CN114940222B - 一种具有坡地自适应调整的轻型履带底盘 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有坡地自适应调整的轻型履带底盘，包括分离式履带动力总成、高度调节机构、水平调节机构和平板连接体；分离式履带动力总成包括两个履带轮，高度调节机构的数量为两个，两个高度调节机构分别安装在两个履带轮的纵梁；水平调节机构包括两个水平调节部件，两个水平调节部件分别和两个高度调节机构的滑槽滑移连接用以调节平板连接体的高度；两个水平调节部件均和平板连接体的底部连接用以调节平板连接体的水平度。本发明通过将两个履带轮左右分离，从而实现整体的轻量化；通过高度调节机构和水平调节机构的配合实现平板调平，从而使整个履带底盘具有较强的地形行驶适应能力，本发明属于山地果园运输机技术领域。

Description

一种具有坡地自适应调整的轻型履带底盘

技术领域

本发明涉及山地果园运输机技术领域，具体涉及一种具有坡地自适应调整的轻型履带底盘。

背景技术

履带式运输机是在复杂路况下运输作业的机器，适用于普通运输车辆无法通行或者不适合通行的地方。履带式行走装置降低了机器与地面的单位面积压力，适合于山林、田地、沼泽、沙地、草地、雪地以及土质松软或气候条件不太好的场所。

履带式运输机(包括履带轮式运输车)爬坡能力强、通过性好，非常适合于山地果园，目前我国履带运输机的研究刚刚起步，未来履带式运输机在山地果园的比重会越来越大，履带式运输机也会朝着小型化和智能化方向迈进。

目前，常用的调平方案为液压支撑杆调平，存在响应速度慢、智能化程度低的问题。

目前山地果园履带式运输机可供改进的方向有：轻型化、多功能化、智能化，本发明主要解决了轻型化、智能化相关问题。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种轻型化且有较强的地形行驶适应能力的具有坡地自适应调整的轻型履带底盘。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有坡地自适应调整的轻型履带底盘，包括分离式履带动力总成、高度调节机构、水平调节机构和平板连接体；分离式履带动力总成包括两个履带轮，高度调节机构的数量为两个，两个高度调节机构分别安装在两个履带轮的纵梁；水平调节机构包括两个水平调节部件，两个水平调节部件分别和两个高度调节机构的滑槽滑移连接用以调节平板连接体的高度；两个水平调节部件均和平板连接体的底部连接用以调节平板连接体的水平度。

作为一种优选，履带轮包括履带、主动轮、从动轮、辅助从动轮、支撑架、纵梁、动力电池、控制器和高度传感器；主动轮和支撑架的一端转动连接，从动轮和支撑架的另一端转动连接，辅助从动轮的数量为若干个，若干个辅助从动轮和支撑架的顶部转动连接，若干个辅助从动轮和支撑架的底部转动连接；履带和主动轮绕接，履带和从动轮绕接，履带和所有的辅助从动轮绕接；动力电池安装在支撑架，控制器和高度传感器均和动力电池电性连接，纵梁安装在支撑架的一侧，高度调节机构安装在纵梁的上方，高度传感器安装于纵梁的底部朝向地面设置，高度传感器和控制器电性连接；主动轮连接有驱动电机，驱动电机和动力电池电性连接，驱动电机和控制器电性连接。

作为一种优选，高度调节机构包括空心柱、支撑肋和降噪弹簧；空心柱竖直安装在纵梁的上方，空心柱的一侧设有滑槽，滑槽连通空心柱的内部空间，降噪弹簧安装在空心柱的内部，水平调节部件和滑槽滑移连接，降噪弹簧的顶端顶向水平调节部件；支撑肋的数量为两个，两个支撑肋分别和空心柱的两侧连接，两个支撑肋均和纵梁连接。

作为一种优选，水平调节部件包括支架、高度电机、横轴电机、主动齿轮、从动齿轮和电机连接座；主动齿轮和高度电机的输出轴连接，支架和高度电机固定连接，从动齿轮和支架转动连接；空心柱的内部设有齿条，主动齿轮和从动齿轮均和齿条啮合；电机连接座和支架连接，高度电机和横轴电机通过电机连接座反向串联安装；横轴电机的输出轴和平板连接体连接；横轴电机和高度电机均和控制器电性连接，横轴电机和高度电机均和动力电池电性连接。

作为一种优选，平板连接体包括平板、纵轴电机、转动支撑架、倾角传感器、连接轴、横轴和纵轴；纵轴和纵轴电机的数量均为两个，两个纵轴分别和连接轴的两端连接，纵轴和连接轴之间通过纵轴电机连接；横轴的数量为两个，两个横轴均和连接轴连接，两个横轴沿连接轴对称分布，横轴和纵轴相互垂直；每个横轴和连接轴之间设有加劲肋；纵轴和连接轴均通过转动支撑架和平板连接，倾角传感器安装在平板，倾角传感器朝向连接轴设置；每个横轴远离连接轴的一端和一个横轴电机的输出轴固定连接；倾角传感器和控制器电性连接，倾角传感器和动力电池电性连接；纵轴电机和控制器电性连接，纵轴电机和动力电池电性连接。

作为一种优选，一种具有坡地自适应调整的轻型履带底盘还包括转动支撑机构，转动支撑机构的数量为四个，四个转动支撑机构中，四个转动支撑机构分别和两个履带轮的纵梁连接；转动支撑机构包括第一转向节、第二转向节、减震器和电动伸缩杆；第一转向节和纵梁连接，第一转向节和电动伸缩杆连接，电动伸缩杆和减震器连接，减震器和第二转向节连接，第二转向节和平板连接；电动伸缩杆和控制器电性连接，电动伸缩杆和动力电池电性连接。

作为一种优选，转动支撑架和纵轴固定连接，转动支撑架和连接轴转动连接；转动支撑架包括套筒和两个连接杆，和纵轴转动连接的转动支撑架中，套筒和纵轴固定连接，两个连接杆的一端均和套筒固定连接，两个连接杆的另一端均和平板固定连接，两个连接杆和平板呈三角形分布。

作为一种优选，动力电池采用锂电池。

作为一种优选，高度传感器采用反射式激光传感器或差分式距离传感器。

作为一种优选，履带采用橡胶材料制备，主动轮、从动轮和辅助从动轮均采用钢材制备。

总的说来，本发明具有如下优点：

1.本发明通过将常规的履带总成设置成分离式履带动力总成，将两个履带轮一左一右设置，并且两个履带轮不像常规的结构通过横梁连接在一起形成整体；采用驱动电机直接驱动主动轮从而简化了驱动结构，方便日后的检修与维护，实现了整体结构的轻量化。

2.本发明平板连接体连接了分离式履带动力总成，并在平板平衡过程中，限制了平板过度的相对位移，即实现了在满足更多调平工况的同时又保持了系统稳定性。

3.本发明通过电动伸缩杆工作调节支撑杆长度，比一般的液压系统有着更高的响应速度；其次，增添的减震器在提高减震性能的同时，还可以给电动伸缩杆提供冗余长度，降低因算法误差导致系统卡死失灵的概率。

4.本发明通过倾角传感器感知倾斜信息，然后控制器处理得到各电动伸缩杆合理的伸缩长度并控制电动伸缩杆动作，以此实现平板调平。相较于常见的调平技术，本发明有更好的效果；首先，由于使用了多个电动伸缩杆和平板连接体的设计，可以实现更大的调平角度；其次，本发明在固定平面角度的同时，可统一调节Z轴的高度或独立调节左右两侧分离式履带动力总成的Z轴高度，实现了更高的自由度。

5.本发明稳定性高，首先，一侧纵梁下表面的高度传感器检测到高度差，即履带轮与地面成一定角度而不是平行；其次，控制器解除该侧高度电机自锁，从而实现高度自适应、解除该侧横轴电机，从而实现角度自适应，最终使该侧履带轮在重力作用自适贴合坡度；最后，控制器将该侧高度电机自锁，实现整体系统的稳态。

6.本发明通过倾角传感器感知倾斜信息，然后控制器控制纵轴电机和横轴电机，使得平板调平。

附图说明

图1为一种具有坡地自适应调整的轻型履带底盘的立体图。

图2为水平调节机构和平板连接体连接的立体图。

图3为高度调节机构安装在履带轮的立体图。

图4为履带底盘自适应调整和调平示意图。

图5为履带底盘调平示意图。

图6为履带底盘在坡地情况下自适应调整和调平示意图。

图7为转动支撑机构的立体图。

其中，1为履带轮，2为高度调节机构，3为水平调节部件，4为平板连接体，5为平板，6为连接杆，7为套筒，8为纵轴，9为纵轴电机，10为连接轴，11为加劲肋，12为倾角传感器，13为横轴，14为电机连接座，15为支架，16为横轴电机，17为高度电机，18为主动齿轮，19为从动齿轮，20为履带，21为从动轮，22为主动轮，23为辅助从动轮，24为支撑架，25为动力电池，26为高度传感器，27为支撑肋，28为空心柱，29为滑槽，30为限位槽，31为水平支撑杆，32为齿条，33为第二转向节，34为避震器，35为电动伸缩杆，36为第一转向节。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。

一种具有坡地自适应调整的轻型履带底盘，包括分离式履带动力总成、高度调节机构、水平调节机构和平板连接体；分离式履带动力总成包括两个履带轮，高度调节机构的数量为两个，两个高度调节机构分别安装在两个履带轮的纵梁；水平调节机构包括两个水平调节部件，两个水平调节部件分别和两个高度调节机构的滑槽滑移连接用以调节平板连接体的高度；两个水平调节部件均和平板连接体的底部连接用以调节平板连接体的水平度。

履带轮包括履带、主动轮、从动轮、辅助从动轮、支撑架、纵梁、动力电池、控制器和高度传感器；主动轮和支撑架的一端转动连接，从动轮和支撑架的另一端转动连接，辅助从动轮的数量为若干个，若干个辅助从动轮和支撑架的顶部转动连接，若干个辅助从动轮和支撑架的底部转动连接；履带和主动轮绕接，履带和从动轮绕接，履带和所有的辅助从动轮绕接；动力电池安装在支撑架，控制器和高度传感器均和动力电池电性连接，纵梁安装在支撑架的一侧，高度调节机构安装在纵梁的上方，高度传感器安装于纵梁的底部朝向地面设置，高度传感器和控制器电性连接；主动轮连接有驱动电机，驱动电机和动力电池电性连接，驱动电机和控制器电性连接。本实施例中，主动轮为齿轮，从动轮和辅助从动轮均为滚轮。本实施例中，辅助从动轮的数量为九个，三个辅助从动轮位于支撑架的顶部，六个辅助从动轮位于支撑架的底部。

高度调节机构包括空心柱、支撑肋和降噪弹簧；空心柱竖直安装在纵梁的上方，空心柱的一侧设有滑槽，滑槽连通空心柱的内部空间，降噪弹簧安装在空心柱的内部，水平调节部件和滑槽滑移连接，降噪弹簧的顶端顶向水平调节部件；支撑肋的数量为两个，两个支撑肋分别和空心柱的两侧连接，两个支撑肋均和纵梁连接。

水平调节部件包括支架、高度电机、横轴电机、主动齿轮、从动齿轮和电机连接座；主动齿轮和高度电机的输出轴连接，支架和高度电机固定连接，从动齿轮和支架转动连接；空心柱的内部设有齿条，主动齿轮和从动齿轮均和齿条啮合；电机连接座和支架连接，高度电机和横轴电机通过电机连接座反向串联安装；横轴电机的输出轴和平板连接体连接；横轴电机和高度电机均和控制器电性连接，横轴电机和高度电机均和动力电池电性连接。本实施例的空心柱为内部空心，上下两端开口的结构，滑槽沿空心柱的长度方向设置，齿条沿空心柱的长度方向设置，从而高度电机的输出轴可以从滑槽伸入到空心柱内部，套在高度电机的输出轴上的主动齿轮和空心柱内部的齿条啮合，可以通过启动高度电机带动主动齿轮在齿条传动，从而调节平板的整体高度。从动齿轮和支架转动连接，并且和空心柱内的齿条啮合，支架支撑着高度电机和横轴电机，避免这两个电机直接受力。横轴电机的输出轴转动可以带动平板在水平方向摆动，从而实现平板调平。支架通过垂直支撑杆和电机连接座连接，支架通过水平支撑杆对主动齿轮进行限位，水平支撑杆和电机连接座连接。空心柱设有限位槽，限位槽设在滑槽同一侧，限位槽和滑槽延伸方向相同，水平支撑杆插入限位槽内，高度电机的输出轴插入滑槽内。

平板连接体包括平板、纵轴电机、转动支撑架、倾角传感器、连接轴、横轴和纵轴；纵轴和纵轴电机的数量均为两个，两个纵轴分别和连接轴的两端连接，纵轴和连接轴之间通过纵轴电机连接；横轴的数量为两个，两个横轴均和连接轴连接，两个横轴沿连接轴对称分布，横轴和纵轴相互垂直；每个横轴和连接轴之间设有加劲肋；纵轴和连接轴均通过转动支撑架和平板连接，倾角传感器安装在平板，倾角传感器朝向连接轴设置；每个横轴远离连接轴的一端和一个横轴电机的输出轴固定连接；倾角传感器和控制器电性连接，倾角传感器和动力电池电性连接；纵轴电机和控制器电性连接，纵轴电机和动力电池电性连接。横轴和连接轴构成十字型结构，纵轴和连接轴构成一字型结构。

一种具有坡地自适应调整的轻型履带底盘还包括转动支撑机构，转动支撑机构的数量为四个，四个转动支撑机构中，四个转动支撑机构分别和两个履带轮的纵梁连接；转动支撑机构包括第一转向节、第二转向节、减震器和电动伸缩杆；第一转向节和纵梁连接，第一转向节和电动伸缩杆连接，电动伸缩杆和减震器连接，减震器和第二转向节连接，第二转向节和平板连接；电动伸缩杆和控制器电性连接，电动伸缩杆和动力电池电性连接。转动支撑机构，可提高平板支撑力并丰富调平功能。

转动支撑架和纵轴固定连接，转动支撑架和连接轴转动连接；转动支撑架包括套筒和两个连接杆，和纵轴转动连接的转动支撑架中，套筒和纵轴固定连接，两个连接杆的一端均和套筒固定连接，两个连接杆的另一端均和平板固定连接，两个连接杆和平板呈三角形分布。

动力电池采用锂电池。采用锂电池达到减重的目的。动力电池不仅给动力系统供电，还给控制器和其他电气设备供电。

高度传感器采用反射式激光传感器或差分式距离传感器。反射式激光传感器做详细测控，差分式的模拟输出距离传感器进行简略控制。

履带采用橡胶材料制备，以此达到轻型化、噪声低、减小振动的设计目的。主动轮、从动轮和辅助从动轮均采用钢材制备。本实施例的主动轮可以采用一般传动系统，也可采用轮毂电机达到精简化、轻量化的目的。从动轮和辅助从动轮均采用钢材制备满足耐磨性的要求，从动轮起到稳定履带的作用。

纵梁和空心柱均采用铝合金制备。

对于控制器，可以采用STM32等单片机。控制器接收倾角传感器的角度信息、高度传感器的高度信息，并根据算法调节高度电机、横轴电机、纵轴电机旋转或自锁，以此实现底盘的自适应调整和平台的调平。除此之外，控制器可以增添新功能，比如：增加远程遥控功能，使本发明可远程遥控行进或平台按需调节高度角度；增加自动避障功能，使本发明可根据要求实现自动避障功能。

转动支撑机构由于对强度要求较高，可以采用铝合金来制作。转动支撑机构起到枢纽作用，即连接平板连接体和履带动力总成两大部件；同时是实现坡地自适应调整和平台调平的关键部件。

对于高度电机，可采用扭矩大的减速电机，其受控制器控制。通过驱动高度电机，可以调节连接轴的垂直高度。通过自锁高度电机，可以实现高度自锁。由于分离式履带动力总成的设计，两侧高度电机可以独立工作来调节该侧高度。

对于横轴电机，可采用扭矩大的减速电机，其受控制器控制。通过驱动横轴电机，可以调节连接轴的纵向与地面角度。通过自锁横轴电机，可以实现纵向与地面角度自锁。两侧横轴电机在坡度自适应调整时为非同步工作，在平板调平时为同步工作。

对于纵轴电机，可采用扭矩大的减速电机，其受控制器控制。通过驱动纵轴电机，可以调节连接轴的横向与地面角度。通过自锁纵轴电机，可以实现横向与地面角度自锁。两侧纵轴电机总是在同步工作。

支架、支撑肋和连接杆均采用铝合金制备。

主动齿轮和从动齿轮均采用高强度钢材。从动齿轮起到限位的作用。

对于平板，可采用普通的钢板，内部加有加强筋加固。

对于倾角传感器，可采用双轴倾角传感器，水平安装在平板中心下表面。倾角传感器检测X、Y轴倾角，并传送至控制器。

对于连接轴采用普通钢材。转向节起到连接自适应支撑转轴、平板作用，选用时优先考虑承载能力。

本实施例的调平原理：

(1)倾角传感器实时检测X(横)、Y(纵)轴方向的倾角，并将具体数据传送到控制器；接着，控制器将高度电机自锁，并根据X(横)、Y(纵)轴倾角数据驱动横轴电机和纵轴电机调平；最后，调平结束，控制器将横轴电动、纵轴电机自锁以维持稳定状态。

(2)一侧纵梁下表面的高度传感器检测到高度差，即履带动力总成与地面成一定角度而不是平行；随后，控制器解除该侧高度电机自锁，从而实现高度自适应、解除该侧横轴电机，从而实现角度自适应，最终使该侧履带动力总成在重力作用自适贴合坡度；最后，控制器将该侧高度电机自锁，实现整体系统的稳态。另一侧调节同理。

(3)通过电动伸缩杆工作调节支撑杆长度，比一般的液压系统有着更高的响应速度；其次，增添的减震器在提高减震性能的同时，还可以给电动伸缩杆提供冗余长度，降低因算法误差导致系统卡死失灵的概率。

(4)控制器将高度电机和横轴电机自锁解除，通过倾角传感器感知倾斜信息，然后控制器处理得到各电动伸缩杆合理的伸缩长度并控制电动伸缩杆动作，以此实现平板调平。相较于常见的调平技术，本发明有以下优点：首先，由于使用了多只伸缩杆和活动桥的设计，可以实现更大的调平角度；其次，本发明在固定平面角度的同时，可统一调节Z轴的高度或独立调节左右两侧分离式履带动力总成的Z轴高度，实现了更高的自由度。

上述四种调平方式可以单独使用，也可同时使用，通过控制器判断实际情况作出动作。

还可根据使用者意愿单独驱动高度电机，实现平台的升降功能。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有坡地自适应调整的轻型履带底盘，其特征在于：包括分离式履带动力总成、高度调节机构、水平调节机构和平板连接体；分离式履带动力总成包括两个履带轮，高度调节机构的数量为两个，两个高度调节机构分别安装在两个履带轮的纵梁；水平调节机构包括两个水平调节部件，两个水平调节部件分别和两个高度调节机构的滑槽滑移连接用以调节平板连接体的高度；两个水平调节部件均和平板连接体的底部连接用以调节平板连接体的水平度；履带轮包括履带、主动轮、从动轮、辅助从动轮、支撑架、纵梁、动力电池、控制器和高度传感器；主动轮和支撑架的一端转动连接，从动轮和支撑架的另一端转动连接，辅助从动轮的数量为若干个，若干个辅助从动轮和支撑架的顶部转动连接，若干个辅助从动轮和支撑架的底部转动连接；履带和主动轮绕接，履带和从动轮绕接，履带和所有的辅助从动轮绕接；动力电池安装在支撑架，控制器和高度传感器均和动力电池电性连接，纵梁安装在支撑架的一侧，高度调节机构安装在纵梁的上方，高度传感器安装于纵梁的底部朝向地面设置，高度传感器和控制器电性连接；主动轮连接有驱动电机，驱动电机和动力电池电性连接，驱动电机和控制器电性连接；

高度调节机构包括空心柱、支撑肋和降噪弹簧；空心柱竖直安装在纵梁的上方，空心柱的一侧设有滑槽，滑槽连通空心柱的内部空间，降噪弹簧安装在空心柱的内部，水平调节部件和滑槽滑移连接，降噪弹簧的顶端顶向水平调节部件；支撑肋的数量为两个，两个支撑肋分别和空心柱的两侧连接，两个支撑肋均和纵梁连接；

水平调节部件包括支架、高度电机、横轴电机、主动齿轮、从动齿轮和电机连接座；主动齿轮和高度电机的输出轴连接，支架和高度电机固定连接，从动齿轮和支架转动连接；空心柱的内部设有齿条，主动齿轮和从动齿轮均和齿条啮合；电机连接座和支架连接，高度电机和横轴电机通过电机连接座反向串联安装；横轴电机的输出轴和平板连接体连接；横轴电机和高度电机均和控制器电性连接，横轴电机和高度电机均和动力电池电性连接；

平板连接体包括平板、纵轴电机、转动支撑架、倾角传感器、连接轴、横轴和纵轴；纵轴和纵轴电机的数量均为两个，两个纵轴分别和连接轴的两端连接，纵轴和连接轴之间通过纵轴电机连接；横轴的数量为两个，两个横轴均和连接轴连接，两个横轴沿连接轴对称分布，横轴和纵轴相互垂直；每个横轴和连接轴之间设有加劲肋；纵轴和连接轴均通过转动支撑架和平板连接，倾角传感器安装在平板，倾角传感器朝向连接轴设置；每个横轴远离连接轴的一端和一个横轴电机的输出轴固定连接；倾角传感器和控制器电性连接，倾角传感器和动力电池电性连接；纵轴电机和控制器电性连接，纵轴电机和动力电池电性连接；转动支撑架和纵轴固定连接，转动支撑架和连接轴转动连接；

转动支撑架包括套筒和两个连接杆，和纵轴转动连接的转动支撑架中，套筒和纵轴固定连接，两个连接杆的一端均和套筒固定连接，两个连接杆的另一端均和平板固定连接，两个连接杆和平板呈三角形分布。

2.按照权利要求1所述的一种具有坡地自适应调整的轻型履带底盘，其特征在于：还包括转动支撑机构，转动支撑机构的数量为四个，四个转动支撑机构中，四个转动支撑机构分别和两个履带轮的纵梁连接；转动支撑机构包括第一转向节、第二转向节、减震器和电动伸缩杆；第一转向节和纵梁连接，第一转向节和电动伸缩杆连接，电动伸缩杆和减震器连接，减震器和第二转向节连接，第二转向节和平板连接；电动伸缩杆和控制器电性连接，电动伸缩杆和动力电池电性连接。

3.按照权利要求1所述的一种具有坡地自适应调整的轻型履带底盘，其特征在于：动力电池采用锂电池。

4.按照权利要求1所述的一种具有坡地自适应调整的轻型履带底盘，其特征在于：高度传感器采用反射式激光传感器或差分式距离传感器。

5.按照权利要求1所述的一种具有坡地自适应调整的轻型履带底盘，其特征在于：履带采用橡胶材料制备，主动轮、从动轮和辅助从动轮均采用钢材制备。

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