CN109094675A - 双驱动多模式移动六杆机构及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双驱动多模式移动六杆机构及控制方法，双驱动多模式移动六杆机构具体涉及一种以单闭链面对称空间六杆机构为基础构型，通过转动副将杆件依次连接。双驱动多模式移动六杆机构由电机，轴端挡圈，沉头十字螺钉，第一驱动杆，杆件转动轴，第一传动杆，外卡卡簧，第二传动杆，角接触球轴承，第三传动杆，第二驱动杆，圆形机架杆，平端紧定螺丝和电机座构成；整个机构通过两个电机驱动实现地面移动。该机构具有一种直行模式和两种转向模式，刚度好、运动灵活、结构简单，易于制造和控制的特点。在民用领域，可用于创意机构演示、娱乐表演，在军用领域，也可进一步设计改造为地形探测、排雷机器人和星球探测器。

Description

双驱动多模式移动六杆机构及控制方法

技术领域

本发明涉及一种双驱动多模式移动六杆机构及控制方法，具体涉及一种以面对称空间六杆机构为基础构型，双驱动多模式移动六杆机构为单闭链机构，杆件与杆件之间通过转动副连接，通过两个电机驱动使得机构达到在地面移动的效果，该机构具有一种直线移动模式和两种转向模式，能适应不同运动环境及探测工作要求。

背景技术

中国专利申请CN201310282050公开了一种单动力爬行六杆机构，以Schatz机构为基础，通过部件的翻转来实现整体移动。该机构只有一个自由度，仅需要一个电机即可以驱动。但是限于该机构仅有一种运动模式，所以只能实现固定轨迹的滚动。

中国专利申请CN201310182315公开了一种具有两种形态的移动机构，该机构具有两种移动模式：当曲面外壳收拢时，进行椭球体形态下的滚动移动，应用偏心块实现驱动控制；当曲面外壳展开时，进行双三棱锥形态下的变形移动，通过控制变形实现驱动，应用偏心块配合进行转向控制。但是该机构控制复杂，不易操作，克服复杂地形障碍的能力较弱。

中国专利申请CN201310277132公开了一种单自由度双模式滚动六杆机构，通过控制单电机的急停、正反转，实现机构的两种滚动模式，但是该机构移动方式都为滚动，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提供一种双驱动多模式移动六杆机构及其控制方法，该机构能够通过控制电机正反转切换机构运动模式，该机构具有一种直线移动模式和两种转向模式；同时提供了一种适用于该移动机构的控制方法。

本发明的技术方案：

一种双驱动多模式移动六杆机构为单闭链机构，由电机，轴端挡圈，沉头十字螺钉，第一驱动杆，杆件转动轴，第一传动杆，外卡卡簧，第二传动杆，角接触球轴承，第三传动杆，第二驱动杆，圆形机架杆，平端紧定螺丝和电机座构成；

构成机构的零件结构及连接方式：

所述的第一驱动杆，在第一驱动杆一端制成圆环(4-a)，并设有通孔，杆件中间为圆柱形杆(4-b)，杆件另一端制成圆环(4-c)，并设有通孔，三面制成平台，在两个对称平面上设有两个螺纹孔(4-d)，要求圆环(4-a)的通孔轴线和圆环(4-c)的通孔轴线成60度；第二驱动杆和第一驱动杆尺寸相同，结构相似，但是第二驱动杆的两个圆环的通孔轴线角度与第一驱动杆的两个圆环的通孔轴线角度相反；

所述的杆件转动轴，在轴一端制成凹槽(5-a)，另一端制成凹槽(5-b)；第一驱动杆和第一传动杆(6)、第一传动杆和第二传动杆、第二传动杆和第三传动杆、第三传动杆和第二驱动杆连接处的转动轴与杆件转动轴结构相同，尺寸相同；

所述的第一传动杆，在第一传动杆一端制成圆环(6-a)，并设有通孔，杆件中间为圆柱形杆(6-b)，杆件另一端制成圆环(6-c)，并设有通孔，要求圆环(6-a)的通孔轴线和圆环(6-c)的通孔轴线成-60度；第一传动杆和第三传动杆尺寸相同，结构相似，但是第三传动杆的两个圆环的通孔轴线角度与第一传动杆的两个圆环的通孔轴线角度相反；

所述的第二传动杆两端分别设有两个通孔(8-a)和(8-b)，两个通孔轴线互相平行，第二传动杆两端倒圆角；

所述的圆形机架杆截面形状为对称的圆弧形，整体形状为半圆形；

电机通过沉头十字螺钉连接固定在电机座上，电机座用焊接的方式固定在圆形机架杆上；电机轴与第一驱动杆的圆环(4-a)的通孔对齐，用平端紧定螺丝将第一驱动杆固定在电机上；再将轴端挡圈套入电机的轴上，并压紧第一驱动杆，用平端紧定螺丝将轴端挡圈固定在电机上；

将两个角接触球轴承采用反向安装的方式分别放入第一驱动杆上圆环(4-a)的通孔和第一传动杆上圆环(6-a)的通孔中，将圆环(4-a)的通孔和圆环(6-a)的通孔对齐，用杆件转动轴从左往右依次穿过圆环(4-a)通孔中的角接触球轴承和圆环(6-a)通孔中的角接触球轴承，再将外卡卡簧分别放置于杆件转动轴的凹槽(5-a)和凹槽(5-b)内，卡紧角接触球轴承外圈；

将两个角接触球轴承采用反向安装的方式分别放入第一传动杆上圆环(6-a)的通孔和第二传动杆上圆环(8-a)的通孔中，将圆环(6-a)的通孔和圆环(8-a)的通孔对齐，用杆件转动轴从左往右依次穿过圆环(8-a)通孔中的角接触球轴承和圆环(6-a)通孔中的角接触球轴承，再将外卡卡簧分别放置于杆件转动轴的凹槽(5-a)和凹槽(5-b)内，卡紧角接触球轴承外圈；

将两个角接触球轴承采用反向安装的方式分别放入第二传动杆上圆环(8-a)的通孔和第三传动杆上圆环(10-a)的通孔中，将圆环(10-a)的通孔和圆环(8-a)的通孔对齐，用杆件转动轴从左往右依次穿过圆环(8-a)通孔中的角接触球轴承和圆环(10-a)通孔中的角接触球轴承，再将外卡卡簧分别放置于杆件转动轴的凹槽(5-a)和凹槽(5-b)内，卡紧角接触球轴承外圈；

将两个角接触球轴承采用反向安装的方式分别放入第三传动杆上圆环(10-a)的通孔和第二驱动杆上圆环(11-a)的通孔中，将圆环(10-a)的通孔和圆环(11-a)的通孔对齐，用杆件转动轴从左往右依次穿过圆环(10-a)通孔中的角接触球轴承和圆环(11-a)通孔中的角接触球轴承，再将外卡卡簧分别放置于杆件转动轴的凹槽(5-a)和凹槽(5-b)内，卡紧角接触球轴承外圈；

电机通过沉头十字螺钉连接固定在电机座上，电机座用焊接的方式固定在圆形机架杆上；电机的轴与第二驱动杆圆环(11-a)的通孔对齐，用平端紧定螺丝将第二驱动杆固定在电机上；再将轴端挡圈套入电机的轴上，并压紧第二驱动杆，用平端紧定螺丝将轴端挡圈固定在电机上；

圆形机架杆为圆弧设计，减少机构定向移动和定向转向时与地面的摩擦力，减小机构定向移动时质心波动；

本发明的有益效果：本发明所述的一种双驱动多模式移动六杆机构为单闭链机构，杆件与杆件之间通过转动副连接，通过两个电机驱动使得机构达到在地面移动的效果，该机构具有一种直线移动模式和两种转向模式，具有适应复杂路面的能力；该机构刚度好、自由度少、运动灵活、结构简单，易于制造和控制。在民用领域，可用于创意机构演示、娱乐表演，在军用领域，也可进一步设计改造为地形探测、物资运输、排雷机器人和星球探测器等。

附图说明

图1双驱动多模式移动六杆机构装配原理图；

图2第一驱动杆结构图；

图3杆件转动轴结构图；

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第二驱动杆结构图；

图8圆形机架杆结构图；

图9电机、轴端挡圈和第一驱动杆连接结构图；

图10第一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12第二传动杆与第三传动杆之间转动副结构图；

图13第三传动杆与第二驱动杆之间转动副结构图；

图14电机、轴端挡圈和第二驱动杆连接结构图；

图15双驱动多模式移动六杆机构直线移动示意图；

图16双驱动多模式移动六杆机构第一种转弯移动示意图；

图17双驱动多模式移动六杆机构第二种转弯移动示意图；

图18双驱动多模式移动六杆机构控制流程图；

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，双驱动多模式移动六杆机构为单闭链机构，由电机(1)，轴端挡圈(2)，沉头十字螺钉(3)，第一驱动杆(4)，杆件转动轴(5)，第一传动杆(6)，外卡卡簧(7)，第二传动杆(8)，角接触球轴承(9)，第三传动杆(10)，第二驱动杆(11)，圆形机架杆(12)，平端紧定螺丝(13)和电机座(14)构成；

如图2所示，所述的第一驱动杆(4)，在第一驱动杆(4)一端制成圆环(4-a)，并设有通孔，杆件中间为圆柱形杆(4-b)，杆件另一端制成圆环(4-c)，并设有通孔，三面制成平台，在两个对称平面上设有两个螺纹孔(4-d)，要求圆环(4-a)的通孔轴线和圆环(4-c)的通孔轴线成60度；

如图3所示，所述的杆件转动轴(5)，在轴一端制成凹槽(5-a)，另一端制成凹槽(5-b)；第一驱动杆(4)和第一传动杆(6)、第一传动杆(6)和第二传动杆(8)、第二传动杆(8)和第三传动杆(10)、第三传动杆(10)和第二驱动杆(11)连接处的转动轴与杆件转动轴(5)结构相同，尺寸相同；

如图4所示，所述的第一传动杆(6)，在第一传动杆(6)一端制成圆环(6-a)，并设有通孔，杆件中间为圆柱形杆(6-b)，杆件另一端制成圆环(6-c)，并设有通孔，要求圆环(6-a)的通孔轴线和圆环(6-c)的通孔轴线成-60度；

图5所示，所述的第二传动杆(8)两端分别设有两个通孔(8-a)和(8-b)，两个通孔轴线互相平行，第二传动杆(8)两端倒圆角；

如图6所示，所述的第三传动杆(10)，在第三传动杆(10)一端制成圆环(10-a)，并设有通孔，杆件中间为圆柱形杆(10-b)，杆件另一端制成圆环(10-c)，并设有通孔，要求圆环(10-a)的通孔轴线和圆环(10-c)的通孔轴线成60度；

如图7所示，所述的第二驱动杆(11)，在第二驱动杆(11)一端制成圆环(11-a)，并设有通孔，杆件中间为圆柱形杆(11-b)，杆件另一端制成圆环(11-c)，并设有通孔，三面制成平台，在两个对称平面上设有两个螺纹孔(11-d)，要求圆环(11-a)的通孔轴线和圆环(11-c)的通孔轴线成-60度；

如图8所示，所述的圆形机架杆(12)截面形状为对称的圆弧形，整体形状为半圆形；

如图9所示，电机(1)通过沉头十字螺钉(3)连接固定在电机座(14)上，电机座(14)通过焊接的方式固定在圆形机架杆(12)上；电机(1)的轴与第一驱动杆(4)上圆环(4-a)的通孔对齐，用平端紧定螺丝(13)将第一驱动杆(4)固定在电机(1)上；再将轴端挡圈(2)套入电机(1)的轴上，并压紧第一驱动杆(4)，用平端紧定螺丝(13)将轴端挡圈(2)固定在电机(1)上；轴端挡圈(2)、电机座(14)、第一驱动杆(4)和电机(1)的装配顺序应按照上述顺序进行；

如图10所示，将两个角接触球轴承(9)采用反向安装的方式分别放入第一驱动杆(4)上圆环(4-a)的通孔和第一传动杆(6)上圆环(6-a)的通孔中，将圆环(4-a)的通孔和圆环(6-a)的通孔对齐，用杆件转动轴(5)从左向右依次穿过圆环(4-a)通孔中的角接触球轴承(9)和圆环(6-a)通孔中的角接触球轴承(9)，再将外卡卡簧(7)分别放置于杆件转动轴(5)的凹槽(5-a)和凹槽(5-b)内，卡紧两端角接触球轴承(9)；

如图11所示，将两个角接触球轴(9)承采用反向安装的方式分别放入第一传动杆(6)上圆环(6-a)的通孔和第二传动杆(8)上圆环(8-a)的通孔中，将圆环(6-a)的通孔和圆环(8-a)的通孔对齐，用杆件转动轴(5)依次从左向右穿过圆环(8-a)通孔中的角接触球轴承(9)和圆环(6-a)通孔中的角接触球轴承(9)，再将外卡卡簧(7)分别放置于杆件转动轴(5)的凹槽(5-a)和凹槽(5-b)内，卡紧两端角接触球轴承(9)；

如图12所示，将两个角接触球轴承(9)采用反向安装的方式分别放入第二传动杆(8)上圆环(8-a)的通孔和第三传动杆(10)上圆环(10-a)的通孔中，将圆环(8-a)的通孔和圆环(10-a)的通孔对齐，用杆件转动轴(5)从左向右依次穿过圆环(8-a)通孔中的角接触球轴承(9)和圆环(10-a)通孔中的角接触球轴承(9)，再将外卡卡簧(7)分别放置于杆件转动轴(5)的凹槽(5-a)和凹槽(5-b)内，卡紧两端角接触球轴承(9)；

如图13所示，将两个角接触球轴承(9)采用反向安装的方式分别放入第二驱动杆(11)上圆环(11-a)的通孔和第三传动杆(10)上圆环(10-a)的通孔中，将圆环(11-a)的通孔和圆环(10-a)的通孔对齐，用杆件转动轴(5)从左向右依次穿过圆环(10-a)通孔中的角接触球轴承(9)和圆环(11-a)通孔中的角接触球轴承(9)，再将外卡卡簧(7)分别放置于杆件转动轴(5)的凹槽(5-a)和凹槽(5-b)内，卡紧两端角接触球轴承(9)；

如图14所示，电机(1)通过沉头十字螺钉(3)连接固定在电机座(14)上，电机座(14)通过焊接的方式固定在圆形机架杆(12)上；电机(1)的轴与第二驱动杆(11)上圆环(11-a)的通孔对齐，用平端紧定螺丝(13)将第二驱动杆(11)固定在电机(1)上；再将轴端挡圈(2)套入电机(1)的轴上，并压紧第二驱动杆(11)，用平端紧定螺丝(13)将轴端挡圈(2)固定在电机(1)上；轴端挡圈(2)与第二驱动杆(11)和电机(1)的装配顺序应按照上述顺序进行；

具体的使用方法：

如图15所示为双驱动多模式移动六杆机构直线移动模式。图15-a表示在机构初始状态下，各个杆件之间的位置关系，该位置也为控制中所述的初始位置，此时第二传动杆与地面平行。第一步，如图15-b所示，两个电机同时反向转动60度，两个电机带动各杆件运动，除圆形机架杆外，没有杆件与地面接触，不产生力使得机构往前移动。第二步，如图15-c所示，两个电机继续同时反向转动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。第三步，如图15-d所示，两个电机继续同时反向转动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15-e所示，两个电机继续同时反向转动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15-f所示，两个电机继续同时反向转动60度，各杆件继续运动，第二传动杆件离开地面，机构不往前移动。两个电机继续同时反向转动60度，各杆件继续运动回到图15-a表示在初始状态。至此，机构实现了一个完整的直线行走动作；

如图16所示为双驱动多模式移动六杆机构第一种转向模式：图16-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16-b所示，两个电机同时同向转动90度，第一驱动杆和第一传动杆、第二驱动杆和第三传动杆之间的转动副不起作用，所有杆件与地面接触，圆形杆有被抬起的趋势，机构开始执行第一种转向模式，机构向左运动。第二步，如图16-c所示，两个电机继续同时同向转动90度，第一驱动杆和第一传动杆、第二驱动杆和第三传动杆之间的转动副不起作用，仅第二转动杆与地面接触，推动机构向左运动。第三步，如图16-d所示，两个电机继续同时同向转动90度，第一驱动杆和第一传动杆、第二驱动杆和第三传动杆之间的转动副不起作用，第二传动杆不与地面接触，机构不产生转向。电机继续转动90度，各杆件继续运动回到图16-a表示在初始状态。至此，机构实现了一个完整的第一种转向动作。

如图17所示为双驱动多模式移动六杆机构第二种转向模式：图17-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17-b所示，两个电机同时反向转动60度，各杆件翻转，第二转动杆一端与地面接触，圆形杆被抬起，推动机构向左运动。第二步，如图17-c所示，两个电机同时同向转动60度，各杆件翻转，第二转动杆一端与地面接触，圆形杆被抬起，依靠第二转动杆运动时与地面产生的摩擦力推动机构向左运动。第三步，如图17-d所示，两个电机继续同时同向转动60度，各杆件翻转，第二转动杆一端与地面接触，圆形杆被抬起，依靠第二转动杆运动时与地面产生的摩擦力推动机构向左运动。第四步，如图17-e所示，两个电机继续同时同向转动60度，各杆件翻转，第二转动杆一端与地面接触，圆形杆被抬起，依靠第二转动杆运动时与地面产生的摩擦力推动机构向左运动。第五步，如图17-f所示，两个电机继续同时同向转动60度，各杆件翻转，第二转动杆一端与地面接触，圆形杆被抬起，依靠第二转动杆运动时与地面产生的摩擦力推动机构向左运动。电机继续转动60度，各杆件继续运动回到图17-a表示在初始状态。至此，实现了一个完整的转弯动作。

如图18所示为双驱动多模式移动六杆机构的控制方法，用于对所述的双驱动多模式移动六杆机构进行控制，包括如下步骤：

步骤S1，判断电机是否在初始位置，初始位置如图15-a所示；

步骤S2，获取当前位置，判断采用何种运动模式最方便快捷使机构恢复到初始位置，执行其中一种运动模式后，判断电机是否在初始位置，如果是，则执行步骤S3；否则，执行步骤S2；

步骤S3，判断机构与目标点位置关系，计算下一步运动方向和运动距离，选取合适的运动模式，可以单种模式完成，也可以多种模式配合完成；

步骤S4，判断步骤S3结束后双驱动多模式移动六杆机构与目标位置之间的所述误差是否小于设定的阈值，若是，则结束控制程序，否则，执行步骤S3。

Claims (9)

1.一种双驱动多模式移动六杆机构，其特征在于：双驱动多模式移动六杆机构为单闭链机构，由电机(1)，轴端挡圈(2)，沉头十字螺钉(3)，第一驱动杆(4)，杆件转动轴(5)，第一传动杆(6)，外卡卡簧(7)，第二传动杆(8)，角接触球轴承(9)，第三传动杆(10)，第二驱动杆(11)，圆形机架杆(12)，平端紧定螺丝(13)和电机座(14)构成。

2.根据权利要求1所述的双驱动多模式移动六杆机构，其特征在于：所述的第一驱动杆(4)，在第一驱动杆(4)一端制成圆环(4-a)，并设有通孔，杆件中间为圆柱形杆(4-b)，杆件另一端制成圆环(4-c)，并设有通孔，三面制成平台，在两个对称平面上设有两个螺纹孔(4-d)，要求圆环(4-a)的通孔轴线和圆环(4-c)的通孔轴线成60度；第二驱动杆(11)和第一驱动杆(4)尺寸相同，结构相似，但是第二驱动杆(11)的两个圆环的通孔轴线角度与第一驱动杆(4)的两个圆环的通孔轴线角度相反。

3.根据权利要求1所述的双驱动多模式移动六杆机构，其特征在于：所述的杆件转动轴(5)，在轴一端制成凹槽(5-a)，另一端制成凹槽(5-b)；第一驱动杆(4)和第一传动杆(6)、第一传动杆(6)和第二传动杆(8)、第二传动杆(8)和第三传动杆(10)、第三传动杆(10)和第二驱动杆(11)连接处的转动轴与杆件转动轴(5)结构相同，尺寸相同。

4.根据权利要求1所述的双驱动多模式移动六杆机构，其特征在于：所述的第一传动杆(6)，在第一传动杆(6)一端制成圆环(6-a)，并设有通孔，杆件中间为圆柱形杆(6-b)，杆件另一端制成圆环(6-c)，并设有通孔，要求圆环(6-a)的通孔轴线和圆环(6-c)的通孔轴线成-60度；第一传动杆(6)和第三传动杆(10)尺寸相同，结构相似，但是第三传动杆(10)的两个圆环的通孔轴线角度与第一传动杆(6)的两个圆环的通孔轴线角度相反。

5.根据权利要求1所述的双驱动多模式移动六杆机构，其特征在于：所述的第二传动杆(8)两端分别设有两个通孔(8-a)和(8-b)，两个通孔轴线互相平行，杆件两端倒圆角。

6.根据权利要求1所述的双驱动多模式移动六杆机构，其特征在于：所述的圆形机架杆(12)截面形状为对称的圆弧形，整体形状为半圆形。

7.根据权利要求1所述的双驱动多模式移动六杆机构，其特征在于：电机(1)通过沉头十字螺钉(3)连接固定在电机座(14)上，电机座(14)通过焊接的方式固定在圆形机架杆(12)上；电机(1)的轴与第一驱动杆(4)上圆环(4-a)的通孔对齐，用平端紧定螺丝(13)将第一驱动杆(4)固定在电机(1)上；再将轴端挡圈(2)套入电机(1)的轴上，并压紧第一驱动杆(4)，用平端紧定螺丝(13)将轴端挡圈(2)固定在电机(1)上；轴端挡圈(2)、驱动杆、电机座(14)和电机(1)的装配顺序应按照上述顺序进行。

8.根据权利要求1所述的双驱动多模式移动六杆机构，其特征在于：将两个角接触球轴承(9)采用反向安装的方式分别放入第一驱动杆(4)上圆环(4-a)的通孔和第一传动杆(6)上圆环(6-a)的通孔中，将圆环(4-a)的通孔和圆环(6-a)的通孔对齐，用杆件转动轴(5)从左往右依次穿过圆环(4-a)通孔中的角接触球轴承(9)和圆环(6-a)通孔中的角接触球轴承(9)，再将外卡卡簧(7)分别放置于杆件转动轴(5)的凹槽(5-a)和凹槽(5-b)内，卡紧两端角接触球轴承(9)。角接触球轴承(9)、转动轴(5)、外卡卡簧(7)和相应杆件的装配顺序应按照上述顺序进行。

9.一种双驱动多模式移动六杆机构的控制方法，用于对所述的双驱动多模式移动六杆机构进行控制，包括如下步骤：

步骤S1，判断电机是否在初始位置；

步骤S2，获取当前位置，判断采用何种运动模式最方便快捷使机构恢复到初始位置，执行其中一种运动模式后，判断电机是否在初始位置，如果是，则执行步骤S3；否则，执行步骤S2；

步骤S3，判断机构与目标点位置关系，计算下一步运动方向和运动距离，选取合适的运动模式，可以单种模式完成，也可以多种模式配合完成；

步骤S4，判断步骤S3结束后双驱动多模式移动六杆机构与目标位置之间的所述误差是否小于设定的阈值，若是，则结束控制程序，否则，执行步骤S3。