CN113212800B - 传动-执行系统解耦的着陆巡视机器人 - Google Patents

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Abstract

一种传动‑执行系统解耦的着陆巡视机器人，包括：主结构箱体及设置于其四个侧面的腿机构，每个腿机构包括：执行装置及其传动‑离合装置；执行装置包括：主驱动套筒、用于吸收竖直方向的冲击能量的主缓冲器、两套用于吸收水平方向的冲击能量的辅缓冲器、动平台和足垫，主驱动套筒通过虎克铰与主结构箱体相连，主驱动套筒通过移动副与主缓冲器套筒相连，主缓冲器套筒与动平台固定相连，且主缓冲器的活塞杆通过球铰与足垫相连，辅缓冲器的活塞杆通过球铰与动平台相连。本发明通过将传动系统与执行系统的分离化解耦设计，引入了离合器设计原理和机构死点奇异增力特性，规避掉了着陆冲击力流传导至驱动元件的路径而使其直接传导至主结构箱体，提高了驱动元件与行走机构的安全性。

Description

传动-执行系统解耦的着陆巡视机器人
技术领域
本发明涉及的是一种空间探测器领域的技术，具体是一种传动-执行系统解耦的着陆巡视机器人。
背景技术
外星进入式探测是认知星球起源和演化的重要技术手段，要求着陆探测装备能够安全可靠地在外星表面着陆，并进而在星球表面实现区域移动式探测。现有专利提出了着陆巡视机器人或腿式移动着陆器的概念，通过实现着陆器和巡视器的两器融合使机器人在着陆缓冲后便能直接巡视探测外星表面。但是，现有专利方案大都将驱动元件直接安装到被驱动的关节上，忽略了着陆阶段的冲击力流对精密驱动元件的危害作用，从而使整个机器人的工作可靠性下降。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种传动-执行系统解耦的着陆巡视机器人，提出通过传动系统与执行系统的分离化解耦设计，提高驱动元件与行走机构的安全性，使机器人在着陆阶段和巡视阶段分别具有更优的着陆缓冲位形和巡视行走位形。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种传动-执行系统解耦的着陆巡视机器人，包括：主结构箱体及设置于其四个侧面的腿机构，每个腿机构包括：执行装置及其传动-离合装置。
所述的执行装置包括：主驱动套筒、用于吸收竖直方向的冲击能量的主缓冲器、两套用于吸收水平方向的冲击能量的辅缓冲器、动平台和足垫，其中：主驱动套筒通过虎克铰与主结构箱体相连，主驱动套筒通过移动副与主缓冲器套筒相连，主缓冲器套筒与动平台固定相连，且主缓冲器的活塞杆通过球铰与足垫相连，辅缓冲器的活塞杆通过球铰与动平台相连。
所述的主缓冲器和辅缓冲器中的缓冲材料为铝蜂窝式、金属泡沫式、气液式、电液式或磁流变式缓冲材料。
所述的传动-离合装置包括：与主缓冲器对应的主传动-离合装置和与辅缓冲器对应的辅传动-离合装置，其中：主传动-离合装置包括：依次相连的主驱动元件、第一主传动连杆和第二主传动连杆以及相互铰接的第一主传动离合连杆和第二主传动离合连杆，其中：主驱动元件与主驱动套筒固定相连，且主驱动元件的输出轴与第一主传动连杆固定相连，第一主传动连杆通过球铰与第二主传动连杆相连，第一主传动离合连杆通过球铰与第二主传动连杆相连且通过转动铰链与主驱动套筒相连，第二主传动离合连杆通过转动铰链与主缓冲器套筒相连；辅传动-离合装置包括：辅驱动元件、第一辅传动连杆、第二辅传动连杆、支座、第三辅传动连杆、第四辅传动连杆、滑块、导轨、导轨安装座以及设置于滑块上的离合器，其中：辅驱动元件安装在主结构箱体上且其输出轴与第一辅传动连杆固定相连，第二辅传动连杆通过球铰与第一辅传动连杆和第三辅传动连杆分别相连，支座固定在主结构箱体上，第三辅传动连杆通过转动铰链与支座和第四辅传动连杆分别相连，滑块通过转动铰链与第四辅传动连杆相连且通过移动副与导轨相连，导轨安装座分别与导轨和主结构箱体固定连接。
所述的主驱动元件和辅驱动元件采用伺服电机或液压马达，并搭配丝杠传动、齿轮传动、带传动、蜗杆传动、连杆传动。
所述的离合器采用连杆机构、电磁插销或火工装置等。
技术效果
本发明具有折叠展开、着陆缓冲、巡视行走、地形适应、姿态调整五大核心功能。与现有技术相比，本发明的腿机构除了集着陆缓冲功能和巡视行走功能于一体之外，更重要的是，实现了传动系统与执行系统的分离化解耦设计，充分考虑了着陆冲击力流的传递路径与规律。能够有效地保护精密驱动元件不被冲击力流破坏，从而保证了工作的安全性和可靠性。
附图说明
图1为本实施例在着陆状态下的示意图；
图2为本实施例在巡视状态下的示意图；
图3为腿机构的示意图；
图4为执行装置示意图；
图5为主传动-离合装置的示意图；
图6为辅传动-离合装置的示意图；
图中：主结构箱体100、腿机构200、执行装置300、主驱动套筒301、主缓冲器套筒302、辅缓冲器套筒303、辅缓冲器活塞杆304、动平台305、主缓冲器活塞杆306、足垫307、主传动-离合装置400、主驱动元件401、第一主传动连杆402、第二主传动连杆403、第一主传动离合连杆404、第二主传动离合连杆405、辅传动-离合装置500、辅驱动元件501、第一辅传动连杆502、第二辅传动连杆503、支座504、第三辅传动连杆505、第四辅传动连杆506、离合滑块507、导轨508、导轨安装座509。
具体实施方式
如图1和图2所示，本实施例包括：主结构箱体100及设置于其四个侧面的腿机构200。
如图3所示，所述的腿机构200包括：执行装置300、主传动-离合装置400和辅传动-离合装置500。
如图4所示，所述的执行装置300包括：主驱动套筒301、主缓冲器套筒302、辅缓冲器套筒303、辅缓冲器活塞杆304、动平台305、主缓冲器活塞杆306、足垫307，其中：主驱动套筒301通过虎克铰与主结构箱体100相连，主驱动套筒301通过移动副与主缓冲器套筒302相连，主缓冲器套筒302与动平台305固定相连，且主缓冲器活塞杆306通过球铰与足垫307相连，辅缓冲器活塞杆304通过球铰与动平台305相连。
如图5所示，所述的主传动-离合装置400包括：依次相连的主驱动元件401、第一主传动连杆402、第二主传动连杆403、相互铰接的第一主传动离合连杆404和第二主传动离合连杆405，其中：主驱动元件401与主驱动套筒301固定相连，且主驱动元件401的输出轴与第一主传动连杆402固定相连，第一主传动连杆402通过球铰与第二主传动连杆403相连，第一主传动离合连杆404通过球铰与第二主传动连杆403相连且通过转动铰链与主驱动套筒301相连，第二主传动离合连杆405通过转动铰链与主缓冲器套筒302相连。
如图6所示，所述的辅传动-离合装置500包括：辅驱动元件501、第一辅传动连杆502、第二辅传动连杆503、支座504、第三辅传动连杆505、第四辅传动连杆506、离合滑块507、导轨508、导轨安装座509，其中：辅驱动元件501安装在主结构箱体100上且其输出轴与第一辅传动连杆502固定相连，第二辅传动连杆503通过球铰与第一辅传动连杆502和第三辅传动连杆505分别相连，支座504固定在主结构箱体100上，第三辅传动连杆505通过转动铰链与支座504和第四辅传动连杆506分别相连，离合滑块507通过转动铰链与第四辅传动连杆506相连且通过移动副与导轨508相连，导轨安装座509分别与导轨508和主结构箱体100固定连接。离合滑块507上自带有离合器能够控制其与导轨508相对运动或固定。
所述的传动-执行系统解耦是指：①在着陆阶段，主传动-离合装置400中的第一主传动离合连杆404和第二主传动离合连杆405上的三个转动铰链共面，此时该机构处于死点位置的同时二者铰接处的机械结构限位亦使得二者固定无变形，即无法继续相对运动；辅传动-离合装置500中的第三辅传动连杆505和第四辅传动连杆506上的三个转动铰链共面，此时该机构处于死点位置，离合滑块507上的自带的离合器此时处于抱死固定状态，因此该阶段能够有效保证单腿的三个虎克铰相对主结构箱体100固定不动且腿机构200仅具有着陆缓冲功能，由于传动系统与执行系统解耦，冲击力流基本不经过驱动元件，因此驱动元件能够得到有效保护，并且腿机构200能够提供稳定、可靠的缓冲位形，有效提高可靠性和抗冲击能力。②在巡视阶段，离合滑块507上的离合器松开，以使其具有相对导轨508运动能力。在主驱动元件401和辅驱动元件501的共同作用下，主传动离合装置400和辅传动离合装置500均可实现受控运动，从而使腿机构200具备三维移动能力，能够提供较大的三维平动工作空间，以保证行走稳定性和速度。进而该机器人实现巡视功能。
经过具体实际实验，本实施例在UG NX12.0的软件环境中进行1:1设计建模，得到主结构箱体边长为2.46m，整机高度为2.18m。进一步在使用UG NX12.0自带的运动仿真求解器进行仿真解算，得到在当前参数下本实施例可以以最大步长0.98m、最大步高0.81m进行静态行走。
与现有技术相比，本发明提高了驱动元件与行走机构的着陆冲击安全性。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (3)

1.一种传动-执行系统解耦的着陆巡视机器人，其特征在于，包括：主结构箱体及设置于其四个侧面的腿机构，每个腿机构包括：执行装置及其传动-离合装置；所述的执行装置包括：主驱动套筒、用于吸收竖直方向的冲击能量的主缓冲器、两套用于吸收水平方向的冲击能量的辅缓冲器、动平台和足垫，其中：主驱动套筒通过虎克铰与主结构箱体相连，主驱动套筒通过移动副与主缓冲器套筒相连，主缓冲器套筒与动平台固定相连，且主缓冲器的活塞杆通过球铰与足垫相连，辅缓冲器的活塞杆通过球铰与动平台相连；
所述的传动-离合装置包括：与主缓冲器对应的主传动-离合装置和与辅缓冲器对应的辅传动-离合装置，其中：主传动-离合装置包括：依次相连的主驱动元件、第一主传动连杆和第二主传动连杆以及相互铰接的第一主传动离合连杆和第二主传动离合连杆，其中：主驱动元件与主驱动套筒固定相连，且主驱动元件的输出轴与第一主传动连杆固定相连，第一主传动连杆通过球铰与第二主传动连杆相连，第一主传动离合连杆通过球铰与第二主传动连杆相连且通过转动铰链与主驱动套筒相连，第二主传动离合连杆通过转动铰链与主缓冲器套筒相连；辅传动-离合装置包括：辅驱动元件、第一辅传动连杆、第二辅传动连杆、支座、第三辅传动连杆、第四辅传动连杆、滑块、导轨、导轨安装座以及设置于滑块上的离合器，其中：辅驱动元件安装在主结构箱体上且其输出轴与第一辅传动连杆固定相连，第二辅传动连杆通过球铰与第一辅传动连杆和第三辅传动连杆分别相连，支座固定在主结构箱体上，第三辅传动连杆通过转动铰链与支座和第四辅传动连杆分别相连，滑块通过转动铰链与第四辅传动连杆相连且通过移动副与导轨相连，导轨安装座分别与导轨和主结构箱体固定连接；
所述的传动-执行系统解耦是指：①在着陆阶段，主传动-离合装置中的第一主传动离合连杆和第二主传动离合连杆上的三个转动铰链共面，此时该机构处于死点位置的同时二者铰接处的机械结构限位亦使得二者固定无变形，即无法继续相对运动；辅传动-离合装置中的第三辅传动连杆和第四辅传动连杆上的三个转动铰链共面，此时该机构处于死点位置，离合滑块上的自带的离合器此时处于抱死固定状态，因此该阶段能够有效保证单腿的三个虎克铰相对主结构箱体固定不动且腿机构仅具有着陆缓冲功能；②在巡视阶段，离合滑块上的离合器松开，以使其具有相对导轨运动能力；在主驱动元件和辅驱动元件的共同作用下，主传动离合装置和辅传动离合装置均可实现受控运动，从而使腿机构具备三维移动能力。
2.根据权利要求1所述的传动-执行系统解耦的着陆巡视机器人，其特征是，所述的主驱动元件和辅驱动元件采用伺服电机或液压马达，并搭配丝杠传动、齿轮传动、带传动、蜗杆传动、连杆传动。
3.根据权利要求1所述的传动-执行系统解耦的着陆巡视机器人，其特征是，所述的离合器采用连杆机构、电磁插销或火工装置。
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