CN108001553B - 单动力双步态爬行六杆机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单动力双步态爬行六杆机构，具体涉及一种以线对称Bricard机构为基础构型，通过杆件的转动来实现机构的移动。单动力爬行六杆机构为单闭链，由带圆弧机架杆，电机座，电机，法兰联轴器，驱动杆，驱动杆转动轴，第一传动杆，第一传动杆转动轴，第二传动杆，第二传动杆转动轴，第三传动杆，第三传动杆转动轴，第四传动杆，第四传动杆转动轴，轴承座和配重构成；杆件与杆件之间通过轴线互相垂直的转动副连接，通过一个电机来带动机构运动，主要依靠第二传动杆和带圆弧机架杆与地面的接触，产生直行或者转向的摩擦力从而实现整个机构的移动。该机构结构简单，成本低廉，易于制造和控制。在民用领域，可用于制作教学教具、益智产品，在军用领域，也可进一步设计改造为地形探测、物资运输、排雷机器人等。
Description
技术领域
本发明涉及一种单动力双步态爬行六杆机构，具体涉及一种以线对称Bricard为基础构型，机构为单自由度，用轴线相互垂直的转动副将各杆相连，；可通过特殊杆件的运动来带动整体机构移动，以适应不同运动环境及探测工作要求。
背景技术
线对称Bricard机构，是典型的单闭链空间六杆机构，具有六个转动副。该线对称Bricard机构只有一个自由度，仅需要一个电机即可以驱动。由于该机构的结构和运动特点，在日常生活中的各个领域都有很广泛的应用，例如费斯托公司的斯马特翻飞器(SmartInversion)，利用空气推动自身不断地使自身向外翻转。线对称Bricard机构具有结构简单，成本低廉，单电机控制系统简单，可靠性高的特点。
中国专利申请CN 103231750A公开了一种单动力滚动球面四杆机构。该机构包括四个连杆，由七个转接头连接成一个闭合的球面机构，结构简单，具有一定的运动能力。但是该机构运动路线为一个圆弧，运动单一，越障能力低。
中国专利申请CN 103407507A公开了一种单动力爬行六杆机构，以空间六杆机构为基础的，通过部件的翻转来实现整体移动的单动力爬行六杆机构。杆件之间通过转动副相连。但该机构变形能力单一，运动能力较低，克服复杂地形障碍的能力较弱。
发明内容
本发明要解决的问题是线对称Bricard机构多用于空间折展，而没有应用到移动机器人方向，本发明提供一种单自由度六杆移动机器人构型移动方案，该机器人能够利用特定杆件与地面产生的摩擦力，来实现机器人的定向移动和定向转动。
本发明的技术方案：
一种单动力双步态爬行六杆机构为单闭链机构，由电机座，电机，法兰联轴器，驱动杆，驱动杆转动轴，第一传动杆，第一传动杆转动轴，第二传动杆，第二传动杆转动轴，第三传动杆，第三传动杆转动轴，第四传动杆，第四传动杆转动轴，轴承座，配重和圆弧机架杆构成；
构成机构的零件结构及连接方式：
所述的驱动杆为“凸”形状，驱动杆一端制成凸台(4-a)，凸台中间设有一个通孔，在驱动杆中间，与凸台(4-a)通孔轴线相同方向挖出凹槽(4-b)，凹槽(4-b)四周倒圆角，在驱动杆另一端设有两个螺纹孔(4-c)和一个通孔(4-d)，两个螺纹孔(4-c)和一个通孔(4-d)的轴线和凸台(4-a)上的通孔轴线互相垂直；
所述的驱动杆转动轴，在轴一端制成凸台(5-a)，另一端设有螺纹(5-b)；驱动杆转动轴和第一传动杆转动轴，第二传动杆转动轴，第四传动杆转动轴结构相同，尺寸不同；与第三传动杆转动轴结构和尺寸相同；
所述的第一传动杆为“凹”形状，在第一传动杆一端制成两个凸台(6-a)和(6-b)，在凸台(6-a)和(6-b)上分别制成阶梯孔，在第一传动杆中间，与凸台(6-a)和(6-b)上的阶梯孔轴线垂直方向挖出凹槽(6-c)，凹槽(6-c)四周倒圆角，在第一传动杆另一端设有设有两个阶梯孔(6-d)和(6-e)，阶梯孔(6-d)和(6-e)的轴线与凸台(6-a)和(6-b)上的阶梯孔轴线互相垂直；第一传动杆与第三传动杆的结构和尺寸相同；
所述的第二传动杆为圆弧形状，圆弧弧度为90°；在第二传动杆一端制成一个小平台(8-a)，在这个平台上设有一个通孔，在另一端制成一个小平台(8-b)，在这个平台上设有一个通孔，两个通孔轴线在两轴线所形成的平面内垂直相交；
所述的第四传动杆为“凸”形状，第四传动杆一端制成凸台(12-a)，凸台中间设有一个通孔，在第四传动杆中间，与凸台轴线相同方向挖出凹槽(12-b)，凹槽(12-b)四周倒圆角，在第四传动杆另一端设有一个通孔(12-c)，通孔(12-c)的轴线和凸台(12-a)上的通孔轴线互相垂直；
所述的带圆弧机架杆为轴对称形状，在带圆弧机架杆一端设有凸台(16-a)，在凸台(16-a)上设有四个螺纹孔。在(16-b)、(16-c)和(16-d)处将带圆弧机架杆进行圆弧化过渡，在带圆弧机架杆另一端设有凸台(16-e)，在凸台(16-e)上设有六个螺纹孔；
电机通过螺丝连接固定在电机座上，电机座用螺丝固定在带圆弧机架杆的凸台(16-a)上；法兰联轴器中心孔与驱动杆的通孔(4-d)对齐，法兰联轴器大端上的小孔与驱动杆的两个螺纹孔(4-c)对齐，用螺钉将法兰联轴器固定在驱动杆上；法兰联轴器小端安装在电机的电机轴上，通过顶丝将两者固定；法兰联轴器与驱动杆和电机的装配顺序应按照上述顺序进行；
分别将四个轴承以过盈配合的方式安装在第一传动杆的(6-a)、(6-b)、(6-d)和(6-e)端的阶梯孔的大孔中；将驱动杆的凸台(4-a)安装到第一传动杆的两个凸台(6-a)和(6-b)中间，驱动杆凸台(4-a)的通孔对齐第一传动杆的两个凸台(6-a)和(6-b)的阶梯孔，第一传动杆转动轴(7)按顺序穿过安装在第一传动杆的(6-a)端的轴承、驱动杆凸台(4-a)上的通孔和安装在第一传动杆的(6-b)端的轴承，并通过防松螺母进行轴向固定；
将第二传动杆的(8-a)端的通孔对齐第一传动杆的(6-d)和(6-e)端的阶梯孔；第二传动杆转动轴按顺序穿过安装在第一传动杆的(6-e)端的轴承、安装在第一传动杆的(6-d)端的轴承和第二传动杆的(8-a)端的通孔，并通过防松螺母进行轴向固定；
分别将四个轴承以过盈配合的方式安装在第三传动杆的(10-a)、(10-b)、(10-d)和(10-e)端的阶梯孔的大孔中；将第二传动杆的(8-b)端的通孔对齐第三传动杆的(10-d)和(10-e)端的阶梯孔；第二传动杆转动轴按顺序穿过安装在第三传动杆的(10-e)端的轴承、安装在第三传动杆的(10-d)端的轴承和第二传动杆的(8-b)端的通孔，并通过防松螺母进行轴向固定；
将第四传动杆的凸台(12-a)安装到第三传动杆的两个凸台(10-a)和(10-b)中间，第四传动杆的凸台(12-a)的通孔对齐第三传动杆的两个凸台(10-a)和(10-b)的阶梯孔，第三传动杆转动轴按顺序穿过安装在第三传动杆的(10-a)端的轴承、第四传动杆的凸台(12-a)上的通孔和安装在第三传动杆的(10-b)端的轴承，并通过防松螺母进行轴向固定；
轴承座通过螺丝连接固定在带圆弧机架杆的凸台(16-b)上；配重通过螺丝连接固定在带圆弧机架杆的凸台(16-b)上；第四传动杆的通孔(12-c)对齐轴承座的轴承孔，第四传动杆转动轴以过盈配合的方式，按顺序穿过轴承座的轴承孔、第四传动杆的通孔(12-c)，并通过防松螺母进行轴向固定；
带圆弧机架杆和第二传动杆为圆弧设计，减少机构运动时与地面的摩擦力，整个机构质心波动小；
本发明的有益效果：本发明所述的一种单动力爬行六杆机构为单一自由度，通过对于原动件的控制，来使该机构实现移动的功能，具有一定的适应复杂路面的能力；该机构结构简单，成本低廉，易于制造和控制。在民用领域，可用于制作教学教具、益智产品，在军用领域，也可进一步设计改造为地形探测、物资运输、排雷机器人等。
附图说明
图1单动力双步态爬行六杆机构装配原理图；
图2驱动杆结构图；
图3驱动杆转动轴结构图；
图4第一传动杆结构图；
图5第二传动杆结构图；
图6第三传动杆结构图；
图7第四传动杆结构图；
图8圆弧机架杆结构图；
图9电机、法兰联轴器和驱动杆连接结构图；
图10驱动杆与第一传动杆之间转动副结构图；
图11第一传动杆与第二传动杆之间转动副结构图；
图11第一传动杆与第二传动杆之间转动副结构图；
图12第三传动杆与第四传动之间转动副结构图；
图13第四传动、轴承座与圆弧机架杆之间转动副结构图；
图14单动力双步态爬行六杆机构直线移动示意图；
图15单动力双步态爬行六杆机构转弯移动示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，单动力双步态爬行六杆机构为单自由度单闭链机构，由电机座(1)，电机(2)，法兰联轴器(3)，驱动杆(4)，驱动杆转动轴(5)，第一传动杆(6)，第一传动杆转动轴(7)，第二传动杆(8)，第二传动杆转动轴(9)，第三传动杆(10)，第三传动杆转动轴(11)，第四传动杆(12)，第四传动杆转动轴(13)，轴承座(14)，配重(15)和圆弧机架杆(16)构成；
如图2所示，所述的驱动杆(4)为“凸”形状，驱动杆(4)一端制成凸台(4-a)，凸台(4-a)中间设有一个通孔，在驱动杆(4)中间，与凸台通孔轴线相同方向挖出凹槽(4-b)，凹槽(4-b)四周倒圆角，在驱动杆(4)另一端设有两个螺纹孔(4-c)和一个通孔(4-d)，两个螺纹孔(4-c)和一个通孔(4-d)的轴线和凸台(4-a)上的通孔轴线互相垂直；
如图3所示，所述的驱动杆转动轴(5)，在轴一端制成凸台(5-a)，另一端设有螺纹(5-b)；驱动杆转动轴(5)和第一传动杆转动轴(7)，第二传动杆转动轴(9)，第四传动杆转动轴(13)结构相同，尺寸不同；第三传动杆转动轴(11)与驱动杆转动轴(5)结构和尺寸相同；
如图4所示，所述的第一传动杆(6)为“凹”形状，在第一传动杆(6)一端制成两个凸台(6-a)和(6-b)，在凸台(6-a)和(6-b)上分别制成阶梯孔，在第一传动杆(6)中间，与阶梯孔轴线垂直方向挖出凹槽(6-c)，凹槽(6-c)四周倒圆角，在第一传动杆(6)另一端设有设有两个阶梯孔(6-d)和(6-e)，阶梯孔(6-d)和(6-e)的轴线与凸台(6-a)和(6-b)上的阶梯孔轴线互相垂直；第一传动杆(6)与第三传动杆(10)的结构和尺寸相同；
图5所示，所述的第二传动杆(8)为圆弧形状，圆弧弧度为90°；在第二传动杆(8)一端制成一个小平台(8-a)，在这个平台(8-a)上设有一个通孔，在另一端制成一个小平台(8-b)，在这个平台(8-b)上设有一个通孔，两个通孔轴线在两轴线所形成的平面内垂直相交；
如图6所示，所述的第四传动杆(12)为“凸”形状，第四传动杆(12)一端制成凸台(12-a)，凸台(12-a)中间设有一个通孔，在第四传动杆(12)中间，与凸台(12-a)轴线相同方向挖出凹槽(12-b)，凹槽(12-b)四周倒圆角，在第四传动杆(12)另一端设有一个通孔(12-c)，通孔(12-c)的轴线和凸台(12-a)上的通孔轴线互相垂直；
如图7所示，所述的带圆弧机架杆(16)为轴对称形状，在带圆弧机架杆(16)一端设有凸台(16-a)，在凸台(16-a)上设有四个螺纹孔。在(16-b)、(16-c)和(16-d)处将带圆弧机架杆(16)进行圆弧化过渡，在带圆弧机架杆(16)另一端设有凸台(16-e)，在凸台(16-e)上设有六个螺纹孔；
如图8所示，电机(2)通过螺丝连接固定在电机座(1)上，电机座(1)用螺丝固定在带圆弧机架杆(16)的凸台(16-a)上；法兰联轴器(3)中心孔与驱动杆(4)的通孔(4-d)对齐，法兰联轴器(3)大端上的小孔与驱动杆(4)的两个螺纹孔(4-c)对齐，用螺钉将法兰联轴器(3)固定在驱动杆(4)上；法兰联轴器(3)小端安装在电机(2)的电机轴上，通过顶丝将两者固定；法兰联轴器(3)与驱动杆(4)和电机(2)的装配顺序应按照上述顺序进行；
如图9所示，分别将四个轴承以过盈配合的方式安装在第一传动杆(6)的(6-a)、(6-b)、(6-d)和(6-e)端的阶梯孔的大孔中；将驱动杆(4)的凸台(4-a)安装到第一传动杆(6)的两个凸台(6-a)和(6-b)中间，驱动杆凸台(4-a)的通孔对齐第一传动杆(6)的两个凸台(6-a)和(6-b)的阶梯孔；驱动杆转动轴(5)按顺序穿过安装在第一传动杆(6)的(6-a)端的轴承、驱动杆(4)凸台(4-a)上的通孔和安装在第一传动杆(6)的(6-b)端的轴承，并通过防松螺母进行轴向固定；
如图10所示，将第二传动杆(8)的(8-a)端的通孔对齐第一传动杆(6)的(6-d)和(6-e)端的阶梯孔；第一传动杆转动轴(7)按顺序穿过安装在第一传动杆(6)的(6-e)端的轴承、第一传动杆(6)的(6-d)端的轴承、垫片和第二传动杆(8)的(8-a)端的通孔，并通过防松螺母进行轴向固定；
如图11所示，分别将四个轴承以过盈配合的方式安装在第三传动杆(10)的(10-a)、(10-b)、(10-d)和(10-e)端的阶梯孔的大孔中；将第二传动杆(8)的(8-b)端的通孔对齐第三传动杆(10)的(10-d)和(10-e)端的阶梯孔；第二传动杆转动轴(9)按顺序穿过安装在第三传动杆(10)的(10-e)端的轴承、第三传动杆(10)的(10-d)端的轴承、垫片和第二传动杆(8)的(8-b)端的通孔，并通过防松螺母进行轴向固定；
如图12所示，将第四传动杆(12)的凸台(12-a)安装到第三传动杆(10)的两个凸台(10-a)和(10-b)中间，第四传动杆(12)的凸台(12-a)的通孔对齐第三传动杆(10)的两个凸台(10-a)和(10-b)的阶梯孔。第三传动杆转动轴(11)按顺序穿过安装在第三传动杆(10)的(10-a)端的轴承、第四传动杆(12)的凸台(12-a)上的通孔和安装在第三传动杆(10)的(10-b)端的轴承，并通过防松螺母进行轴向固定；
如图13所示，轴承座(14)通过螺丝连接固定在带圆弧机架杆(16)的凸台(16-b)上；配重(15)通过螺丝连接固定在带圆弧机架杆(16)的凸台(16-b)上；第四传动杆(12)的通孔(12-c)对齐轴承座(14)的轴承孔，第四传动杆转动轴(13)通过过盈配合的方式，按顺序穿过轴承座(14)的轴承孔、第四传动杆(12)的通孔(12-c)，并通过防松螺母进行轴向固定；
具体的使用方法：
如图14所示，单动力双步态爬行六杆机构可以实现直线移动动作。图14-a表示在初始状态下，各个杆件之间的位置关系。第一步，如图14-b所示，电机转动60度，电机带动各杆件运动，第二传动杆件向前翻转，与地面不接触，不产生力使得机构往前移动。第二步，如图14-c所示，电机继续转动60度，电机带动各杆件运动，第二传动杆件向前翻转与地面不接触，不产生力使得机构往前移动。第三步，如图14-d所示，电机继续转动60度，各杆件继续运动，第二传动杆件在翻转的过程中与地面接触，产生向前的摩擦力，带动机构向前运动。第四步，如图14-e所示，电机继续转动60度，各杆件继续运动，第二传动杆件在翻转的过程中与地面接触，产生向前的摩擦力，带动机构向前运动。如图14-f所示，电机继续转动60度，各杆件继续运动，第二传动杆件离开地面，不往前移动。电机继续转动60度，各杆件继续运动回到图14-a表示在初始状态。至此，实现了一个完整的直线行走动作；
如图15所示，单动力双步态爬行六杆机构可以实现转弯动作。图15-a表示在初始状态下，各个杆件之间的位置关系。第一步，如图15-b所示，电机转动72度，各杆件翻转，均与地面不接触，不产生力使得机构移动。第二步，如图15-c所示，电机继续转动72度，各杆件翻转，第二转动杆与地面接触，推动机构向右运动。第三步，如图15-d所示，电机继续转动72度，各杆件翻转，第一传动杆和第二传动杆与地面接触，推动机构向右运动。第四步，如图15-e所示，电机继续转动72度，各杆件翻转，第二传动杆和第三传动杆与地面接触，推动机构向右运动。电机继续转动72度，各杆件继续运动回到图15-a表示在初始状态。至此，实现了一个完整的转弯动作。
Claims (7)
1.一种单动力双步态爬行六杆机构，其特征在于：单动力双步态爬行六杆机构为单闭链机构，由电机座(1)，电机(2)，法兰联轴器(3)，驱动杆(4)，驱动杆转动轴(5)，第一传动杆(6)，第一传动杆转动轴(7)，第二传动杆(8)，第二传动杆转动轴(9)，第三传动杆(10)，第三传动杆转动轴(11)，第四传动杆(12)，第四传动杆转动轴(13)，轴承座(14)，配重(15)和带圆弧机架杆(16)构成；
电机(2)通过螺丝连接固定在电机座(1)上，电机座(1)用螺丝固定在带圆弧机架杆(16)的凸台(16-a)上；法兰联轴器(3)中心孔与驱动杆(4)的通孔(4-d)对齐，法兰联轴器(3)大端上的小孔与驱动杆(4)的两个螺纹孔(4-c)对齐，用螺钉将法兰联轴器(3)固定在驱动杆(4)上；法兰联轴器(3)小端安装在电机(2)的电机轴上，通过顶丝将两者固定；法兰联轴器(3)与驱动杆(4)和电机(2)的装配顺序应按照上述顺序进行；
轴承座(14)通过螺丝连接固定在带圆弧机架杆(16)的凸台(16-b)上；配重(15)通过螺丝连接固定在带圆弧机架杆(16)的凸台(16-b)上；第四传动杆(12)的通孔(12-c)对齐轴承座(14)的轴承孔，第四传动杆转动轴(13)通过过盈配合的方式，按顺序穿过轴承座(14)的轴承孔、第四传动杆(12)的通孔(12-c)，并通过防松螺母进行轴向固定。
2.根据权利要求1所述单动力双步态爬行六杆机构，其特征在于：所述的驱动杆(4)为“凸”形状，驱动杆(4)一端制成凸台(4-a)，凸台(4-a)中间设有一个通孔，在驱动杆(4)中间，与凸台(4-a)通孔轴线相同方向挖出凹槽(4-b)，凹槽(4-b)四周倒圆角，在驱动杆(4)另一端设有两个螺纹孔(4-c)和一个通孔(4-d)，两个螺纹孔(4-c)和一个通孔(4-d)的轴线和凸台(4-a)上的通孔轴线互相垂直。
3.根据权利要求1所述单动力双步态爬行六杆机构，其特征在于：所述的驱动杆转动轴(5)，在轴一端制成凸台(5-a)，另一端设有螺纹(5-b)；驱动杆转动轴(5)和第一传动杆转动轴(7)，第二传动杆转动轴(9)，第四传动杆转动轴(13)结构相同，尺寸不同；第三传动杆转动轴(11)与驱动杆转动轴(5)结构和尺寸相同。
4.根据权利要求1所述单动力双步态爬行六杆机构，其特征在于：所述的第一传动杆(6)为“凹”形状，在第一传动杆(6)一端制成两个凸台(6-a)和(6-b)，在凸台(6-a)和(6-b)上分别制成阶梯孔，在第一传动杆(6)中间，与凸台(6-a)和(6-b)上的阶梯孔轴线垂直方向挖出凹槽(6-c)，凹槽(6-c)四周倒圆角，在第一传动杆(6)另一端设有两个阶梯孔(6-d)和(6-e)，阶梯孔(6-d)和(6-e)的轴线与凸台(6-a)和(6-b)上的阶梯孔轴线互相垂直；第一传动杆(6)与第三传动杆(10)的结构和尺寸相同。
5.根据权利要求1所述单动力双步态爬行六杆机构，其特征在于：所述的第二传动杆(8)为圆弧形状，圆弧弧度为90°，在第二传动杆(8)一端制成一个小平台(8-a)，在这个平台(8-a)上设有一个通孔，在另一端制成一个小平台(8-b)，在这个平台(8-b)上设有一个通孔，两个通孔轴线在两轴线所形成的平面内垂直相交。
6.根据权利要求1所述单动力双步态爬行六杆机构，其特征在于：所述的第四传动杆(12)为“凸”形状，第四传动杆(12)一端制成凸台(12-a)，凸台(12-a)中间设有一个通孔，在第四传动杆(12)中间，与凸台(12-a)轴线相同方向挖出凹槽(12-b)，凹槽(12-b)四周倒圆角，在第四传动杆(12)另一端设有一个通孔(12-c)，通孔(12-c)的轴线和凸台(12-a)上的通孔轴线互相垂直。
7.根据权利要求1所述单动力双步态爬行六杆机构，其特征在于：所述的带圆弧机架杆(16)为轴对称形状，在带圆弧机架杆(16)一端设有凸台(16-a)，在凸台(16-a)上设有四个螺纹孔，在(16-b)、(16-c)和(16-d)处将带圆弧机架杆(16)进行圆弧化过渡，在带圆弧机架杆(16)另一端设有凸台(16-e)，在凸台(16-e)上设有六个螺纹孔。
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