CN110466631A - 一种行星三角履带式行走机构 - Google Patents

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CN110466631A CN201910638263.8A CN201910638263A CN110466631A CN 110466631 A CN110466631 A CN 110466631A CN 201910638263 A CN201910638263 A CN 201910638263A CN 110466631 A CN110466631 A CN 110466631A
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Abstract

本发明公开了一种行星三角履带式行走机构，属于农用自主移动设备领域。包括车平台、行星三角履带轮机构、识别检测单元、摇臂。每个行星三角履带轮机构(2)配备带传动机构、两个从动履带轮(19)、外部接地履带(20)；所述带传动机构由中央带轮(21)、内部传动履带(22)、主动履带轮(23)实现传动动作。识别检测单元(25)中包含多种传感器，可采集多种信息，方便对环境做出全面的检测。摇臂(26)的使用拓宽了识别检测的范围。在平坦路面及遇到较低障碍物时采用履带式移动和仿形越障，遇到较高障碍物时可采用轮式移动进行翻转越障。该机构具有结构简单、操作轻便的特点，同时具备较高的行走速度和优异的越障能力。

Description

一种行星三角履带式行走机构
技术领域
本发明涉及一种行星三角履带式行走机构，属于农用自主移动设备领域。
背景技术
目前地势平坦的平原地区机械化水平较高，丘陵山区由于作业地块狭小、坡度大、地形复杂、一般农业机械运行困难，是机械化最薄弱的地区，现今大部分果园都坐落于丘陵山区且传统的水果生产主要依靠人工劳动来实现，随着其成本的增加，人们对果园机械的需求度越来越大。当前常用的农用移动机器人的行走机构主要包括轮式和履带式。轮式行走机构应用最早也最广，其具有能够达到较高的运动速度、效率高、转弯灵活、理论技术发展成熟、制造成本低、控制简单等优点，但也存在车轮与地面接触面积较小、接地比压大、易发生沉陷、对地面依赖性强、越障能力有限。履带式行走机构是一种自铺路面式的行走机构，其具有与地面接触面积大、接地比压小，具有很强的稳定性、能够很好地适应路面状况的变化，通过性能好等优点，缺点是维修维护成本高、机动性较弱、行进控制过程中易发生偏移。所以现在需要一种新型丘陵山区果园用移动机器人行走机构，既能保留轮式移动和履带式移动的优点，又能尽量规避二者各自的缺点。申请公开号为CN203864836U的中国专利《行星轮履带复合式行走机构设计》，该发明由行星轮驱动内齿轮运动来使整车运动平坦路面时太阳轮驱动行星轮使整车平稳快速行驶。碰到较低障碍物时依靠行星轮改变自身高度完成越障。并装配了履带驱动的手臂来帮助越过高障碍物。但本发明依旧属于传统的轮式行走机构，未能克服轮式机构的固有缺点，无法适应丘陵山区地形，履带仅用作帮助越过高障碍物的手臂的驱动，而果园中并无高大障碍物，该机构徒增了成本。针对以上的弊端，设计了一种行星三角履带式行走机构，设备在平坦路面及遇到较低障碍物时采用履带式移动及仿形越障，遇到较高障碍物时采用翻转越障。
发明内容
本发明的目的在于设计一种行星三角履带式行走机构。能较大程度的满足适应多种复杂地形的需求，大大提高行走设备跨越障碍的能力。
本发明的技术方案为：
一种行星三角履带式行走机构，包括车平台(1)、行星三角履带轮机构(2)、识别检测单元(25)；所述车平台(1)沿行走方向于两侧各装有两个行星三角履带轮机构(2)，所述识别检测单元(25)固定到车平台(1)顶部；所述识别检测单元(25)用于检测路况和障碍物信息，行星三角履带轮机构(2)根据识别检测单元(25)检测到的路况和障碍物信息在轮式移动和履带式移动两种模式下切换。
进一步，所述车平台(1)包括内轴电机(5)、双同步带轮(6)、内轴同步带(7)、外轴电机(8)、变速箱箱体(9)、主动齿轮(10)、中间轴齿轮(11)、中间轴(12)、外轴(13)、外轴齿轮(14)、联轴器(15)、单同步带轮(16)和内轴(17)；
所述内轴电机(5)的旋转轴通过紧定螺钉连接双同步带轮(6)，内轴同步带(7)安装在平行设置的双同步带轮(6)和单同步带轮(16)上，单同步带轮(16)通过紧定螺钉固定在外轴(13)的端部，外轴(13)的内部通过轴承装配有内轴(17)；外轴电机(8)的旋转轴和主动齿轮(10)通过紧定螺钉连接，主动齿轮(10)和中间轴齿轮(11)啮合，中间轴齿轮(11)通过键连接在中间轴(12)上，中间轴齿轮(11)和外轴齿轮(14)啮合，联轴器(15)装配在中间轴(12)的端部，外轴齿轮(14)通过平键连接在外轴(13)上；所述主动齿轮(10)、中间轴齿轮(11)、中间轴(12)、外轴(13)、外轴齿轮(14)均设置在变速箱箱体(9)内。
进一步，内轴(17)和行星三角履带轮机构(2)的中央带轮(21)相连，外轴(13)和行星三角履带轮机构(2)中的系杆支架(18)相连。
进一步，所述车平台(1)还包括底板(3)、上端盖(4)；内轴电机(5)、变速箱箱体(9)和上端盖(4)均通过螺栓固定到底板(3)上，外轴电机(8)通过螺钉安装在变速箱箱体(9)上，中间轴(12)通过轴承装配在变速箱箱体(9)上，外轴(13)通过轴承装配在变速箱箱体(9)上。
进一步，所述行星三角履带轮机构(2)包括系杆支架(18)、从动履带轮(19)、外部接地履带(20)、中央带轮(21)、内部传动履带(22)、主动履带轮(23)和履带轮固定轴(24)；
系杆支架(18)为等边三角形，内外侧共两个，其中内侧靠近车平台(1)的系杆支架(18)通过螺栓安装在车平台(1)的外轴(13)上；三个履带轮固定轴(24)分别通过螺母安装在系杆支架(18)的三个角点位置，中央带轮(21)、内部传动履带(22)和主动履带轮(23)组成带传动机构；主动履带轮(23)和从动履带轮(19)通过轴承安装在履带轮固定轴(24)上，中央带轮(21)的中心孔上设置有花键槽，中央带轮(21)通过花键装配在车平台(1)的内轴(17)上；主动履带轮(23)和从动履带轮(19)上设置有凹槽，外部接地履带(20)安装在主动履带轮(23)、从动履带轮(19)的凹槽上，内部传动履带(22)安装在中央带轮(21)和主动履带轮(23)上。
进一步，主动履带轮(23)由两个大直径履带轮和一个小直径履带轮组成，两个大直径履带轮分别通过螺钉安装在小直径履带轮的左右两侧，外部接地履带(20)套在大直径履带轮上，内部传动履带(22)套在小直径履带轮上。
进一步，所述识别检测单元(25)包括变焦相机(26)、惯性传感器(27)、超声波传感器(28)、红外测距传感器(29)、红外图像传感器(30)、二氧化碳传感器(31)、光源(32)、外壳(33)、转动支架(34)、摇臂(35)、摇臂电机(36)、激光扫描仪(37)、传声器(38)、控制器；
变焦相机(26)、惯性传感器(27)、超声波传感器(28)、红外测距传感器(29)、红外图像传感器(30)、二氧化碳传感器(31)、传声器(38)均和控制器相连；所述内轴电机(5)、外轴电机(8)、摇臂电机(36)及三者的驱动器均通过PCI总线与控制器相连，激光扫描仪(37)通过USB与控制器通讯；
变焦相机(26)、超声波传感器(28)、红外测距传感器(29)、红外图像传感器(30)、二氧化碳传感器(31)、光源(32)、传声器(38)均安装在外壳(33)内部，外壳(35)前挡板上开有与上述变焦相机(26)、超声波传感器(28)、红外测距传感器(29)、红外图像传感器(30)、二氧化碳传感器(31)、光源(32)、传声器(38)相对应的孔洞，惯性传感器(27)通过螺钉安装在外壳(33)顶部，转动支架(34)装配于外壳(33)两侧板，转动支架(34)底端通过轴承安装在摇臂(35)顶端，摇臂(35)底端、摇臂电机(36)、激光扫描仪(37)均通过螺钉安装在车平台(1)的上端盖(4)上。
本发明的有益效果是：
1)采用4组行星三角履带轮机构，每组行星三角履带轮机构配置三个行星带轮，组成三角形结构且可绕各自固定轴相对系杆支架自转，中央带轮相对系杆支架中心转动，动力经传动机构带动主动履带轮转动并通过外部接地履带使其它两个从动履带转动。运动到平缓路面时，每组行星三角履带轮保持在两轮着地的位置，使等边三角形系杆支架的底边为水平状态，接触地面，此时外轴电机锁死，内轴电机转动并通过中央带轮驱动主动履带轮和从动履带轮从而带动外部接地履带旋转，实现仿形越障；行走到崎岖的地形时，内轴电机锁死，外轴电机驱动系杆支架整周转动或调整到适宜的姿态，配合外部接地履带的转动，实现翻转越障。提高翻越各种障碍的能力。
2)将内轴、外轴嵌套在一起，节省了车体空间，使得整个车体结构紧凑，大大减小了整车体积。
3)使用双同步带轮，实现了车平台左右两侧前端履带和后端履带的同步转动，便于在平缓路面进行差速转向；使用联轴器，实现了车平台前后端左侧系杆支架和右侧系杆支架的同步转动，便于遇到较高障碍时进行翻转越障。使得电机数量得以减少，控制变得简单。
4)采用了多传感器集成设计，实现了同时采集多种外部信息，方便了信息融合；
5)使用转动支架，可实现水平方向上360°旋转，摇臂可绕其底端于行走方向上前后180°摆动，能够采集更大范围的外部信息。
附图说明
为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述
图1是一种行星三角履带式行走机构的整体结构示意图；
图2是本行星三角履带式行走机构的车平台示意图；
图3是本行星三角履带式行走机构的内轴、外轴示意图；
图4是本行星三角履带式行走机构的行星三角履带轮示意图；
图5是本行星三角履带式行走机构的主动履带轮示意图；
图6是本行星三角履带式行走机构的从动履带轮示意图；
图7是本行星三角履带式行走机构的中央带轮示意图；
图8是本行星三角履带式行走机构的识别检测单元示意图；
图9是本行星三角履带式行走机构的识别检测单元中外壳及各传感器、变焦相机、光源示意图；
图中：1-车平台；2-行星三角履带轮；3-底板；4-上端盖；5-内轴电机；6-双同步带轮；7-内轴同步带；8-外轴电机；9-变速箱箱体；10-主动齿轮；11-中间轴齿轮；12-中间轴；13-外轴；14-外轴齿轮；15-联轴器；16-单同步带轮；17-内轴；18-系杆支架；19-从动履带轮；20-外部接地履带；21-中央带轮；22-内部传动履带；23-主动履带轮；24-履带轮固定轴；25-识别检测单元；26-变焦相机；27-惯性传感器；28-超声波传感器；29-红外测距传感器；30-红外图像传感器；31-二氧化碳传感器；32-光源；33-外壳；34-转动支架；35-摇臂；36-摇臂电机；37-激光扫描仪；38-传声器
具体实施方式
下面结合示意图具体说明所发明的一种行星三角履带式行走机构的具体结构及实施方式。
本发明的结构组成如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9所示。一种行星三角履带式行走机构，包括车平台(1)、行星三角履带轮机构(2)、识别检测单元(25)；所述车平台(1)沿行走方向于两侧各装有两个行星三角履带轮机构(2)，所述识别检测单元(25)固定到车平台(1)顶部。
进一步的，如图1、图2、图3所示，所述车平台(1)包括底板(3)、上端盖(4)、内轴电机(5)、双同步带轮(6)、内轴同步带(7)、外轴电机(8)、变速箱箱体(9)、主动齿轮(10)、中间轴齿轮(11)、中间轴(12)、外轴(13)、外轴齿轮(14)、联轴器(15)、单同步带轮(16)和内轴(17)，内轴电机(5)、变速箱箱体(9)和上端盖(4)均通过螺栓固定到底板(3)上，双同步带轮(6)通过紧定螺钉安装在内轴电机(5)的旋转轴上，外轴电机(8)通过螺钉安装在变速箱箱体(9)上，主动齿轮(10)通过紧定螺钉安装在内轴电机(5)的旋转轴上，中间轴(12)通过轴承装配在变速箱箱体(9)上，中间轴齿轮(11)通过键连接在中间轴(12)上，联轴器(15)装配在中间轴(12)的端部，外轴(13)通过轴承装配在变速箱箱体(9)上，外轴齿轮(14)通过平键连接在外轴(13)上，内轴(17)通过轴承装配在外轴(13)的内部，单同步带轮(16)通过紧定螺钉固定在外轴(13)的端部，内轴同步带(7)安装在双同步带轮(6)和单同步带轮(16)上。
使用双同步带轮，实现了车平台左右两侧前端履带和后端履带的同步转动，便于在平缓路面进行差速转向；使用联轴器，实现了车平台前后端左侧系杆支架和右侧系杆支架的同步转动，便于遇到较高障碍时进行翻转越障。使得电机数量得以减少，控制变得简单。
进一步的，如图4、图5、图6、图7所示，所述行星三角履带轮机构(2)包括系杆支架(18)、从动履带轮(19)、外部接地履带(20)、中央带轮(21)、内部传动履带(22)、主动履带轮(23)和履带轮固定轴(24)，系杆支架(18)为等边三角形，内外侧共两个，其中内侧靠近车平台(1)的系杆支架(18)通过螺栓安装在车平台(1)的外轴(13)上，三个履带轮固定轴(24)分别通过螺母安装在系杆支架(18)的三个角点位置，中央带轮(21)、内部传动履带(22)和主动履带轮(23)组成带传动机构，主动履带轮(23)和从动履带轮(19)通过轴承安装在履带轮固定轴(24)上，中央带轮(21)的中心孔上设置有花键槽，中央带轮(21)通过花键装配在车平台(1)的内轴(17)上，主动履带轮(23)和从动履带轮(19)上设置有凹槽，外部接地履带(20)和内部传动履带(22)安装在主动履带轮(23)、从动履带轮(19)的凹槽上和中央带轮(21)上。
采用4组行星三角履带轮机构，每组行星三角履带轮机构配置三个行星带轮，组成三角形结构且可绕各自固定轴相对系杆支架自转，中央带轮相对系杆支架中心转动，动力经传动机构带动主动履带轮转动并通过外部接地履带使其它两个从动履带转动。运动到平缓路面时，每组行星三角履带轮保持在两轮着地的位置，使等边三角形系杆支架的底边为水平状态，接触地面，此时外轴电机锁死，内轴电机转动并通过中央带轮驱动主动履带轮和从动履带轮从而带动外部接地履带旋转，实现仿形越障；行走到崎岖的地形时，内轴电机锁死，外轴电机驱动系杆支架整周转动或调整到适宜的姿态，配合外部接地履带的转动，实现翻转越障。提高翻越各种障碍的能力。
进一步的，如图8、图9所示，所述识别检测单元(25)包括变焦相机(26)、惯性传感器(27)、超声波传感器(28)、红外测距传感器(29)、红外图像传感器(30)、二氧化碳传感器(31)、光源(32)、外壳(33)、转动支架(34)、摇臂(35)、摇臂电机(36)、激光扫描仪(37)、传声器(38)，变焦相机(26)、超声波传感器(28)、红外测距传感器(29)、红外图像传感器(30)、二氧化碳传感器(31)、光源(32)、传声器(38)均安装在外壳(33)内部，外壳(35)前挡板上开有与上述变焦相机(26)、超声波传感器(28)、红外测距传感器(29)、红外图像传感器(30)、二氧化碳传感器(31)、光源(32)、传声器(38)相对应的孔洞，惯性传感器(27)通过螺钉安装在外壳(33)顶部，转动支架(34)装配于外壳(33)两侧板，转动支架(34)底端通过轴承安装在摇臂(35)顶端，摇臂(35)底端、摇臂电机(36)、激光扫描仪(37)均通过螺钉安装在车平台(1)的上端盖(4)上。
本发明工作过程如下：
启动该行走机构，识别检测单元(25)开始工作，各传感器、变焦相机(26)配合光源(32)，同时转动支架(34)水平转动、摇臂电机(36)驱动摇臂(35)摆动，实现对周围环境信息的检测。主动履带轮(23)和两个从动履带轮(19)均布于等边三角形系杆支架(18)上且可绕各自的履带轮固定轴(24)相对系杆支架(18)自转，中央带轮(21)可相对系杆支架(18)中心转动。运动到平缓路面时，每组行星三角履带轮保持在两轮着地的位置，使等边三角形系杆支架(18)的底边为水平状态，接触地面，此时外轴电机(8)锁死，内轴电机(5)转动并通过中央带轮(21)驱动主动履带轮(23)和从动履带轮(19)从而带动外部接地履带(20)旋转，实现仿形越障；行走到崎岖的地形时，内轴电机(5)锁死，外轴电机(8)驱动系杆支架(18)整周转动或调整到适宜的姿态，配合外部接地履带(20)的转动，实现翻转越障。
综上，本发明的一种行星三角履带式行走机构，属于农用自主移动设备领域。包括车平台、行星三角履带轮机构、识别检测单元、摇臂。每个行星三角履带轮机构(2)配备带传动机构、两个从动履带轮(19)、外部接地履带(20)；所述带传动机构由中央带轮(21)、内部传动履带(22)、主动履带轮(23)实现传动动作。识别检测单元(25)中包含多种传感器，可采集多种信息，方便对环境做出全面的检测。摇臂(26)的使用拓宽了识别检测的范围。在平坦路面及遇到较低障碍物时采用履带式移动和仿形越障，遇到较高障碍物时可采用轮式移动进行翻转越障。该机构具有结构简单、操作轻便的特点，同时具备较高的行走速度和优异的越障能力。

Claims (7)

1.一种行星三角履带式行走机构，其特征在于，包括车平台(1)、行星三角履带轮机构(2)、识别检测单元(25)；所述车平台(1)沿行走方向于两侧各装有两个行星三角履带轮机构(2)，所述识别检测单元(25)固定到车平台(1)顶部；所述识别检测单元(25)用于检测路况和障碍物信息，行星三角履带轮机构(2)根据识别检测单元(25)检测到的路况和障碍物信息在轮式移动和履带式移动两种模式下切换。
2.根据权利要求1所述的行星三角履带式行走机构，其特征在于，所述车平台(1)包括内轴电机(5)、双同步带轮(6)、内轴同步带(7)、外轴电机(8)、变速箱箱体(9)、主动齿轮(10)、中间轴齿轮(11)、中间轴(12)、外轴(13)、外轴齿轮(14)、联轴器(15)、单同步带轮(16)和内轴(17)；
所述内轴电机(5)的旋转轴通过紧定螺钉连接双同步带轮(6)，内轴同步带(7)安装在平行设置的双同步带轮(6)和单同步带轮(16)上，单同步带轮(16)通过紧定螺钉固定在外轴(13)的端部，外轴(13)的内部通过轴承装配有内轴(17)；外轴电机(8)的旋转轴和主动齿轮(10)通过紧定螺钉连接，主动齿轮(10)和中间轴齿轮(11)啮合，中间轴齿轮(11)通过键连接在中间轴(12)上，中间轴齿轮(11)和外轴齿轮(14)啮合，联轴器(15)装配在中间轴(12)的端部，外轴齿轮(14)通过平键连接在外轴(13)上；所述主动齿轮(10)、中间轴齿轮(11)、中间轴(12)、外轴(13)、外轴齿轮(14)均设置在变速箱箱体(9)内。
3.根据权利要求2所述的行星三角履带式行走机构，其特征在于，内轴(17)和行星三角履带轮机构(2)的中央带轮(21)相连，外轴(13)和行星三角履带轮机构(2)中的系杆支架(18)相连。
4.根据权利要求2所述的行星三角履带式行走机构，其特征在于，所述车平台(1)还包括底板(3)、上端盖(4)；内轴电机(5)、变速箱箱体(9)和上端盖(4)均通过螺栓固定到底板(3)上，外轴电机(8)通过螺钉安装在变速箱箱体(9)上，中间轴(12)通过轴承装配在变速箱箱体(9)上，外轴(13)通过轴承装配在变速箱箱体(9)上。
5.根据权利要求1所述的行星三角履带式行走机构，其特征在于，所述行星三角履带轮机构(2)包括系杆支架(18)、从动履带轮(19)、外部接地履带(20)、中央带轮(21)、内部传动履带(22)、主动履带轮(23)和履带轮固定轴(24)；
系杆支架(18)为等边三角形，内外侧共两个，其中内侧靠近车平台(1)的系杆支架(18)通过螺栓安装在车平台(1)的外轴(13)上；三个履带轮固定轴(24)分别通过螺母安装在系杆支架(18)的三个角点位置，中央带轮(21)、内部传动履带(22)和主动履带轮(23)组成带传动机构；主动履带轮(23)和从动履带轮(19)通过轴承安装在履带轮固定轴(24)上，中央带轮(21)的中心孔上设置有花键槽，中央带轮(21)通过花键装配在车平台(1)的内轴(17)上；主动履带轮(23)和从动履带轮(19)上设置有凹槽，外部接地履带(20)安装在主动履带轮(23)、从动履带轮(19)的凹槽上，内部传动履带(22)安装在中央带轮(21)和主动履带轮(23)上。
6.根据权利要求5所述的行星三角履带式行走机构，其特征在于，主动履带轮(23)由两个大直径履带轮和一个小直径履带轮组成，两个大直径履带轮分别通过螺钉安装在小直径履带轮的左右两侧，外部接地履带(20)套在大直径履带轮上，内部传动履带(22)套在小直径履带轮上。
7.根据权利要求2所述的行星三角履带式行走机构，其特征在于，所述识别检测单元(25)包括变焦相机(26)、惯性传感器(27)、超声波传感器(28)、红外测距传感器(29)、红外图像传感器(30)、二氧化碳传感器(31)、光源(32)、外壳(33)、转动支架(34)、摇臂(35)、摇臂电机(36)、激光扫描仪(37)、传声器(38)、控制器；
变焦相机(26)、惯性传感器(27)、超声波传感器(28)、红外测距传感器(29)、红外图像传感器(30)、二氧化碳传感器(31)、传声器(38)均和控制器相连；所述内轴电机(5)、外轴电机(8)、摇臂电机(36)及三者的驱动器均通过PCI总线与控制器相连，激光扫描仪(37)通过USB与控制器通讯；
变焦相机(26)、超声波传感器(28)、红外测距传感器(29)、红外图像传感器(30)、二氧化碳传感器(31)、光源(32)、传声器(38)均安装在外壳(33)内部，外壳(35)前挡板上开有与上述变焦相机(26)、超声波传感器(28)、红外测距传感器(29)、红外图像传感器(30)、二氧化碳传感器(31)、光源(32)、传声器(38)相对应的孔洞，惯性传感器(27)通过螺钉安装在外壳(33)顶部，转动支架(34)装配于外壳(33)两侧板，转动支架(34)底端通过轴承安装在摇臂(35)顶端，摇臂(35)底端、摇臂电机(36)、激光扫描仪(37)均通过螺钉安装在车平台(1)的上端盖(4)上。
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