CN107856754B - 一种基于谐波减速器的变形移动车体装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于谐波减速器的变形移动车体装置，该移动车体装置两侧设有轮腿结构，车轮通过全密封的轮毂驱动单元安装在所述轮腿的末端，且所述轮毂驱动单元驱动车轮转动。本发明采用的传动装置有利于整个设备的小型化设计，同时对恶劣环境的适应性较高，能够顺利自如的穿过复杂地形、越过障碍，防止车体发生倾覆，适宜在极地等极端环境下使用。

Description

一种基于谐波减速器的变形移动车体装置

技术领域

本发明涉及无人车技术领域，尤其涉及一种基于谐波减速器的变形移动车体装置。

背景技术

近年来，世界各国纷纷采用移动机器人替代人类开展极地极端恶劣环境下的科学考察工作，但是由于冰雪面对行走机构的严重阻滞，大大增加了移动机器人行走机构的功耗，从而需要携带更多的能源，才能完成有限的移动范围和作业任务。然而，在极地极端恶劣环境下，代替人类在更广阔的范围和更长的时间周期内获取科研数据，对研究极地科学和全球气候变化具有重要的科学意义，为此，长航程甚至无限续航的移动机器人成为当前研究热点。

极地环境下风能和太阳能的利用成为极地“无限续航”移动机器人的关键技术之一。南极的实测数据表明每年大风天气达到了171天，而降水天数为150天，表明在南极大陆强大下沉气团的作用下，地表蕴藏巨大的风能资源，而恶劣的雨雪天气，又增加了获取风能的技术难度。尽管南极大陆处于高纬度，太阳能的能量密度较低，但是由于极昼的存在，太阳能电池仍然有可能获得低水平但是不间断的电力输出，这可以为某些低功耗的传感和通讯设备提供长时间工作的能源。显然，由于特殊的环境，风能和太阳能这两种再生能源在极地可能呈现完全不同的特征，为野外移动机器人的能源系统提供新颖的设计思路。

极地科学研究在南北极考察中占有重要地位，但由于极地特殊的地理环境造成的观测数据和分析样品匮乏,使得近年来各国纷纷采用移动机器人替代人类开展极地极端恶劣环境下的科学考察工作。

现有的无人车或移动机器人在极地的恶劣环境下极易产生两种情况：1、极地的环境复杂多变，移动机器人经常因路面复杂而无法前行或发生倾覆而出现故障；2、极地的环境及其恶劣，常规的车轮及传动部件很容易发生损坏，而为了防止损坏设计的相关部件质量体积往往较大，不利于移动机器人机动灵活性。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于谐波减速器的变形移动车体装置，用以解决现有设备不利于极地等恶劣环境使用的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种基于谐波减速器的变形移动车体装置，该移动车体装置两侧设有轮腿结构，车轮通过全密封的轮毂驱动单元安装在轮腿的末端，且轮毂驱动单元驱动车轮转动。

轮毂驱动单元包括：轮毂电机，传动装置，车轮安装盘；

轮毂电机和传动装置分别安装在轮腿的两侧，并通过膜片式联轴器连接；传动装置的输出轴与车轮安装盘固定连接，车轮安装在车轮安装盘上；轮毂电机采用无刷电机。

传动装置包括：轮毂外壳，轮毂传动轴，轮毂安装盘，传动部件；

轮毂传动轴穿出轮毂外壳，并与车轮安装盘固定连接；轮毂安装盘与轮腿固定连接；

轮毂外壳与轮毂安装盘固定连接，轮毂传动轴与轮毂外壳之间、高速轴与轮毂安装盘之间，均设有环形密封圈，轮毂外壳与轮毂安装盘形成密封的润滑腔，传动部件均安装在润滑腔内；

润滑腔内填充有润滑油，轮毂外壳上设有注油嘴，用来向润滑腔内注入润滑油；

轮毂安装盘为环形盘，盘面与轮腿通过螺钉连接，外缘与轮毂外壳通过螺钉连接。

传动部件包括：高速轴，减速器输出安装盘，谐波减速器，轮毂传动轴；

谐波减速器通过减速器输出安装盘和轮毂安装盘进行轴向定位，谐波减速器的钢轮包括输入钢轮和输出钢轮，输入钢轮与轮毂安装盘连接固定，输出钢轮与减速器输出安装盘连接固定；

高速轴的一端通过膜片式联轴器与轮毂电机的输出轴连接，另一端与谐波减速器的谐波产生器连接；

轮毂传动轴的一端与减速器输出安装盘连接，另一端与车轮安装盘连接；

减速器输出安装盘为圆形盘，盘面的靠外的部分与输出钢轮通过螺钉连接，中央部分通过螺钉与轮毂传动轴连接；减速器输出安装盘靠近轮毂传动轴一侧设有环形凸台，并与轮毂传动轴通过连接键条连接。

深沟球轴承与轮毂安装盘连接；轮毂传动轴通过推力轴承和深沟球轴承的组合轴承与轮毂外壳连接。

轮毂外壳为变径的桶状结构，变径部分为锥面，轮毂传动轴穿过轮毂外壳直径较小的部分，谐波减速器、减速器输出安装盘均设置在轮毂外壳直径较大的部分；轮毂外壳变径部分外侧和直径较小的部分外侧设有至少三个加强板，加强板使轮毂外壳变径部分外侧和直径较小的部分外侧形成圆锥形；

轮毂外壳采用6061铝合金制成；轮毂安装盘、减速器输出安装盘均采用7075铝合金或钢材料制成；

谐波减速器的减速比为200：1。

移动车体装置的车体框架为长方形，每条长边上设有数量相同的至少一组轮腿，且两条长边上的轮腿的位置相互对应。

轮腿包括：两根主杆，两根副杆，一根滑动杆，一根电推杆；

两根主杆的顶端铰接，并与车体框架铰接，末端安装有轮毂驱动单元，其中一条主杆的中部设有支撑座；两根副杆的顶端铰接，末端分别与一根主杆的中部铰接；滑动杆下端与车体框架铰接，且主体部分设有滑槽，滑槽内设有滑块；电推杆的伸缩端、两根副杆铰接处均与滑块铰接；电推杆的非伸缩端与支撑座铰接；电推杆、支撑座、设有支撑座的主杆、与设有支撑座的主杆铰接的副杆，形成四连杆结构。

位置对应的轮腿各自的滑动杆的上端，分别通过一根平衡拉杆与平衡摆杆的两端铰接；

平衡拉杆与平衡摆杆之间、平衡拉杆与滑动杆之间，均通过万向节连接；

平衡摆杆的中央与车体框架铰接，并可以在平行于车体框架的面内旋转。

每个轮毂驱动单元均单独控制与该轮毂驱动单元连接的车轮转动，且每个轮毂驱动单元的控制过程互不干扰；

车体框架上可以安装风能和光能的采集发电设备。

本发明有益效果如下：

1、本发明采用了密封的传动装置，防止在恶劣环境下杂物进入传动结构，使传动部件发生损坏，而且通过喷油嘴可以认为主动添加润滑油，也可机器人自主电机润滑油，保证内部传动部件的良好运转，延长了移动机器人的使用寿命

2、本发明使用谐波减速器对电机进行减速输出，保证了车轮能够获得足够大的力矩来驱动，而且相较传统的齿轮传动减速，占用的空间和自身的质量都明显减小，有利于整个移动机器人的小型化，对于同样大小的机器人，也可使机器人的有效负载增加，驱动能源的需求降低；

3、本发明通过轮腿的设计，可以使得移动机器人在遇到复杂地形、障碍物等情况下，能都自主或被动的适应性调整车体的姿态，使得行驶的过程更加稳定，不易发生侧翻等情况，提高了移动机器人对环境的适应性；

4、本发明中每个车轮均通过轮毂驱动单元单独控制，可以根据不同的行驶状态或路面情况，各自调整对应车轮的转向、转速，使移动机器人实现不同路线的行驶以及障碍物的翻越或躲避。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为一种基于谐波减速器的变形移动车体装置的整体结构示意图；

图2为一种基于谐波减速器的变形移动车体装置调整姿态后的结构示意图；

图3为一种基于谐波减速器的变形移动车体装置的轮毂驱动单元的剖视图；

图4为一种基于谐波减速器的变形移动车体装置的轮毂驱动单元和轮腿连接示意图；

图5为一种基于谐波减速器的变形移动车体装置的轮毂驱动单元和轮腿连接的立体图；

图6为一种基于谐波减速器的变形移动车体装置的轮毂驱动单元为安装轮毂外壳时和轮腿连接的立体图；

图7为一种基于谐波减速器的变形移动车体装置转弯的示意图；

图8为一种基于谐波减速器的变形移动车体装置转向的示意图；

图中：1-电推杆、2-副杆、3-滑动杆、4-平衡拉杆、5-平衡摆杆、6-车体框架、7-车轮、8-主杆、9-轮毂驱动单元、10-轮毂电机、11-膜片式联轴器、12-高速轴、13-轮毂安装盘、14-输入钢轮、15-输出钢轮、16-轮毂外壳、17-车轮安装盘、18-轮毂传动轴、19、减速器输出安装盘、20-谐波产生器。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

如图1所示，一种基于谐波减速器的变形移动车体装置，该移动车体装置两侧设有轮腿结构，车轮7通过全密封的轮毂驱动单元9安装在轮腿的末端，且轮毂驱动单元9驱动车轮7转动。密封的驱动单元能够防止在恶劣环境下杂物进入传动结构，使传动部件发生损坏。

如图4、图5所示，轮毂驱动单元9包括：轮毂电机10，传动装置，车轮安装盘17；

轮毂电机10和传动装置分别安装在轮腿的两侧，并通过膜片式联轴器11连接由于轮毂电机10和传动装置中的谐波减速器的尺寸都较大，二者无法直接相连，故通过联轴器连接，并安装于轮腿的两侧，保证了轮毂驱动单元9的与轮腿安装的重量平衡，防止轮毂驱动单元9因轮腿和车轮7重力产生的弯矩过大而影响使用寿命；

传动装置的输出轴与车轮安装盘17固定连接，车轮7安装在车轮安装盘17上；轮毂电机10采用无刷电机。

如图3、图5、图6所示，传动装置包括：轮毂外壳16，轮毂传动轴18，轮毂安装盘13，传动部件；

轮毂传动轴18穿出轮毂外壳16，并与车轮安装盘17固定连接；轮毂安装盘13与轮腿固定连接；

轮毂外壳16与轮毂安装盘13固定连接，轮毂传动轴18与轮毂外壳16之间、高速轴12与轮毂安装盘13之间，均设有环形密封圈，轮毂外壳16与轮毂安装盘13形成密封的润滑腔，传动部件均安装在润滑腔内；

润滑腔内填充有润滑油，轮毂外壳16上设有注油嘴，用来向润滑腔内注入润滑油。

传动装置内部的密封的润滑腔能够防止恶劣环境下的杂物进入传动装置，同时充满润滑油防止传动装置内的精密传动部件因磨损二发生损坏，注油嘴的设计可以保证润滑腔内始终充满润滑油，即使一些特殊情况下润滑油泄漏，也可以通过注油嘴即使补充。

轮毂安装盘13为环形盘，盘面与轮腿通过螺钉连接，外缘与轮毂外壳16通过螺钉连接。

如图3、图4所示，传动部件包括：高速轴12，减速器输出安装盘19，谐波减速器；

谐波减速器通过减速器输出安装盘19和轮毂安装盘13进行轴向定位，谐波减速器的钢轮包括输入钢轮14和输出钢轮15，输入钢轮14与轮毂安装盘13连接固定，输出钢轮15与减速器输出安装盘19连接固定；

高速轴12的一端通过膜片式联轴器11与轮毂电机10的输出轴连接，另一端与谐波减速器的谐波产生器20连接；

轮毂传动轴18的一端与减速器输出安装盘19连接，另一端与车轮安装盘17连接；

减速器输出安装盘19为圆形盘，盘面的靠外的部分与输出钢轮15通过螺钉连接，中央部分通过螺钉与轮毂传动轴18连接；减速器输出安装盘19靠近轮毂传动轴18一侧设有环形凸台，并与轮毂传动轴18通过连接键条连接。

使用谐波减速器对轮毂电机10的输出进行减速并调整输出力矩，相较齿轮减速传动：在相同尺寸下谐波减速器的输出力矩更大，因此相同尺寸的移动机器人，使用谐波减速器的话能够具有更大的驱动力矩，爬坡性能、越过障碍的性能大大提高；相同力矩的情况下，由于使用谐波减速器，移动机器人的尺寸、重量都明显减小，增加了移动机器人的机动性。

如图3所示，深沟球轴承与轮毂安装盘13连接；轮毂传动轴18通过推力轴承和深沟球轴承的组合轴承与轮毂外壳16连接，能够有效的保证转动部件轴向的紧凑性，防止谐波减速器产生轴向变形。

如图3，图4所示，轮毂外壳16为变径的桶状结构，变径部分为锥面，轮毂传动轴18穿过轮毂外壳16直径较小的部分，谐波减速器、减速器输出安装盘19均设置在轮毂外壳16直径较大的部分；轮毂外壳16变径部分外侧和直径较小的部分外侧设有至少三个加强板，加强板使轮毂外壳16变径部分外侧和直径较小的部分外侧形成圆锥形；

轮毂外壳16，作为大尺寸零件需要较强的抗弯能力，采用6061铝合金制成；轮毂安装盘13、减速器输出安装盘19需要保证良好的刚性，均采用7075铝合金或钢材料制成；

谐波减速器的减速比为200：1，减速比小于该比例时，将谐波减速器减速后输出的力矩不满足驱动移动机器人的力矩要求，而大于该比例时，虽然输出力矩满足了需求，但是移动速度会明显变慢。

移动车体装置的车体框架6为长方形，每条长边上设有数量相同的至少一组轮腿，且两条长边上的轮腿的位置相互对应。

如图1、图2所示，轮腿包括：两根主杆8，两根副杆2，一根滑动杆3，一根电推杆1；

两根主杆8的顶端铰接，并与车体框架6铰接，末端安装有轮毂驱动单元9，其中一条主杆8的中部设有支撑座；两根副杆2的顶端铰接，末端分别与一根主杆8的中部铰接；滑动杆3下端与车体框架6铰接，且主体部分设有滑槽，滑槽内设有滑块；电推杆1的伸缩端、两根副杆2铰接处均与滑块铰接；电推杆1的非伸缩端与支撑座铰接；电推杆1、支撑座、设有支撑座的主杆8、与设有支撑座的主杆8铰接的副杆2，形成四连杆结构。

轮腿的四连杆结构能够通过电推杆1来主动调整轮腿的姿态，来翻越障碍物或适应复杂路面，保持车体框架6的平稳，防止倾覆。

如图1、图2所示，位置对应的轮腿各自的滑动杆3的上端，分别通过一根平衡拉杆4与平衡摆杆5的两端铰接；

平衡拉杆4与平衡摆杆5之间、平衡拉杆4与滑动杆3之间，均通过万向节连接；

平衡摆杆5的中央与车体框架6铰接，并可以在平行于车体框架6的面内旋转。

通过平衡摆杆5，可以被动的调整轮腿的姿态，以适应复杂路面，保持车体框架6的平稳，防止倾覆。

每个轮毂驱动单元9均单独控制与该轮毂驱动单元9连接的车轮7转动，且每个轮毂驱动单元9的控制过程互不干扰。如图7、图8所示，图中车轮7上的箭头表示车轮7速度大小，车体上的箭头表示车体的移动方向，通过单独控制车轮7的转向和转速，可以使移动机器人能够主动调整行进路线，包括转弯、转向，或者翻越障碍物；

车体框架6上可以安装风能和光能的采集发电设备。

综上所述，本发明实施例提供了一种基于谐波减速器的变形移动车体装置，本发明采用了密封的传动装置，防止在恶劣环境下杂物进入传动结构，使传动部件发生损坏，而且通过喷油嘴可以认为主动添加润滑油，也可机器人自主电机润滑油，保证内部传动部件的良好运转，延长了移动机器人的使用寿命；本发明使用谐波减速器对电机进行减速输出，保证了车轮能够获得足够大的力矩来驱动，而且相较传统的齿轮传动减速，占用的空间和自身的质量都明显减小，有利于整个移动机器人的小型化，对于同样大小的机器人，也可使机器人的有效负载增加，驱动能源的需求降低；本发明通过轮腿的设计，可以使得移动机器人在遇到复杂地形、障碍物等情况下，能都自主或被动的适应性调整车体的姿态，使得行驶的过程更加稳定，不易发生侧翻等情况，提高了移动机器人对环境的适应性；本发明中每个车轮均通过轮毂驱动单元单独控制，可以根据不同的行驶状态或路面情况，各自调整对应车轮的转向、转速，使移动机器人实现不同路线的行驶以及障碍物的翻越或躲避。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于谐波减速器的变形移动车体装置，其特征在于，所述移动车体装置两侧设有轮腿结构，车轮(7)通过全密封的轮毂驱动单元(9)安装在所述轮腿的末端，且所述轮毂驱动单元(9)驱动车轮(7)转动；所述轮毂驱动单元(9)包括：轮毂电机(10)，传动装置，车轮安装盘(17)；

所述轮毂电机(10)和传动装置分别安装在所述轮腿的两侧，并通过膜片式联轴器(11)连接；所述传动装置的输出轴与所述车轮安装盘(17)固定连接，所述车轮(7)安装在所述车轮安装盘(17)上；所述轮毂电机(10)采用无刷电机；所述传动装置包括：轮毂外壳(16)，轮毂传动轴(18)，轮毂安装盘(13)，传动部件；

所述轮毂传动轴(18)穿出所述轮毂外壳(16)，并与所述车轮安装盘(17)固定连接；所述轮毂安装盘(13)与所述轮腿固定连接；

所述轮毂外壳(16)与轮毂安装盘(13)固定连接，所述轮毂传动轴(18)与轮毂外壳(16)之间、高速轴(12)与轮毂安装盘(13)之间，均设有环形密封圈，所述轮毂外壳(16)与轮毂安装盘(13)形成密封的润滑腔，所述传动部件均安装在所述润滑腔内；

所述润滑腔内填充有润滑油，所述轮毂外壳(16)上设有注油嘴，用来向所述润滑腔内注入润滑油；

所述轮毂安装盘(13)为环形盘，盘面与所述轮腿通过螺钉连接，外缘与所述轮毂外壳(16)通过螺钉连接；所述传动部件包括：高速轴(12)，减速器输出安装盘(19)，谐波减速器；

所述谐波减速器通过所述减速器输出安装盘(19)和轮毂安装盘(13)进行轴向定位，所述谐波减速器的钢轮包括输入钢轮(14)和输出钢轮(15)，所述输入钢轮(14)与轮毂安装盘(13)连接固定，所述输出钢轮(15)与减速器输出安装盘(19)连接固定；

所述高速轴(12)的一端通过所述膜片式联轴器(11)与所述轮毂电机(10)的输出轴连接，另一端与所述谐波减速器的谐波产生器(20)连接；

所述轮毂传动轴(18)的一端与所述减速器输出安装盘(19)连接，另一端与所述车轮安装盘(17)连接；

所述减速器输出安装盘(19)为圆形盘，盘面的靠外的部分与所述输出钢轮(15)通过螺钉连接，中央部分通过螺钉与所述轮毂传动轴(18)连接；所述减速器输出安装盘(19)靠近所述轮毂传动轴(18)一侧设有环形凸台，并与所述轮毂传动轴(18)通过连接键条连接。

2.根据权利要求1所述的移动车体装置，其特征在于，所述轮毂传动轴(18)通过推力轴承和深沟球轴承的组合轴承与所述轮毂外壳(16)连接；所述深沟球轴承与所述轮毂安装盘(13)连接。

3.根据权利要求2所述的移动车体装置，其特征在于，所述轮毂外壳(16)为变径的桶状结构，变径部分为锥面，所述轮毂传动轴(18)穿过所述轮毂外壳(16)直径较小的部分，所述谐波减速器、减速器输出安装盘(19)均设置在所述轮毂外壳(16)直径较大的部分；所述轮毂外壳(16)变径部分外侧和直径较小的部分外侧设有至少三个加强板，所述加强板使所述轮毂外壳(16)变径部分外侧和直径较小的部分外侧形成圆锥形；

所述轮毂外壳(16)采用6061铝合金制成；所述轮毂安装盘(13)、减速器输出安装盘(19)均采用7075铝合金或钢材料制成；

所述谐波减速器的减速比为200：1。

4.根据权利要求1至3任一项所述的移动车体装置，其特征在于，所述移动车体装置的车体框架(6)为长方形，每条长边上设有数量相同的至少一组所述轮腿，且两条长边上的所述轮腿的位置相互对应。

5.根据权利要求4所述的移动车体装置，其特征在于，所述轮腿包括：两根主杆(8)，两根副杆(2)，一根滑动杆(3)，一根电推杆(1)；

所述两根主杆(8)的顶端铰接，并与所述车体框架(6)铰接，末端安装有所述轮毂驱动单元(9)，其中一条所述主杆(8)的中部设有支撑座；所述两根副杆(2)的顶端铰接，末端分别与一根主杆(8)的中部铰接；所述滑动杆(3)下端与所述车体框架(6)铰接，且主体部分设有滑槽，所述滑槽内设有滑块；所述电推杆(1)的伸缩端、所述两根副杆(2)铰接处均与所述滑块铰接；所述电推杆(1)的非伸缩端与所述支撑座铰接；所述电推杆(1)、支撑座、设有支撑座的主杆(8)、与设有支撑座的主杆(8)铰接的副杆(2)，形成四连杆结构。

6.根据权利要求5所述的移动车体装置，其特征在于，位置对应的所述轮腿各自的滑动杆(3)的上端，分别通过一根平衡拉杆(4)与平衡摆杆(5)的两端铰接；

所述平衡拉杆(4)与平衡摆杆(5)之间、所述平衡拉杆(4)与滑动杆(3)之间，均通过万向节连接；

所述平衡摆杆(5)的中央与所述车体框架(6)铰接，并能够在平行于车体框架(6)的面内旋转。

7.根据权利要求6所述的移动车体装置，其特征在于，每个所述轮毂驱动单元(9)均单独控制与该轮毂驱动单元(9)连接的车轮(7)转动，且每个所述轮毂驱动单元(9)的控制过程互不干扰；

所述车体框架(6)上能够安装风能和光能的采集发电设备。