CN107458160A - 一种主被动变刚度独立悬架支撑机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种主被动变刚度独立悬架支撑机构，其特征在于该机构包括导轨、滑块、横向支撑固定件、凸轮盘、凸轮、被动变刚度支撑件、编码器、编码器固定件、同步带、同步带轮、拉簧长固定件、拉簧、直流伺服电机、电机安装座、齿条、齿轮、拉簧短固定件、凸轮组和凸轮组固定件；所述凸轮盘为轴对称图形，在凸轮盘中心开有凸轮组安装区域，在凸轮组安装区域外侧的凸轮盘上开有凸轮轨道。该机构结构简单，并能通过自身驱动主动调整等效刚度，以适应不同外界环境，不同工作任务，并且通过装在悬架上的位置编码器实现竖直方向位移反馈。

Description

一种主被动变刚度独立悬架支撑机构

技术领域

本发明涉及一种悬架支撑机构，具体为主被动变刚度独立悬架支撑机构。该机构能应用于麦克纳姆轮式全向移动平台上。

背景技术

由于麦克纳姆轮的本身的结构特性，轮子在行驶过程中，依靠均匀分布的小辊子与地面接触，因此必须保证麦克纳姆轮的小辊子与地面的有效接触，否则易于打滑。一旦打滑，麦克纳姆轮式全向移动平台就会偏离预定的行驶方向，以至于全向移动平台需要重新调整方向，进而致使全向移动平台出现摆动现象。而平台的频繁摆动必然会影响全向移动平台的使用寿命，行驶方向的准确性。在行驶的过程中，麦克纳姆轮的小辊子与小辊子的交替过程中容易引起震荡，这对车体的稳定性，行驶方向的准确性有较大的影响。此外，在不同的路面行驶时，麦克纳姆轮与地面接触的摩擦力不同，震荡不同，需要多次调节才能达到最佳状态。

现有的麦克纳姆轮支撑结构都只是使用弹簧(如CN 103192671A)或者减震器(如CN104875575A)被动地自适应地面冲击，没有主动调节刚度机构。整车在不同的路面运动，摩擦力不同，路面状况不同，针对不同的路面状况车体若要达到的最好的平顺性能，也需要悬架机构的刚度不同。现有技术中没有主动调节刚度装置导致整车无法在相应的路面上以其最好的平稳性行驶。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种主被动变刚度独立悬架支撑机构。该机构结构简单，并能通过自身驱动主动调整等效刚度，以适应不同外界环境，不同工作任务，并且通过装在悬架上的位置编码器实现竖直方向位移反馈。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：提供一种主被动变刚度独立悬架支撑机构，其特征在于该机构包括导轨、滑块、横向支撑固定件、凸轮盘、凸轮、被动变刚度支撑件、编码器、编码器固定件、同步带、同步带轮、拉簧长固定件、拉簧、直流伺服电机、电机安装座、齿条、齿轮、拉簧短固定件、凸轮组和凸轮组固定件；

所述凸轮盘为轴对称图形，在凸轮盘中心开有凸轮组安装区域，在凸轮组安装区域外侧的凸轮盘上开有凸轮轨道，以凸轮盘的对称轴为X轴，且向上为X轴正方向，凸轮盘最低点为原点O，以凸轮盘最低点的切线为Y轴，且向左为Y轴正方向，建立XY坐标系，凸轮轨道的左半部分随y增大各处的斜率增大；所述导轨一端固定在凸轮盘的最高点中心处，即D点，另一端固定在凸轮组安装区域的最低点位置的凸轮盘上，以导轨为对称轴将凸轮盘分成左右对称的两部分；在导轨上安装有滑块，所述横向支撑固定件沿横向支撑固定件的长度方向设有横向槽，凸轮盘插入该横向槽内，且横向支撑固定件中心与滑块固连，使横向支撑固定件呈垂直于导轨横向安装在凸轮盘上的状态，横向支撑固定件能沿着导轨上下移动；在横向支撑固定件的一侧与被动变刚度支撑件的一端固定连接，被动变刚度支撑件能和横向支撑固定件一起沿着导轨上下移动；所述被动变刚度支撑件的另一端与麦克纳姆轮固定连接，被动变刚度支撑件沿长度方向上设有同步带安装槽，在同步带安装槽内安装同步带；所述编码器通过编码器固定件固定在凸轮盘上，且编码器的轴上安装同步带轮，所述同步带轮位于同步带安装槽内，与同步带相配合；

所述凸轮盘上的凸轮轨道与横向支撑固定件相交的左右区域内均安装有凸轮，凸轮盘上的凸轮组安装区域与横向支撑固定件相交的左右区域内均安装有凸轮组，凸轮和凸轮组均间隙配合安装在横向支撑固定件的横向槽内；每个凸轮均与一个拉簧长固定件的一端连接，拉簧长固定件的另一端穿出横向支撑固定件，且位于横向支撑固定件的另一侧，左右的两个凸轮只能在凸轮轨道内沿着横向支撑固定件的横向移动；每个凸轮组均与一个凸轮组固定件的一端连接，凸轮组固定件的另一端位于横向支撑固定件的另一侧，每个在凸轮组固定件上均设有拉簧短固定件，在拉簧短固定件和相邻的拉簧长固定件之间安装拉簧；两个凸轮组固定件之间相邻的一端均固定安装有齿条；

在横向支撑固定件的另一侧通过电机安装座固定安装有直流伺服电机，所述电机安装座上设有槽口，直流伺服电机的输出轴连接齿轮，齿轮与两个齿条相互配合，且两个齿条以齿轮为中心呈上下状态被包裹在电机安装座的槽口内。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明主被动变刚度独立悬架支撑机构巧妙地运用了凸轮和拉簧，将主动变刚度和被动变刚度相结合(这里的变刚度均是机构的等效刚度的变化)，且体积紧凑，和其他单一的被动变刚度相比，能较大程度上提高被动适应的范围。被动变刚度部分，实现了被动变刚度弹性减震，不但可以防止冲击、碰撞等意外情况下对全向移动平台的损伤，使平台更加安全可靠，而且更有利于整车的平顺性能；主动变刚度部分可通过直流伺服电机旋转齿轮带动对称安装的的齿条相向或者相对移动，使得固定在两齿条的凸轮组固定件移动，带动固定在凸轮组固定件上的拉簧拉伸或者收缩，从而调节弹簧的预紧力；主动地调节拉簧的预紧力可以主动调节悬架的等效刚度，这样可以使得麦克纳姆轮全向移动平台机器人能够通过调整不同的等效刚度适应不同的外界环境及工作需求，增大了机器人的应用范围。

2)本发明机构是针对麦克纳姆轮全向移动平台而设计，但同样也可以用在其他车体上，麦克纳姆轮还可以用全向轮、球轮等代替，应用范围更广。

附图说明

图1为本发明一种主被动变刚度独立悬架支撑机构一种实施例的正面立体结构示意图；

图2为本发明一种主被动变刚度独立悬架支撑机构一种实施例的反面立体结构示意图；

图3为本发明一种主被动变刚度独立悬架支撑机构一种实施例的右视结构示意图；

图4为图3中A-A向(沿电机安装座中线)结构示意图；

图5为图3中B-B向(沿横向固定支撑件8中线)的结构示意图；

图6为图4中C-C向(沿凸轮轴线)的结构示意图；

图7为本发明一种主被动变刚度独立悬架支撑机构一种实施例的凸轮盘7的立体结构示意图；

图8为本发明中凸轮盘7上所建坐标系的示意图；

图9为本发明一种主被动变刚度独立悬架支撑机构整体在所建坐标系下的相对位置示意图；

图10为本发明一种主被动变刚度独立悬架支撑机构的被动变刚度曲线a的示意图；

图11为本发明一种主被动变刚度独立悬架支撑机构的主动变刚度曲线和被动变刚度曲线对比示意图；

图12为本发明一种主被动变刚度独立悬架支撑机构的被动变刚度部分的被动变刚度原理示意图；

图13为本发明一种主被动变刚度独立悬架支撑机构的主动变刚度部分的主动变刚度原理示意图。

图中：1麦克纳姆轮、2被动变刚度支撑件、3同步带、4横向支撑固定件加强件、5凸轮、6凸轮组、7凸轮盘、8横向支撑固定件、9编码器固定件、10编码器、11齿条、12拉簧长固定件、13拉簧、14拉簧短固定件、15凸轮组固定件、16滑块、17导轨、18电机安装座、19直流伺服电机、20同步带轮、21齿轮、701凸轮组安装区域、702凸轮轨道。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明。但本申请的权利要求保护范围不限于所述实施例的描述范围。

本发明主被动变刚度独立悬架支撑机构(简称机构，参见图1-4)包括导轨17、滑块16、横向支撑固定件8、凸轮盘7、凸轮5、被动变刚度支撑件2、编码器10、编码器固定件9、同步带3、同步带轮20、拉簧长固定件12、拉簧13、直流伺服电机19、电机安装座18、齿条11、齿轮21、拉簧短固定件14、凸轮组6和凸轮组固定件15；

所述凸轮盘7为轴对称图形，在凸轮盘7中心开有凸轮组安装区域701，在凸轮组6安装区域701外侧的凸轮盘7上开有凸轮轨道702，以凸轮盘7的对称轴为X轴，且向上为X轴正方向，凸轮盘7最低点为原点O，以凸轮盘7最低点的切线为Y轴，且向左为Y轴正方向，建立XY坐标系，凸轮轨道的左半部分随y增大各处的斜率增大(参见图7和图8)；所述导轨17一端固定在凸轮盘7的最高点中心处，即D点，另一端固定在凸轮组6安装区域的最低点位置的凸轮盘7上，以导轨17为对称轴将凸轮盘分成左右对称的两部分；在导轨17上安装有滑块16，所述横向支撑固定件8沿横向支撑固定件的长度方向设有横向槽，凸轮盘7插入该横向槽内，且横向支撑固定件8中心与滑块16固连，使横向支撑固定件8呈垂直于导轨17的状态，横向支撑固定件8能沿着导轨17上下移动；在横向支撑固定件8的一侧与被动变刚度支撑件2的一端固定连接，被动变刚度支撑件2能和横向支撑固定件8一起沿着导轨17上下移动；所述被动变刚度支撑件2的另一端与麦克纳姆轮1固定连接，被动变刚度支撑件2沿长度方向上设有同步带安装槽，在同步带安装槽内安装同步带3；所述编码器10通过编码器固定件9固定在凸轮盘7上，且编码器10的轴上安装同步带轮20，所述同步带轮20位于同步带安装槽内，与同步带3相配合，当被动变刚度支撑件2上下移动时，同步带3随之上下移动，同步带3带动同步带轮20转动，进而带动编码器10的轴转动，编码器10采集到的转动值乘以同步带轮20的直径便是被动变刚度支撑件2竖直方向的移动距离；

所述凸轮盘7上的凸轮轨道702与横向支撑固定件8相交的左右区域内均安装有凸轮5，凸轮盘7上的凸轮组安装区域701与横向支撑固定件8相交的左右区域内均安装有凸轮组6，凸轮5和凸轮组6均间隙配合安装在横向支撑固定件8的横向槽内；每个凸轮5均与一个拉簧长固定件12的一端连接，拉簧长固定件12的另一端穿出横向支撑固定件8；左右的两个凸轮5只能在凸轮轨道内沿着横向支撑固定件8的横向移动(参见图6)；每个凸轮组6均与一个凸轮组固定件15的一端连接，凸轮组固定件15位于横向支撑固定件8的外侧，每个在凸轮组固定件15上均设有拉簧短固定件14，在拉簧短固定件14和相邻的拉簧长固定件12之间安装拉簧13；两个凸轮组固定件15之间相邻的一端均固定安装有齿条11；

在横向支撑固定件8的另一侧通过电机安装座18固定安装有直流伺服电机19，所述电机安装座18上设有槽口，直流伺服电机19的输出轴连接齿轮21，齿轮21与两个齿条相互配合，且两个齿条以齿轮21为中心呈上下状态被包裹在电机安装座18的槽口内。

当直流伺服电机19通过齿轮21带动上下两侧的齿条11移动时，两侧的拉簧13就会移动，便可以改变左右两侧拉簧13的预紧力，进而主动地改变机构的等效刚度。

左右两侧的凸轮5分别与凸轮盘7上的凸轮轨道702的内侧相接触，通过拉簧13的拉力作用，两侧的凸轮5会分别紧紧地贴在凸轮盘7的凸轮轨道702上，并随着拉力的大小沿着凸轮轨道702的曲线移动，同时，固定在一起的横向支撑固定件8、被动变刚度支撑件2、麦克纳姆轮1等会随凸轮上下移动；凸轮轨道702的曲线两个对称点之间的距离，是随着对称点到凸轮盘底端的竖直方向的距离的增加而增加的，且增加的越来越快。

上述的导轨17、滑块16、横向支撑固定件8、凸轮盘7、凸轮5、被动变刚度支撑件2、编码器10、编码器固定件9、同步带3、同步带轮20、拉簧长固定件12和拉簧13构成被动变刚度部分，上述的直流伺服电机19、电机安装座18、齿条11、齿轮21、拉簧短固定件14、凸轮组6和凸轮组固定件15构成主动驱动变刚度部分，两个部分用于实现主、被动变刚度，使麦克纳姆式全向移动过程中能够更好地适应未知的环境，并增加其应用的广泛性。

本发明的进一步特征在于所述横向支撑固定件8的左右两端均安装有横向支撑固定件加强件4。

本发明的进一步特征在于所述凸轮组安装区域701为半圆形、矩形或与凸轮盘外形相同的结构，凸轮组安装区域701能够满足提供左右对称安装凸轮组的空间即可，为半圆形或凸轮盘外形相同的非圆曲面时，横向支撑固定件8在导轨17上不能运动到导轨的最低点，此时横向支撑固定件8运动的最低点为能容纳左右凸轮组6横向距离的最小值。

在图8中以凸轮盘7的最低点为原点O，以凸轮盘7的对称轴为X轴，以垂直于X轴的直线为Y轴建立坐标系，其中x是左右两侧的凸轮5与凸轮轨道702内侧相切的位置点到Y轴的距离，y是左侧的凸轮5与凸轮轨道702内侧相切的位置点的距离到凸轮盘7的对称轴的距离，因为凸轮是对称的，y是左右两侧凸轮5与凸轮轨道702内侧两个相切的位置点之间的距离的一半，所设计的非圆的凸轮盘轮廓线，使得左侧的凸轮5与凸轮轨道702内侧相切的位置点的距离y随着竖直方向的移动距离x的增加而增加，且增大的速度越来越快，即斜率越来越大。图9是整个机构在所建立的坐标系中的相对位置示意图，所建的坐标系和图8中的坐标系是一致的，其中F是两凸轮给横向支撑固定件8的合力，F的方向为X轴负方向。

在图10中，曲线a是两凸轮给横向支撑固定件8的合力F与竖直向上的移动距离x的变化曲线，即被动变刚度曲线，△x是X轴正方向(竖直向上)的移动距离的增加量，机构中两凸轮5给横向支撑固定件8的合力F沿X轴负方向的变化，当凸轮5位于可移动空间的最低点时，此时X轴的坐标为x0，且两凸轮5给横向支撑固定件8的合力F为0，拉簧13处于初始状态。

当X轴正方向(竖直向上)的移动距离增加△x，两凸轮给横向支撑固定件8的合力F增加△F，其中当△F和△x足够小时，△F和△x的比值为曲线a的斜率，曲线a的斜率即为等效刚度K，即K＝△F/△x，在图中随着x的增大斜率越来越大，该机构的被动刚度增加。即实现了随着变形越大，刚度越大的被动变刚度规律。

参见图12，一种主被动变刚度独立悬架支撑机构的被动变刚度部分的被动变刚度原理示意图，当麦克纳姆轮1受到冲击时，固定在一起的被动变刚度支撑件2、同步带3、和横向支撑固定件8会沿着导轨17竖直移动，这样会促使左右两侧的凸轮5沿着凸轮轨道702的内侧向上移动，并且随着横向支撑固定件8移动距离x的增大，两凸轮5给横向支撑固定件8的合力F(沿着X轴负方向)会增大去和和所受的冲击平衡，且随着x的增大，力F增大的越来越快，即刚度在增大。

参见图11，一种主被动变刚度独立悬架支撑机构的被动变刚度曲线和主动变刚度曲线对比示意图，图11中的主动变刚度曲线a和图10中的被动变刚度曲线a是相同的，两图中的坐标轴也是是相同的。主动变刚度曲线b是通过伺服驱动电机19调紧两侧拉簧13的预紧力得到的。曲线b也呈现和曲线a一样的规律，即随移动距离x的增加等效刚度越来越大，但等效刚度的变化速率和曲线a不一样。所以，通过改变伺服电机19改变拉簧13的预紧力，就可以得到具有不同等效刚度的变化速率曲线，即实现主动变刚度。

如图13所示，一种主被动变刚度独立悬架支撑机构的主动变刚度部分的主动变刚度原理示意图，当伺服电机19转动时，调节拉簧13的预紧力，便可以得到具有不同等效刚度的变化速率曲线，实现主动改变等效刚度的目的。

将本发明实例应用于麦克纳姆轮式全向移动平台，和四个麦克纳姆轮相配合。当平台行驶在不平地面上时，本发明机构会以轮子整体在竖直方向移动而刚度变化的被动变刚度方式，使得麦克纳姆轮的小辊子被动自适应地与地面贴合，实现与地面的有效接触，防止轮子出现打滑现象的目的，而且可以通过编码器的反馈，得知轮子整体上下的移动的情况。

在平台上安装震荡检测装置，检测车体的震荡情况，进而检测本发明机构主动变刚度的能力。通过主动调节此机构的等效刚度，调节全向移动平台的震荡情况，能使其在所行驶的路面上达到最佳的运动状态。这样增加了麦克纳姆轮式全向移动平台的适用范围，通过控制主动变刚度部分可以使得麦克纳姆轮式全向移动平台在多种不同的路面下自动调节成最佳运动状态。

本发明中所述的“上、下、左、右”等方位词是一个相对概念，以连接麦克纳姆轮的一端为下。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (3)

1.一种主被动变刚度独立悬架支撑机构，其特征在于该机构包括导轨、滑块、横向支撑固定件、凸轮盘、凸轮、被动变刚度支撑件、编码器、编码器固定件、同步带、同步带轮、拉簧长固定件、拉簧、直流伺服电机、电机安装座、齿条、齿轮、拉簧短固定件、凸轮组和凸轮组固定件；

所述凸轮盘为轴对称图形，在凸轮盘中心开有凸轮组安装区域，在凸轮组安装区域外侧的凸轮盘上开有凸轮轨道，以凸轮盘的对称轴为X轴，且向上为X轴正方向，凸轮盘最低点为原点O，以凸轮盘最低点的切线为Y轴，且向左为Y轴正方向，建立XY坐标系，凸轮轨道的左半部分随y增大各处的斜率增大；所述导轨一端固定在凸轮盘的最高点中心处，即D点，另一端固定在凸轮组安装区域的最低点位置的凸轮盘上，以导轨为对称轴将凸轮盘分成左右对称的两部分；在导轨上安装有滑块，所述横向支撑固定件沿横向支撑固定件的长度方向设有横向槽，凸轮盘插入该横向槽内，且横向支撑固定件中心与滑块固连，使横向支撑固定件呈垂直于导轨的状态，横向支撑固定件能沿着导轨上下移动；在横向支撑固定件的一侧与被动变刚度支撑件的一端固定连接，被动变刚度支撑件能和横向支撑固定件一起沿着导轨上下移动；所述被动变刚度支撑件的另一端与麦克纳姆轮固定连接，被动变刚度支撑件沿长度方向上设有同步带安装槽，在同步带安装槽内安装同步带；所述编码器通过编码器固定件固定在凸轮盘上，且编码器的轴上安装同步带轮，所述同步带轮位于同步带安装槽内，与同步带相配合；

所述凸轮盘上的凸轮轨道与横向支撑固定件相交的左右区域内均安装有凸轮，凸轮盘上的凸轮组安装区域与横向支撑固定件相交的左右区域内均安装有凸轮组，凸轮和凸轮组均间隙配合安装在横向支撑固定件的横向槽内；每个凸轮均与一个拉簧长固定件的一端连接，拉簧长固定件的另一端穿出横向支撑固定件；左右的两个凸轮只能在凸轮轨道内沿着横向支撑固定件的横向移动；每个凸轮组均与一个凸轮组固定件的一端连接，凸轮组固定件的另一端位于横向支撑固定件的外侧，每个在凸轮组固定件上均设有拉簧短固定件，在拉簧短固定件和相邻的拉簧长固定件之间安装拉簧；两个凸轮组固定件之间相邻的一端均固定安装有齿条；

在横向支撑固定件的另一侧通过电机安装座固定安装有直流伺服电机，所述电机安装座上设有槽口，直流伺服电机的输出轴连接齿轮，齿轮与两个齿条相互配合，且两个齿条以齿轮为中心呈上下状态被包裹在电机安装座的槽口内。

2.根据权利要求1所述的主被动变刚度独立悬架支撑机构，其特征在于所述横向支撑固定件的左右两端均安装有横向支撑固定件加强件。

3.根据权利要求1所述的主被动变刚度独立悬架支撑机构，其特征在于所述凸轮组安装区域为半圆形、矩形或与凸轮盘外形相同的结构。