CN107054501A - 一种基于并联机构的无人复杂路面自适应小车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于并联机构的无人复杂路面自适应小车，由车身支架和动力装置组成，车身支架包括车顶外壳、侧板车架结构、底盘车架结构、六杆并联机构、保险杠与挡泥板结构；动力装置包括舵机转向系统、电机传动系统、轮胎连接装置，车顶外壳与侧板车架结构的预留孔通过四组螺钉固定连接，侧板车架结构与底盘车架结构固定联接，六杆并联机构通过球铰联接与侧板车架结构连接，通过连杆支架与电机传动系统连接，保险杠与挡泥板结构与电机传动系统固定联接；舵机转向系统通过滚动轴承联接轮胎连接装置，通过螺钉与电机传动系统固定联接，电机传动系统与轮胎连接装置通过联接。本发明用于未知的复杂地形条件的无人勘察，影像采集、环境探测等。

Description

一种基于并联机构的无人复杂路面自适应小车

技术领域

本发明涉及一种基于并联机构的无人复杂路面自适应小车。

背景技术

现代社会对未知事物的探索越来越深，但由于环境和人类的生理条件等限制，在很多复杂的山地情况下，不方便人前往，这时就需要有机器来代替人去进行勘探和探索。在山地地面崎岖、凹凸不平的情况下，普通勘察车虽然可以做到四轮驱动来避免野外抛锚，但是由于自由度不够，驱动轮之一被悬置的事件常常发生，因此需要设计一辆多自由度的自适应勘察小车，可以用来代替人在野外地面崎岖、极端的环境下勘探。

因勘察车主要在崎岖的道路上行驶，使用条件相当复杂，车架作为全地形车的最重要的承载部件，在越野车行驶过程中需要承受各种载荷，因此，车架在结构的强度、刚度方面就必须要满足实际要求。同时为减少成本，车身整体的轻量化也是必然的趋势。全地形车的悬架主要被设计用来传递作用在车轮和车架（或车身）之间的各种力和力矩，缓和因路面的不平度而引起的车架（或车身）的冲击载荷，并对由此引起的振动进行衰减。全地形车主要行驶于相当复杂的道路环境，为确保全地形车在行驶时良好的平顺性能、操纵稳定性能和车上装备的各项勘探设备稳定运行等性能，对悬架系统的各项性能参数都要有相当高的设计要求，以使全地形车适应各种复杂的作业的要求。目前，国内外关于研究遥控山地越野车的研究成果已经很多，经研究该类机器的发展概况，全地形车最早出现于瑞典、苏联等少数几个位于北半球的国家，最大的特点是可以在普通车辆难以机动的地形上行走自如。现已有的无人勘探山地车能够做到前后四轮由多个电机带动都能够被驱动，美国卡内基·梅隆大学的Spinner和Crusher平台建立了基于混合动力模式的轮式无人地面勘察车，主要研究的是无人车的动力、结构和维护性的问题，但是并没有做到轻巧且适应凹凸沙面地形勘察任务，同时自重比太大，无法持续在极端环境下作业。美国H&H公司研制了履带式基于Ripsaw平台的越野无人车，通过增大动力同时减小自重比来提高时速，但是基于轮毂履带来适应复杂环境，没有在对无人车结构上通过增加自由度来调整。国内对于多轮独立电驱动无人车有较多的研究，同济大学研究了四轮毂电驱动无人车春晖三号，但是由于其功率较小，无法满足全地形需求。由此可知将四轮驱动技术与六杆并联机构结合（球铰连接、可调弹簧减震器代替两杆）的多自由度无人的复杂路面自适应的勘察小车技术还刚刚起步。

此外，复杂地形情况下使用的多自由度自适应小车将有很多应用，将改善人类对环境恶劣的山地地区的探索条件。该六杆并联机构自适应小车，适合在崎岖不平的山地上行走，可以安装各种所需的设备包括影像采集设备、环境探测设备、红外设备、太阳能搜集设备等，根据需要在车上搭载不同设备来增加车的使用功能。

本发明针对无人复杂路面自适应小车进行了总体设计，设计车体前后四轮都可以被驱动，由前后两个电机带动，电机为原动件，从电机到车轮转动，中间设计传动机构和转向机构。另外，在复杂的山地路况下行走，如果车体自由度少，容易发生侧翻机车轮被悬空状况，因此，设计车体应具有多自由度。车体车架和动力、运动部分不通过刚性联接，而是通过多杆机构联接两部分，杆与车体通过球形铰链联接以增大自由度。特别采用一个弹簧减震器代替其中一杆，使得杆的长度可以伸缩变化的同时有减震作用。一个多杆机构能够使整车自由度增加很多，更适合复杂山地下行走。车体车架上可以安装供能系统、控制系统、电气系统和需要的仪器，以增加车的附加实际用途，本发明主要设计车的机械结构和动力传动部分。在方案设计过程中，考虑到很多现场实际应用时的要求，使得整车具有直接生产并投入使用的优势。

发明内容

本发明的目的在于针对未知的复杂地形条件的无人勘察车，由于路面崎岖不平，驱动轮容易被悬置空，且由于稳定性不佳使车上搭载的侦查设备无法正常工作而导致勘察失败。提供一种基于并联机构的无人复杂路面自适应小车，前后四轮都可以被驱动，基于六杆并联机构传动，非常适合在崎岖不平的山地上行走，通过无线遥控设计操纵舵机通过连杆控制万向联轴器，万向连轴器连接传动轴和车轮轴，实现两轴能够水平成一定夹角传动，即车轮可以转向，整车各零部件适合通过3D打印技术制造。并且可以安装各种所需的设备包括影像采集设备、环境探测设备、红外设备、太阳能搜集设备等，根据需要在车上搭载不同设备来增加车的使用功能。

为达到上述目的，本发明的思路如下：

无人复杂路面自适应小车的工作空间是复杂、崎岖的各种地形，包括坑洼道路、各角度弯道、沙地环境和积水路面等，搭载大功率锂电池与太阳能电池板，它的运行距离一般也较长，在通过凹凸地面时需要尽可能保持车体自身稳定，在单轮陷入凹陷处通过多自由度传动系统和弹簧减震系统来尽可能将轮胎贴合地面产生前进摩擦力同时保持车载设备稳定；通过遥控装置和无线接收装置控制舵机转向和前进速度，解决无人复杂路面自适应小车运动情况单一、实用性能不够好等情况，同时满足智能化、小型化、自动化的要求。

基于以上思路，本发明采用如下技术方案：

一种基于并联机构的无人复杂路面自适应小车，由车身支架和动力装置组成，所述车身支架包括车顶外壳、侧板车架结构、底盘车架结构、六杆并联机构、保险杠与挡泥板结构，所述动力装置包括舵机转向系统、电机传动系统、轮胎连接装置，所述车顶外壳与侧板车架结构的预留孔通过四组螺钉固定连接，侧板车架结构与底盘车架结构固定联接，六杆并联机构通过球铰联接与侧板车架结构连接，通过连杆支架与电机传动系统连接，保险杠与挡泥板结构与电机传动系统固定联接；所述舵机转向系统通过滚动轴承联接轮胎连接装置，通过螺钉与电机传动系统固定联接，电机传动系统与轮胎连接装置通过联接。

所述车顶外壳由一个顶壳、前后两个侧壳和两块太阳能电池板构成，顶壳与侧板车架通过四组螺栓连接，顶壳的前后两侧处各设计有两个销孔，每个侧壳顶部都设计有一个销孔，顶壳与侧壳通过铰链连接，侧壳底部均设计有一个球座槽，与连杆支架上的直杆通过球铰联接连接；太阳能电池板与侧壳通过卡槽连接。

所述侧板车架结构由支杆与平型支架构成，采取左右对称布置，通过四个支杆螺钉固定联接，12处球铰联接通过螺钉固定在侧板车架预留孔内外两侧，在左右侧板车架上分别通过螺钉连接四个平行支架，在每个侧板车架上预先留有22个螺纹孔用于后期安装车载设备使用，侧板车架与电池板采用螺钉固定连接。

所述底盘车架结构由电池板与电池夹构成，两者通过螺栓连接。

所述六杆并联机构包括两个弯杆、避震器、两个直杆和两个弹簧减震器组合结构；弹簧减震器组合结构包括减震弹簧、球座、球体、短直杆、螺柱和连杆支架，其中避震器和上下两个球座通过花键连接，球体和球座中间设有螺纹孔，球座和短直杆连接，短直杆中间设计一个螺纹孔；球体在球座内自由转动，具有3个自由度；六杆并联机构中包含有两直杆与两弯杆，弯杆在杆的1/3处弯曲，弯曲角度为135°；两直杆与两弯杆分别与侧板车架结构、电机传动系统通过球铰联接相连，四连杆的每个直杆、弯杆与球座通过螺柱联接，每个直杆通过球铰联接与连杆支架相连。

所述保险杠和挡泥板结构由三个连杆、两个底架和挡泥板构成，连杆与底架通过螺栓固定连接，底架与电机传动系统的短传动轴轴套通过螺栓连接；挡泥板与底架采用两两一组，共两组螺栓连接固定。

所述舵机转向系统由舵机固定板、舵机、长直杆、短直杆、第一连轴万向节支撑件、第二连轴万向节支撑件、舵机支撑件构成；第一连轴万向节支撑件、第二连轴万向节支撑件前后左右均布置，舵机通过与短直杆球铰联接来控制第二连轴万向节支撑件，第二连轴万向节支撑件与第一连轴万向节支撑件通过螺钉联接，第一连轴万向节支撑件又与长传动轴轴套自攻螺钉联接，第二连轴万向节支撑件与长直杆球铰联接，舵机与舵机固定板联接，舵机固定板又与长传动轴轴套联接，舵机支撑件与舵机固定板螺钉联接。

所述电机传动系统包括电机、电机齿轮、减速齿轮、齿轮轴、减速器壳、长传动轴、短传动轴、长传动轴轴套、短传动轴轴套、夹套；电机与电机齿轮联接，减速齿轮与齿轮轴通过滚动轴承联接，电机齿轮与减速齿轮啮合，减速器壳与连杆支架螺栓固定，又与长传动轴轴套、短传动轴轴套螺钉固定，减速齿轮与长传动轴通过滚动轴承联接，夹套前后左右分布，与长传动轴轴套、短传动轴轴套夹紧联接。

所述轮胎连接装置包括轮胎轴、轮胎、轮毂、轮胎固定圈、滚动轴承、轮胎固定螺栓、万向节轴、固定销、万向节紧定螺钉；轮毂通过螺钉与轮胎固定圈联接，滚动轴承与第一连轴万向节支撑件、万向节轴连接，轮胎固定螺栓与轮胎轴固定连接，固定销与轮胎轴卡槽连接，轮胎轴与轮毂均为六角形卡紧联接，长传动轴与万向接轴卡槽联接。

与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点：

本发明采用通过六杆机构联接车体车架和动力、运动部分，杆与车体通过球形铰链联接而不通过刚性连接，前后四轮都可以被驱动且具有自由度多，稳定性好，空间小，相比人工作业，工作效率可以提高一倍以上，相比大型勘察车而言，价格低廉，维护简单，适合进行批量生产，经济效益可观。

附图说明

图1为本发明一种基于并联机构的无人复杂路面自适应小车整体结构示意图。

图2为本发明一种基于并联机构的无人复杂路面自适应小车车顶外壳示意图。

图3为本发明一种基于并联机构的无人复杂路面自适应小车侧板车架示意图。

图4为本发明一种基于并联机构的无人复杂路面自适应小车底盘车架结构示意图。

图5为本发明一种基于并联机构的无人复杂路面自适应小车六杆并联机构示意图。

图6为本发明一种基于并联机构的无人复杂路面自适应小车保险杠与挡泥板示意图。

图7为本发明一种基于并联机构的无人复杂路面自适应小车舵机转向系统示意图。

图8为本发明一种基于并联机构的无人复杂路面自适应小车电机传动系统示意图。

图9为本发明一种基于并联机构的无人复杂路面自适应小车轮胎连接装置示意图。

图10为本发明一种基于并联机构的无人复杂路面自适应小车球铰联接示意图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，一种基于并联机构的无人复杂路面自适应小车，由车身支架和动力装置组成，所述车身支架包括车顶外壳100、侧板车架结构200、底盘车架结构300、六杆并联机构400、保险杠与挡泥板结构500，所述动力装置包括舵机转向系统600、电机传动系统700、轮胎连接装置800，所述车顶外壳100与侧板车架结构200的预留孔通过四组螺钉固定连接，侧板车架结构200与底盘车架结构300固定联接，六杆并联机构400通过球铰联接900与侧板车架结构200连接，通过连杆支架407与电机传动系统700连接，保险杠与挡泥板结构500与电机传动系统700固定联接；所述舵机转向系统600通过滚动轴承804联接轮胎连接装置800，通过螺钉与电机传动系统700固定联接，电机传动系统700与轮胎连接装置通过800联接。

如图2所示，所述车顶外壳100由一个顶壳101、前后两个侧壳102和两块太阳能电池板105构成，顶壳101与侧板车架200通过四组螺栓连接，顶壳101的前后两侧处各设计有两个销孔，每个侧壳102顶部都设计有一个销孔，顶壳101与侧壳102通过铰链104连接，侧壳102底部均设计有一个球座槽103，与连杆支架407上的直杆406通过球铰联接900连接；太阳能电池板105与侧壳102通过卡槽连接。

如图3所示，所述侧板车架结构200由支杆201与平型支架202构成，采取左右对称布置，通过四个支杆201螺钉固定联接，12处球铰联接900通过螺钉固定在侧板车架200预留孔内外两侧，在左右侧板车架200上分别通过螺钉连接四个平行支架202，在每个侧板车架200上预先留有22个螺纹孔用于后期安装车载设备使用，侧板车架200与电池板301采用螺钉固定连接。

如图4所示，所述底盘车架结构300由电池板301与电池夹302构成，两者通过螺栓连接。

如图5和图10所示，所述六杆并联机构400包括两个弯杆401、避震器402、两个直杆406和两个弹簧减震器组合结构404；弹簧减震器组合结构404包括减震弹簧403、球座902、球体901、短直杆604、螺柱405和连杆支架407，其中避震器402和上下两个球座902通过花键连接，球体901和球座902中间设有螺纹孔，球座902和短直杆604连接，短直杆604中间设计一个螺纹孔；球体901在球座902内自由转动，具有3个自由度；六杆并联机构400中包含有两直杆406与两弯杆401，弯杆401在杆的1/3处弯曲，弯曲角度为135°；两直杆406与两弯杆401分别与侧板车架结构200、电机传动系统700通过球铰联接900相连，四连杆的每个直杆406、弯杆401与球座902通过螺柱联接，每个直杆406通过球铰联接900与连杆支架407相连。

如图6所示，所述保险杠和挡泥板结构500材料均采用ABS塑料，由三个连杆501、两个底架502和挡泥板503构成，连杆501与底架502通过螺栓固定连接，底架502与电机传动系统700的短传动轴轴套709通过螺栓连接；挡泥板503与底架502采用两两一组，共两组螺栓连接固定。

如图7所示，所述舵机转向系统600由舵机固定板601、舵机602、长直杆603、短直杆604、第一连轴万向节支撑件605、第二连轴万向节支撑件606、舵机支撑件607构成；第一连轴万向节支撑件605、第二连轴万向节支撑件606前后左右均布置，舵机602通过与短直杆604球铰联接来控制第二连轴万向节支撑件606，第二连轴万向节支撑件606与第一连轴万向节支撑件605通过螺钉联接，第一连轴万向节支撑件605又与长传动轴轴套703自攻螺钉联接，第二连轴万向节支撑件606与长直杆603球铰联接，舵机602与舵机固定板601联接，舵机固定板601又与长传动轴轴套703联接，舵机支撑件607与舵机固定板601螺钉联接。

如图8所示，所述电机传动系统700包括电机701、电机齿轮702、减速齿轮705、齿轮轴706、减速器壳704、长传动轴707、短传动轴708、长传动轴轴套703、短传动轴轴套709、夹套710；电机701与电机齿轮702联接，减速齿轮705与齿轮轴706通过滚动轴承804联接，电机齿轮702与减速齿轮705啮合，减速器壳704与连杆支架407螺栓固定，又与长传动轴轴套703、短传动轴轴套709螺钉固定，减速齿轮705与长传动轴707通过滚动轴承804联接，夹套710前后左右分布，与长传动轴轴套703、短传动轴轴套709夹紧联接。

如图9所示，所述轮胎连接装置800包括轮胎轴809、轮胎801、轮毂802、轮胎固定圈803、滚动轴承804、轮胎固定螺栓805、万向节轴806、固定销808、万向节紧定螺钉807；轮毂802通过螺钉与轮胎固定圈803联接，滚动轴承804与第一连轴万向节支撑件605、万向节轴806连接，轮胎固定螺栓805与轮胎轴809固定连接，固定销808与轮胎轴809卡槽连接，轮胎轴809与轮毂802均为六角形卡紧联接，长传动轴707与万向接轴806卡槽联接。

本发明的工作过程为：以动力装置为核心，控制系统为中心，通过控制系统使电机转动输出转速，三级齿轮减速器705减速后将转速传递到长传动轴707上，通过滚动轴承804和轮胎轴809带动轮胎转动。舵机602摆动带动短直杆604实现转向，当遇到地面凹陷或地表不平时，万向联轴器连有六杆并联机构400和弹簧减震器组合结构404，通过六杆并联机构400减震传动，车顶外壳100与电机传动系统700也有球铰联接，采用两个弹簧减震器组合结构404代替其中两杆，使得杆的长度可以伸缩变化的同时有减震作用。车顶外壳100前后两块面板和车体通过球铰联接，在弹簧减震器组合结构404被压缩后，车顶可以不随车体运动。

在整个一种基于并联机构的无人复杂路面自适应小车结构中，有两个20V大电机701和两块太阳能电池板105，利用四个动力源使勘察车完成复杂地形下的勘察作业过程；利用一系列检测装置如位移检测、速度检测、加速度检测、压力检测等将实时数据反馈到控制单元，控制单元对各模块机构的运动进行调整，使无人复杂路面自适应小车处于最佳工作状态。

Claims (9)

1.一种基于并联机构的无人复杂路面自适应小车，由车身支架和动力装置组成，所述车身支架包括车顶外壳（100）、侧板车架结构（200）、底盘车架结构（300）、六杆并联机构（400）、保险杠与挡泥板结构（500），所述动力装置包括舵机转向系统（600）、电机传动系统（700）、轮胎连接装置（800），其特征在于，所述车顶外壳（100）与侧板车架结构（200）的预留孔通过四组螺钉固定连接，侧板车架结构（200）与底盘车架结构（300）固定联接，六杆并联机构（400）通过球铰联接（900）与侧板车架结构（200）连接，通过连杆支架（407）与电机传动系统（700）连接，保险杠与挡泥板结构（500）与电机传动系统（700）固定联接；所述舵机转向系统（600）通过滚动轴承（804）联接轮胎连接装置（800），通过螺钉与电机传动系统（700）固定联接，电机传动系统（700）与轮胎连接装置通过（800）联接。

2.根据权利要求1所述的基于并联机构的无人复杂路面自适应小车，其特征在于，所述车顶外壳（100）由一个顶壳（101）、前后两个侧壳（102）和两块太阳能电池板（105）构成，顶壳（101）与侧板车架（200）通过四组螺栓连接，顶壳（101）的前后两侧处各设计有两个销孔，每个侧壳（102）顶部都设计有一个销孔，顶壳（101）与侧壳（102）通过铰链（104）连接，侧壳（102）底部均设计有一个球座槽（103），与连杆支架（407）上的直杆（406）通过球铰联接（900）连接；太阳能电池板（105）与侧壳（102）通过卡槽连接。

3.根据权利要求1所述的基于并联机构的无人复杂路面自适应小车，其特征在于，所述侧板车架结构（200）由支杆（201）与平型支架（202）构成，采取左右对称布置，通过四个支杆（201）螺钉固定联接，12处球铰联接（900）通过螺钉固定在侧板车架（200）预留孔内外两侧，在左右侧板车架（200）上分别通过螺钉连接四个平行支架（202），在每个侧板车架（200）上预先留有22个螺纹孔用于后期安装车载设备使用，侧板车架（200）与电池板（301）采用螺钉固定连接。

4.根据权利要求1所述的基于并联机构的无人复杂路面自适应小车，其特征在于，所述底盘车架结构（300）由电池板（301）与电池夹（302）构成，两者通过螺栓连接。

5.根据权利要求1所述的基于并联机构的无人复杂路面自适应小车，其特征在于，所述六杆并联机构（400）包括两个弯杆（401）、避震器（402）、两个直杆（406）和两个弹簧减震器组合结构（404）；弹簧减震器组合结构（404）包括减震弹簧（403）、球座（902）、球体（901）、短直杆（604）、螺柱（405）和连杆支架（407），其中避震器（402）和上下两个球座（902）通过花键连接，球体（901）和球座（902）中间设有螺纹孔，球座（902）和短直杆（604）连接，短直杆（604）中间设计一个螺纹孔；球体（901）在球座（902）内自由转动，具有3个自由度；六杆并联机构（400）中包含有两直杆（406）与两弯杆（401），弯杆（401）在杆的1/3处弯曲，弯曲角度为135°；两直杆（406）与两弯杆（401）分别与侧板车架结构（200）、电机传动系统（700）通过球铰联接（900）相连，四连杆的每个直杆（406）、弯杆（401）与球座（902）通过螺柱联接，每个直杆（406）通过球铰联接（900）与连杆支架（407）相连。

6.根据权利要求1所述的基于并联机构的无人复杂路面自适应小车，其特征在于，所述保险杠和挡泥板结构（500）由三个连杆（501）、两个底架（502）和挡泥板（503）构成，连杆（501）与底架（502）通过螺栓固定连接，底架（502）与电机传动系统（700）的短传动轴轴套（709）通过螺栓连接；挡泥板（503）与底架（502）采用两两一组，共两组螺栓连接固定。

7.根据权利要求1所述的基于并联机构的无人复杂路面自适应小车，其特征在于，所述舵机转向系统（600）由舵机固定板（601）、舵机（602）、长直杆（603）、短直杆（604）、第一连轴万向节支撑件（605）、第二连轴万向节支撑件（606）、舵机支撑件（607）构成；第一连轴万向节支撑件（605）、第二连轴万向节支撑件（606）前后左右均布置，舵机（602）通过与短直杆（604）球铰联接来控制第二连轴万向节支撑件（606），第二连轴万向节支撑件（606）与第一连轴万向节支撑件（605）通过螺钉联接，第一连轴万向节支撑件（605）又与长传动轴轴套（703）自攻螺钉联接，第二连轴万向节支撑件（606）与长直杆（603）球铰联接，舵机（602）与舵机固定板（601）联接，舵机固定板（601）又与长传动轴轴套（703）联接，舵机支撑件（607）与舵机固定板（601）螺钉联接。

8.根据权利要求1所述的基于并联机构的无人复杂路面自适应小车，其特征在于，所述电机传动系统（700）包括电机（701）、电机齿轮（702）、减速齿轮（705）、齿轮轴（706）、减速器壳（704）、长传动轴（707）、短传动轴（708）、长传动轴轴套（703）、短传动轴轴套（709）、夹套（710）；电机（701）与电机齿轮（702）联接，减速齿轮（705）与齿轮轴（706）通过滚动轴承（804）联接，电机齿轮（702）与减速齿轮（705）啮合，减速器壳（704）与连杆支架（407）螺栓固定，又与长传动轴轴套（703）、短传动轴轴套（709）螺钉固定，减速齿轮（705）与长传动轴（707）通过滚动轴承（804）联接，夹套（710）前后左右分布，与长传动轴轴套（703）、短传动轴轴套（709）夹紧联接。

9.根据权利要求1所述的基于并联机构的无人复杂路面自适应小车，其特征在于，所述轮胎连接装置（800）包括轮胎轴（809）、轮胎（801）、轮毂（802）、轮胎固定圈（803）、滚动轴承（804）、轮胎固定螺栓（805）、万向节轴（806）、固定销（808）、万向节紧定螺钉（807）；轮毂（802）通过螺钉与轮胎固定圈（803）联接，滚动轴承（804）与第一连轴万向节支撑件（605）、万向节轴（806）连接，轮胎固定螺栓（805）与轮胎轴（809）固定连接，固定销（808）与轮胎轴（809）卡槽连接，轮胎轴（809）与轮毂（802）均为六角形卡紧联接，长传动轴（707）与万向接轴（806）卡槽联接。