CN105501322A - 一种具有大伸缩比的空间四面体翻滚机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有大伸缩比的空间四面体翻滚机构，整体呈四面体形，包括四个结构尺寸相同的顶点组件和六个结构尺寸相同的伸缩组件，伸缩组件包括套筒、两个并联的齿条和两个电机，两个电机分别设置在套筒上并与两个齿条一一对应，两个齿条一端分别与对应顶点组件连接，另一端均位于套筒内，两个电机的输出轴分别固定有与对应齿条啮合的齿轮，两个电机分别驱动两个齿条沿套筒来回移动，使伸缩组件长度变化，翻滚机构翻滚。与现有技术相比，本发明的四面体翻滚机构具有快速变形运动的能力，灵活程度高，反应快，控制方便，与在同一时间内只能同一方向伸长或回缩的伸缩臂相比，极大减少完成一次翻滚的时间，从而快速完成侦查和探测任务。

Description

一种具有大伸缩比的空间四面体翻滚机构
技术领域
本发明涉及一种可以翻滚移动的四面体机构，尤其是涉及一种具有大伸缩比的空间四面体翻滚机构。
背景技术
空间四面体翻滚机构通过桁架中杆件的长度变化来移动机构的重心，实现机构的自由翻滚运动，是一种新型探测装备。因其具有体积小、成本低、生存能力强、运动灵活等特点成为移动机器人研究领域的又一热点。与传统的轮式移动机器人相比，在机动性、越障能力和适应性上有较大优势。
中国专利申请CN103407508公开了一种十二自由度四面体机器人，支链上的球副驱动两侧圆管，实现机构的变形运动，但伸缩比较小，运动缓慢；中国专利申请CN101973319公开了一种六面体步行机构，该机构由两个十字杆和四条支链组成，两个电机驱动，但机构变形能力较弱，驱动电机也不易安装；中国专利CN101664926公开了一种四面体翻滚机器人，通过线绳、线轮、滑轮和电机的配合使机构运动翻滚，但驱动机构过于复杂，且对任务不能够快速响应。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种伸缩比大、能快速翻滚的具有大伸缩比的空间四面体翻滚机构。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种具有大伸缩比的空间四面体翻滚机构，整体呈四面体形，包括四个结构尺寸相同的顶点组件和六个结构尺寸相同的伸缩组件，每个顶点组件对应连接三个伸缩组件，每个伸缩组件对应连接两个顶点组件，其特征在于，所述的伸缩组件包括套筒、两个并联的齿条和两个电机，所述的两个电机分别设置在套筒上并与两个齿条一一对应，所述的两个齿条一端分别与对应顶点组件连接，另一端均位于所述的套筒内，两个电机的输出轴分别固定有与对应齿条啮合的齿轮，两个电机分别驱动两个齿条沿套筒来回移动，使伸缩组件长度变化，翻滚机构翻滚。
所述的套筒内设有隔板，所述的隔板两侧与套筒侧壁之间为两个延长孔，两个延长孔分别容纳两个齿条。
所述的套筒侧壁上开有两个使齿条和齿轮能够相互啮合的窗口。
所述的顶点组件包括基座、三个定位柱和三个万向节，所述的三个定位柱一端分别与基座连接，另一端分别与三个万向节一端一一对应连接，所述的三个万向节另一端分别与对应齿条连接。
所述的三个万向节分别通过圆柱连接件与对应齿条啮合。
所述的三个万向节均为十字轴万向节。
所述的基座呈半球形，所述的三个定位柱与基座的平面焊接。
所述的圆柱连接件两端分别呈圆柱形和丁字形，呈丁字形的一端与万向节活动连接。
所述的万向节一端设有用于容纳圆柱连接件的凹槽，万向节上开有螺纹孔，所述的螺丝从螺纹孔进入凹槽，将圆柱连接件呈丁字形的一端限制在凹槽中。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)采用两个并联的齿条和一个套筒作为伸缩臂，运动时两个齿条可以同时伸长，与在同一时间内只能同一方向伸长或回缩的伸缩臂相比，可以极大的减少完成一次翻滚的时间，从而可以快速的完成侦查和探测任务。
(2)采用电机驱动，通过齿轮和齿条啮合的方式，将转动转化为直线运动，电机固定在套筒上，结构简单易于安装，且齿条运动平稳，伸缩组件结构牢固。
(3)机构通过重心移动发生失稳翻滚，所以不用考虑侧翻问题，可以应对各种类型的障碍。
(4)顶点组件包括基座、三个定位柱和三个万向节，万向节具有结构简单，传动效率高的优点。
(5)基座呈半球形，三个定位柱与基座的平面焊接，基座的半球面朝向翻滚机构的外侧，具有良好的力学性能和抗冲击能力，利于快速翻滚。
附图说明
图1为本发明整体结构三维示意图；
图2为本发明顶点组件(A)三维示意图；
图3为本发明基座三维示意图；
图4为本发明万向节与圆柱连接件非压紧连接的剖视图；
图5为本发明伸缩组件(S1)三维示意图；
图6为本发明套筒三维示意图；
图7为本发明顶点组件和伸缩组件装配示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图1所示，一种具有大伸缩比的空间四面体翻滚机构，整体呈四面体形，包括四个结构尺寸相同的顶点组件A、B、C、D和六个结构尺寸相同的伸缩组件S1、S2、S3、S4、S5、S6，每个顶点组件A、B、C、D对应连接三个伸缩组件S1、S2、S3、S4、S5、S6，每个伸缩组件S1、S2、S3、S4、S5、S6对应连接两个顶点组件A、B、C、D，顶点组件A、B、C、D和伸缩组件S1、S2、S3、S4、S5、S6装配如图7所示。
伸缩组件S1、S2、S3、S4、S5、S6结构相同并以相同的方式装配。如图5所示，伸缩组件S1包括套筒11、两个并联的齿条12、13和两个电机14、15，两个电机14、15分别设置在套筒11上并与两个齿条12、13一一对应，两个齿条12、13一端分别与对应顶点组件连接，另一端均位于套筒11内，两个电机14、15的输出轴分别固定有与对应齿条啮合的齿轮16、17，两个电机14、15分别驱动两个齿条12、13沿套筒11来回移动，使伸缩组件S1长度变化，翻滚机构翻滚。
如图6所示，套筒11内设有隔板11d，隔板11d两侧与套筒11侧壁之间为两个延长孔11a、11b，两个延长孔11a、11b分别容纳两个齿条12、13。电机14胶结在套筒11上，使电机的输出轴与延长孔11b在同一侧，电机14和齿轮16通过紧固螺丝固定；齿条12装配到延长孔11a当中，齿条12有齿一侧和延长孔11a在同一侧，齿轮16和齿条12相配合；电机15和套筒11，电机15和齿轮17，齿轮17和齿条13，齿条13和套筒11以与上述相同的方式连接。通过上述连接，电机14、15可以分别驱动齿轮16、17，齿轮16、17可以分别驱动齿条12、13，齿条12、13可分别沿延长孔11a、11b伸长或者回缩。
套筒11两个侧壁上分别开有窗口，使齿条和齿轮能够相互接触。
顶点组件A、B、C、D结构尺寸和装配方式均相同，如图2所示，顶点组件A包括基座1、三个定位柱2、3、4和三个万向节5、6、7，三个定位柱2、3、4一端分别与基座1连接，另一端分别与三个万向节5、6、7一端一一对应连接，三个万向节5另一端分别通过圆柱连接件8与对应齿条通过焊接相连。
如图3所示，基座1呈半球形，一面为平面，另一面为半球面，三个定位柱2、3、4与基座1的平面焊接，基座1的半球面朝向翻滚机构的外侧，具有良好的力学性能和抗冲击能力，利于快速翻滚。
如图2所示，三个万向节5、6、7结构相同，均为十字轴万向节，具有结构简单，传动效率高的优点。如图4所示，圆柱连接件8两端分别呈圆柱形和丁字形，呈丁字形的一端与万向节5活动连接。万向节5一端设有用于容纳圆柱连接件8的凹槽，万向节5上开有螺纹孔，螺丝5a从螺纹孔进入凹槽，将圆柱连接件8呈丁字形的一端限制在凹槽中，且为非压紧方式连接，使圆柱连接件8可与万向节5发生相对转动，利于整个翻滚机构灵活变形。圆柱连接件9、10以与上述相同的方式通过螺丝分别和十字轴万向节6、7相连，通过上述连接，三个圆柱连接件8、9、10相对于基座1各有三个转动自由度。
本发明的四面体翻滚机构具有六个自由度，通过电机驱动齿轮，齿轮驱动齿条，可以完成齿条的伸长和回缩。同一个伸缩组件中并联的两个齿条通过电机的控制可以协同的伸长和缩回，极大缩短了完成一次翻滚所需的运动时间，可以快速对任务作出响应。
本发明的四面体翻滚机构具有快速变形运动的能力，灵活程度高，反应快，控制方便。机构通过重心移动发生失稳翻滚，所以不用考虑侧翻问题，故可以应对各种类型的障碍。机构采用简单对称的四面体形式，采用结构和尺寸均相同的四个顶点组件与六个伸缩组件，使得结构具有对称性和稳定性，装配程序简单。部件采用模块化设计和加工，此单重四面体机构的设计为多重四面体机构的设计和制造奠定了坚定的基础，从而设计运动更为复杂的翻滚机构。

Claims (9)

1.一种具有大伸缩比的空间四面体翻滚机构，整体呈四面体形，包括四个结构尺寸相同的顶点组件(A、B、C、D)和六个结构尺寸相同的伸缩组件(S1、S2、S3、S4、S5、S6)，每个顶点组件(A、B、C、D)对应连接三个伸缩组件(S1、S2、S3、S4、S5、S6)，每个伸缩组件(S1、S2、S3、S4、S5、S6)对应连接两个顶点组件(A、B、C、D)，其特征在于，所述的伸缩组件(S1、S2、S3、S4、S5、S6)包括套筒(11)、两个并联的齿条(12、13)和两个电机(14、15)，所述的两个电机(14、15)分别设置在套筒(11)上并与两个齿条(12、13)一一对应，所述的两个齿条(12、13)一端分别与对应顶点组件(A、B、C、D)连接，另一端均位于所述的套筒(11)内，两个电机(14、15)的输出轴分别固定有与对应齿条啮合的齿轮(16、17)，两个电机(14、15)分别驱动两个齿条(12、13)沿套筒(11)来回移动，使伸缩组件(S1、S2、S3、S4、S5、S6)长度变化，翻滚机构翻滚。
2.根据权利要求1所述的一种具有大伸缩比的空间四面体翻滚机构，其特征在于，所述的套筒(11)内设有隔板(11d)，所述的隔板(11d)两侧与套筒(11)侧壁之间为两个延长孔(11a、11b)，两个延长孔(11a、11b)分别容纳两个齿条(12、13)。
3.根据权利要求1所述的一种具有大伸缩比的空间四面体翻滚机构，其特征在于，所述的套筒(11)侧壁上开有两个使齿条(12、13)和齿轮(16、17)能够相互啮合的窗口。
4.根据权利要求1所述的一种具有大伸缩比的空间四面体翻滚机构，其特征在于，所述的顶点组件(A、B、C、D)包括基座(1)、三个定位柱(2、3、4)和三个万向节(5、6、7)，所述的三个定位柱(2、3、4)一端分别与基座(1)连接，另一端分别与三个万向节(5、6、7)一端一一对应连接，所述的三个万向节(5、6、7)另一端分别与对应齿条连接。
5.根据权利要求4所述的一种具有大伸缩比的空间四面体翻滚机构，其特征在于，所述的三个万向节(5、6、7)分别通过圆柱连接件(8、9、10)与对应齿条连接。
6.根据权利要求4所述的一种具有大伸缩比的空间四面体翻滚机构，其特征在于，所述的三个万向节(5、6、7)均为十字轴万向节。
7.根据权利要求4所述的一种具有大伸缩比的空间四面体翻滚机构，其特征在于，所述的基座(1)呈半球形，所述的三个定位柱(2、3、4)与基座(1)的平面焊接。
8.根据权利要求4所述的一种具有大伸缩比的空间四面体翻滚机构，其特征在于，所述的圆柱连接件(8)两端分别呈圆柱形和丁字形，呈丁字形的一端与万向节(5)活动连接。
9.根据权利要求8所述的一种具有大伸缩比的空间四面体翻滚机构，其特征在于，所述的万向节(5)一端设有用于容纳圆柱连接件(8)的凹槽，万向节(5)上开有螺纹孔，所述的螺丝(5a)从螺纹孔进入凹槽，将圆柱连接件(8)呈丁字形的一端限制在凹槽中。
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