套行星轮系分布于爬楼车用齿轮五连杆复合式机构的两侧，每侧2套。电机输出轴水平设置，电机输出轴上固定有小齿轮，小齿轮与电机输出轴构成齿轮轴。定轴轮系包括2个大齿轮、2个传动轴，2个大齿轮分别设置在小齿轮的上方、下方，2个大齿轮分别与小齿轮啮合，每个大齿轮的中心固定连接1个传动轴，每个传动轴的两侧分别连接有一套行星轮系。每套五连杆机构包括2个曲柄、2个短连杆、1个长连杆，2个短连杆与长连杆之间通过短铰链连接，曲柄和短连杆通过长铰链连接。每套行星轮系包括中心轮、惰轮、行星轮，中心轮与传动轴轴套之间通过螺栓组固定连接，传动轴轴套与传动轴连接，但不同步转动，相对于传动轴静止；曲柄与传动轴通过短平键固定连接，惰轮通过中铰链与曲柄的中部连接，行星轮通过长铰链连接在曲柄的另一端，行星轮与短连杆固定连接，中心轮与惰轮啮合传动，惰轮与行星轮啮合传动。其中电机为差速电机。

本发明的另一个较佳实施例中，提供一种爬楼车用齿轮五连杆复合式机构，如图1—图8、图15所示，它由电机9、行星轮系一3、行星轮系二4、行星轮系三5、行星轮系四6、一个定轴轮系10和五连杆机构一7、五连杆机构二8构成。参见图3，齿轮五连杆复合式机构中，电机通过齿轮轴14与定轴轮系10相连接；定轴轮系10通过传动轴一17、传动轴二18与行星轮系一3、行星轮系二4、行星轮系三5、行星轮系四6相连接；行星轮系一3、行星轮系二4通过与五连杆机构一7共用一个曲柄一29相连接，行星轮系三5、行星轮系四6通过与五连杆机构二8共用一个曲柄二30相连接。参见图8，定轴轮系10由齿轮轴14、大齿轮一15、大齿轮二16、传动轴一17、传动轴二18、平键一53和平键二51构成。其中从小齿轮上方进行啮合的是大齿轮一15，从小齿轮下方进行啮合的是大齿轮二16，与大齿轮一15固定连接的是传动轴一17，与大齿轮二16固定连接的是传动轴二18。行星轮系一3位于传动轴一17的左侧，行星轮系三5位于传动轴一17的右侧，行星轮系二4位于传动轴二18的左侧，行星轮系四6位于传动轴二18的右侧。

定轴轮系中大齿轮一15通过平键一53与传动轴一17相连接；大齿轮二16通过平键二51与传动轴二18相连接；齿轮轴14通过轴端的齿轮与大齿轮一15、大齿轮二16分别啮合传动。参见图7，行星轮系一3由垫圈36、中心轮一23、惰轮一25、长平键48、行星轮一27、长套筒37、长铰链40、曲柄一29、中铰链41、轴端挡圈42、弹簧垫圈43、螺栓44、短平键50、螺母45、垫圈46、双头螺栓47、轴套一12和传动轴一17构成。

行星轮系一3中传动轴一17轴端连接轴端挡圈42、弹簧垫圈43和螺栓44；传动轴一17通过短平键50和曲柄一29连接；轴套一12通过垫圈36、螺母45、垫圈46和双头螺栓47与中心轮一23相连接；中铰链41连接惰轮一25、长套筒37和曲柄一29；长铰链40连接行星轮一27、长平键48、长套筒37、曲柄一29；曲柄一29连接传动轴一17、中铰链41、长铰链40；中心轮一23与惰轮一25啮合传动；惰轮一25与行星轮一27啮合传动。

参见图5、图7，五连杆机构一7包括曲柄一29、短套筒38、短铰链39、短连杆一31、长连杆33、中平键49、长铰链40和传动轴一17。

所示五连杆机构一中，传动轴一17通过短平键50和曲柄一29连接；长铰链40连接曲柄一29、短套筒38、短连杆一31和中平键49；短铰链39连接短连杆一31、短套筒38和长连杆33；曲柄一29连接传动轴一17和长铰链40；短铰链39连接长连杆33和短连杆一31。

本发明爬楼车用齿轮五连杆复合式机构应用于爬楼车时有两套传动机构，电机驱动齿轮轴14，齿轮轴14轴端的小齿轮通过齿轮啮合驱动大齿轮一15、大齿轮二16；通过大齿轮一15、大齿轮二16驱动传动轴一17、传动轴二18；传动轴一17驱动行星轮系一3、行星轮系三5，传动轴二18驱动行星轮系二4、行星轮系四6；再由行星轮系一3、行星轮系二4驱动五连杆机构一7，行星轮系三5、行星轮系四6驱动五连杆机构二8。

本发明实施例齿轮五连杆复合式机构2通过螺栓组一34、螺栓组二35与长套筒37、短套筒38连接，长套筒37、短套筒38与箱体11通过螺栓连接；长套筒37、短套筒38与箱体11固定于车架1上。

本发明的原理如下：参见图9，曲柄一29、曲柄二30长2a，短连杆一31、短连杆二32长a，传动比均为1:2，以曲柄一29、曲柄二30与短连杆一31、短连杆二在同一水平线上时建立直角坐标系，当曲柄一29、曲柄二30运动角度为任意角度θ,短连杆一31、短连杆二相对曲柄一29、曲柄二30转动2θ，且短连杆一、短连杆二与曲柄一29、曲柄二30转动方向相反。

长连杆最上端点的坐标(X_C1，Y_C1)，

X_C1＝2acosθ+acosθ＝3acosθ(1-1)

Y_C1＝2asinθ-asinθ＝asinθ(1-2)

将坐标值代入椭圆标准公式得：

$\frac{X^2}{{\left(3\mathrm{\α}\right)}^2}+\frac{Y^2}{{\left(\mathrm{\α}\right)}^2}={\cos }^2\mathrm{\θ}+{\sin }^2\mathrm{\θ}=1---\left(1-3\right)$

即证明该点轨迹为长半轴为短半轴为a的椭圆，由于长连杆上各点运动轨迹相同，则长连杆末端(撑地点)轨迹为椭圆。爬楼时，机架1与长连杆33相对运动，运动轨迹同为椭圆,行星轮系一3、行星轮系二4、行星轮系三5、行星轮系四6，长连杆33输出一个轨迹为椭圆的曲线运动。因此此机构可以用于爬楼机的爬升机构。

如图10-图14所示，图中为简化示意图，齿轮五连杆复合式机构爬楼的上楼过程:爬楼过程轨迹示意图一-爬楼过程轨迹示意图二-爬楼过程轨迹示意图三-爬楼过程轨迹示意图四-爬楼过程轨迹示意图五-爬楼过程轨迹示意图一。相应的下楼过程为：a-e-d-c-b-a爬楼过程轨迹示意图一-爬楼过程轨迹示意图五-爬楼过程轨迹示意图四-爬楼过程轨迹示意图三-爬楼过程轨迹示意图二-爬楼过程轨迹示意图一,轨迹与上楼一致。相对于普通连杆机构，齿轮五连杆复合式机构的爬楼轨迹更加平缓，路径更短，对楼梯的冲击更小。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种爬楼车用齿轮五连杆复合式机构，其特征在于，包括电机、五连杆机构、行星轮系和定轴轮系，电机输出轴通过齿轮啮合带动上、下2个传动轴进行同步转动，通过与传动轴相连的五连杆机构带动行星轮系的行星轮绕中心轮转动，五连杆机构中长连杆的运动为行星轮和与之固定的短连杆的自身转动与曲柄转动的合运动，该合运动为椭圆形轨迹。

2.根据权利要求1所述的爬楼车用齿轮五连杆复合式机构，其特征在于，包括2套五连杆机构，2套五连杆机构分别位于爬楼车用齿轮五连杆复合式机构的两侧；该爬楼车用齿轮五连杆复合式机构还包括4套行星轮系和定轴轮系，4套行星轮系分布于爬楼车用齿轮五连杆复合式机构的两侧，每侧2套。

3.根据权利要求2所述的爬楼车用齿轮五连杆复合式机构，其特征在于，电机输出轴水平设置，电机输出轴上固定有小齿轮，小齿轮与电机输出轴构成齿轮轴。

4.根据权利要求2或3所述的爬楼车用齿轮五连杆复合式机构，其特征在于，定轴轮系包括2个大齿轮、2个传动轴，2个大齿轮分别设置在小齿轮的上方、下方，2个大齿轮分别与小齿轮啮合，每个大齿轮的中心固定连接1个传动轴，每个传动轴的两侧分别连接有一套行星轮系。

5.根据权利要求4所述的爬楼车用齿轮五连杆复合式机构，其特征在于，每套五连杆机构包括2个曲柄、2个短连杆、1个长连杆，2个短连杆与长连杆之间通过短铰链连接，曲柄和短连杆通过长铰链连接。

6.根据权利要求4所述的爬楼车用齿轮五连杆复合式机构，其特征在于，每套行星轮系包括中心轮、惰轮、行星轮，中心轮与传动轴轴套固定连接，传动轴轴套与传动轴通过轴承连接；曲柄与传动轴固定连接，惰轮通过中铰链与曲柄的中部连接，行星轮通过长铰链连接在曲柄的另一端，行星轮与短连杆固定连接，中心轮与惰轮啮合传动，惰轮与行星轮啮合传动。

7.根据权利要求6所述的爬楼车用齿轮五连杆复合式机构，其特征在于，曲柄与传动轴通过短平键固定连接。

8.根据权利要求2或3所述的爬楼车用齿轮五连杆复合式机构，其特征在于，所述电机为差速电机。

9.根据权利要求6所述的爬楼车用齿轮五连杆复合式机构，其特征在于，中心轮与传动轴轴套之间通过螺栓组固定连接。