CN1686760A - 九自由度六足全方位步行探测车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种九自由度六足全方位步行探测车，由机构合件，驱动盘合件，竖直驱动合件，水平驱动合件和腿合件以及转向电机、第一水平驱动电机、第二水平驱动电机、六个竖直驱动电机构成，所述的多个电机分别安装在所行使功能的合件结构上，机构合件，驱动盘合件，竖直驱动合件，水平驱动合件和腿合件通过各自设有的部件有机结合成一整体结构的九自由度六足全方位步行探测车。本发明探测车采用三维缩放机构的等效变换方法——杆件平移法，通过腿合件中的大腿和二力杆的平移改变缩放机构的结构形式而保持原机构的运动关系不变，并且腿合件的竖直运动与水平运动分离，每条腿的竖直运动引导点由独立的竖直驱动电机控制。

Description

九自由度六足全方位步行探测车

技术领域

本发明涉及一种月球车机械结构，具体地说，是指一种用于科学探测的九自由度六足全方位步行探测车。

背景技术

腿式移动系统是一个高度自动化机构，为了进行复杂协调的动作，整个骨胳系统需要多自由度；为了实行人工步行，就需要可变结构的复杂多变系统。因此，仿生步行车辆也必然是复杂多变的系统。

理论与实践证明：在崎岖路面上，腿式移动车辆优于轮式或履带式车辆，与轮式或履带式车辆相比，腿式移动系统有很大的优越性，这包括较大的机动性、在崎岖路面上的平稳性、有跨越障碍的能力以及较少环境损伤等。腿式移动系统具有多种用途，特别是星际开发、海底探测、矿井开采以及交战与营救的机器人等。

发明内容

本发明的目的是提供一种九自由度六足全方位步行探测车，所述探测车为仿生步行车辆，其采用三维缩放机构的等效变换方法——杆件平移法，通过腿合件中的大腿和二力杆的平移改变腿合件的运动关系不变，并且腿合件的竖直运动与水平运动分离，每条腿的竖直运动引导点由独立的竖直驱动电机控制。

本发明的一种九自由度六足全方位步行探测车，由机构合件，驱动盘合件，竖直驱动合件，水平驱动合件和腿合件以及转向电机、第一水平驱动电机、第二水平驱动电机、六个竖直驱动电机组成，所述的多个电机分别安装在所行使功能的合件结构上，机构合件，驱动盘合件，竖直驱动合件，水平驱动合件和腿合件通过各自设计的结构有机结合成一体的九自由度六足全方位步行探测车。

本发明探测车的优点：(1)转向运动的控制与腿适应地面的运动可以完全分离；(2)转向速度快，操纵简单，可靠性高；(3)不倒脚可一次转体任何角度，大大提高了步行车辆全方位运动的灵活性和机动性；(4)两个电机驱动的转向机构，转向控制算法简单，可较少或甚至不依赖计算机的帮助进行转向，有利于步行车辆转向的实时控制；(5)六条腿的竖直运动与水平运动分离，且单独控制，可以更好的适应地面，保持车身的稳定。还可通过对姿态的调整，防止车辆发生侧翻；(6)六足全方位步行探测车具有稳定的结构，并且可以进行姿态调整，因此具备较大的负载能力；(7)探测车进行科学探测时，六足同时着地，而且车身保持平稳，为仪器工作提供一个稳定地工作平台。

附图说明

图1是本发明探测车整体结构图。

图2是机构合件装配图。

图3是图2的A-A视图。

图4是水平驱动机构合件装配图。

图5是腿合件结构图。

图5A是腿合件的底座装配图。

图6是竖直驱动合件装配图。

图7是驱动盘合件装配图。

图中：     1.机构合件    101.法兰盘          102.顶板轴承座103.圆盘       104.焊板      105.竖直导轨架      106.底板107.衬板       108.电池仓    109.电池仓轴承座    110.机构合件轴承111.电池仓盖   112.吊耳      113.竖直电机固定板2.驱动盘合件   201.三角驱动盘            202.圆导轨203.滑轨       204.腿合件吊耳            205.吊耳座206.滑轨座                   207.轴瓦3.竖直驱动合件 301.腿螺母    302.梯形丝杠   303.梯形丝杠螺母304.滑动导轨   305.丝杠限位板               306.导轨    307.齿形带308.带轮       309.连接板    310.丝杠轴承4.水平驱动合件 401.电池仓电机架             402.电池仓电机固定板403.固定套筒   405.轴承      406.转向电机   407.转向电机联轴节408.第一水平驱动电机         409.第一电机座            410.销411.第二滑动板               412.第二圆导轨盘413.第二丝杠连接板           414.第二滚珠丝杠415.第二水平限位板         417.中间轴承座           418.联轴节419.第二水平驱动电机       420.第二滚珠丝杠螺母     421.键422.第一滚珠丝杠           423.第一滚珠丝杠螺母424.第一水平限位板         425.第一滚珠丝杠         426.第一圆导轨盘427.联轴节     428.键      429.销        430.第一滑动板431.第二电机座5.腿合件       501.髋      502.大腿      503.小腿   504.二力杆506.大腿轴承座             507.上端孔    508.中间孔509.吊耳孔     510.中间孔  511.下端孔    512.踏板   513.踏板套514.挡圈       515.传感器安放座          516.腿踝轴517.腿踝球头   518.腿踝球头圈            519.传感器框架

具体实施方式

请参见图1所示，本发明的九自由度六足全方位步行探测车由机构合件1、两个驱动盘合件2、竖直驱动合件3、水平驱动合件4、腿合件5和转向电机406、第一水平驱动电机419、第二水平驱动电机408、六个竖直驱动电机构成。九自由度六足全方位步行探测车所用的9个电机为永磁直流力矩电机，机构合件1、驱动盘合件2、竖直驱动合件3、水平驱动合件4和腿合件5采用钛合金加工形成所需结构。所述机构合件1、驱动盘合件2、竖直驱动合件3、水平驱动合件4和腿合件5五部分经有机的组装在一起，下面将分别对这五部分进行详细的分解说明。

机构合件1(请参见图2和图3所示)

机构合件1的电池仓盖111通过螺钉安装在电池仓108上，竖直导轨架105通过螺钉安装在底板106上，焊板104焊接在竖直导轨架105上，圆盘103通过螺栓安装在法兰盘111上，顶板轴承座102安装在法兰盘101上，机构合件轴承110的两端分别安装在电池仓轴承座109和顶板轴承座102内，竖直导轨架105的两个端部焊接有吊耳112，竖直电机固定板113焊接在竖直导轨架105的侧壁上，六个竖直驱动电机分别安装在竖直电机固定板113上。两个驱动盘合件2上的六个圆导轨(指驱动盘合件2中所指的圆导轨202)分别插入十二个吊耳112内。

驱动盘合件2(请参见图7所示)

驱动盘合件2的吊耳座205通过螺钉安装在三角驱动盘201的角臂端部，腿合件吊耳204安装在吊耳座205上；圆导轨202和滑轨203安装在滑轨座206里，轴瓦207安装在滑轨座206里，圆导轨202通过六角头铰制螺栓和弹簧垫圈安装在三角驱动盘201的角臂上。

本发明九自由度六足全方位步行探测车所需驱动盘为结构相同的两个驱动盘合件2构成。每个驱动盘合件2上设有三个角臂，每个角臂上分别设有吊耳座205、圆导轨202、滑轨203、滑轨座206和轴瓦207。

竖直驱动合件3(请参见图6所示)

竖直驱动合件3的齿形带307安装在竖直驱动电机上，带轮308通过连接板309和十字槽盘头螺钉安装在梯形丝杠302上，导轨306通过螺母、螺栓和平垫圈安装在竖直导轨架105上，滑动导轨304通过螺母、螺栓和平垫圈与腿螺母301连接，梯形丝杠螺母303安装在腿螺母301上，丝杠限位板305通过十字槽盘头螺钉安装在导轨306上，丝杠轴承310安装在梯形丝杠302里。腿螺母301在导轨306上滑动。

本发明九自由度六足全方位步行探测车所需竖直驱动为结构相同的六个竖直驱动合件3构成，并且每个竖直驱动合件3的结构设计相同。

水平驱动合件4(请参见图4所示)

水平驱动合件4的轴承405安装在电池仓电机架401上，转向电机联轴节407装在轴承405里，转向电机406驱动转向电机联轴节407，转向电机联轴节407与中间轴承座417联接，第二水平驱动电机419通过螺钉安装在第二电机座431上，第二滚珠丝杠414与第二水平驱动电机419通过键420与第二水平驱动电机419的联轴节418连接，联轴节418和第二电机座431安装在中间轴承座417里，第一滚珠丝杠螺母420套进第二滚珠丝杠414里，第二滚珠丝杠螺母420通过螺栓、螺母、弹簧垫圈安装在第二滚珠丝杠连接板413上，第二滚珠丝杠连接板413通过螺钉安装在第二圆导轨盘412上，第二水平限位板415通过螺钉安装在第二电机座431上，限制第二滚珠丝杠411的位置。第二滑动板411用销429固定在中间轴承座417上，三角驱动盘201安装在第二圆导轨盘412的槽内。第一水平驱动电机408通过螺钉安装在第一电机座409上，第一滚珠丝杠422与第一水平驱动电机408通过键428与第一水平驱动电机408的联轴节427连接，联轴节427和第一电机座409安装在中间轴承座417里，第一滚珠丝杠螺母423套进第一滚珠丝杠422里，第一滚珠丝杠螺母423通过螺栓、螺母、弹簧垫圈安装在第一滚珠丝杠连接板425上，第一滚珠丝杠连接板425通过螺钉安装在第一圆导轨盘426上，第一水平限位板424通过螺钉安装在第一电机座409上，限制第一滚珠丝杠422的位置。第一滑动板430用销410固定在中间轴承座417上，三角驱动盘201安装在第一圆导轨盘426的槽内。

腿合件5(请参见图5和图5A所示)

腿合件5的大腿轴承座506通过螺钉和弹簧垫圈固定在大腿502上，腿螺母301通过六角自锁螺母和弹簧垫圈安装在大腿轴承座506内，髋501上设有吊耳孔509、中间孔510和底端孔511，小腿503上设有上端孔507和中间孔508，二力杆504的一端安装在髋501的底端孔511上，二力杆504的另一端安装在小腿503的中间孔508上，即通过六铰头铰制螺栓将二力杆504安装在髋501与小腿503之间。大腿502的一端安装在髋501的中间孔510上，大腿502的另一端安装在小腿503的上端孔507上，即通过螺栓将大腿502安装在髋501和小腿503之间。踏板512安装在踏板套513内，踏板套513通过螺栓安装在传感器安放座515上，传感器520安装在传感器框架519上，传感器框架519通过螺栓安装在传感器安放座515上，脚踝球头517安装在脚踝球头圈518上，通过挡圈514安装在腿踝轴516上，脚踝轴516安装在脚踝球头517里，小腿503安装在脚踝轴516上，并用锁紧螺母锁紧。腿合件5通过髋501上的吊耳孔509与驱动盘合件2上的腿合件吊耳204连接，实现腿合件5与驱动盘合件2之间的连接。

本发明九自由度六足全方位步行探测车的六条腿由结构相同的六个腿合件5组成，每三条腿使用一个水平驱动电机进行驱动。

在本发明中，九自由度六足全方位步行探测车的设计特点为：

(A)采用三维缩放机构的等效变换方法——杆件平移法，通过缩放机构(腿合件5)中杆(大腿和二力杆)的平移改变缩放机构的结构形式而保持原机构的运动关系不变，以有利于结构设计、外观设计及安装性能的提高。

腿合件5的竖直运动与水九自由度六足全方位步行探测车的六条腿由结构相同的六个腿合件5组成，每三条腿使用一个水平驱动电机进行驱动。平运动分离，每条腿的竖直运动引导点由独立的竖直驱动电机控制。电机驱动梯形丝杠302旋转，安装在腿螺母301里的梯形丝杠螺母303上下运动，带动腿螺母301运动，腿螺母301连接到腿合件5的十字轴上，产生腿合件5的竖直运动。六条腿的竖直抬落运动的独立控制，可适应各种高低不平和地形。

六条腿的水平运动的引导点每三个为一组，分别与两个三角驱动盘201相连协同动作。髋501通过吊耳孔509连接到三角驱动盘201的腿合件吊耳204上。腿螺母301通过六角自锁螺母和弹簧垫圈安装在十字轴上，产生步行车辆竖直抬腿的运动。电机驱动圆导轨盘相对于三角驱动板201旋转，电机通过驱动滚珠丝杠旋转，滚珠丝杠螺母的水平运动，产生驱动圆导轨盘和三角驱动盘201一致的直线运动。实现任意角度的转向和前进的运动。

(B)驱动盘合件2中的驱动盘201为三角盘，分别控制三条腿的水平引导点，三角驱动盘201安装在第一圆导轨盘426和第二圆导轨盘412形成的圆槽里，即三角驱动盘201可以相对第一圆导轨盘426和第二圆导轨盘412滑动。第一水平驱动电机408和第二水平驱动电机419通过各自的电机座安装在中间轴承座417里，在两个水平驱动电机驱动滚珠丝杠条件下，与滚珠丝杠相连接的滚珠丝杠螺母通过滚珠丝杠连接板安装在圆导轨盘426、412上。第一水平驱动电机408和第二水平驱动电机419旋转，产生腿的水平运动。

(C)机构合件1中的底板106由衬板107支撑，焊接在电池仓108上，为竖直导轨架105的安装提供支撑。电机架通过螺栓，固定在底板106上。便于转向电机406的安装。底板106上开有六个圆形缺口，当驱动板移动时，防止腿合件5和底板106发生碰撞。

根据土壤力学的理论，可以解释腿的运动比轮式或履带式车辆有更高的机动性。在不规则地面上行驶时，腿式的平稳性也有利于体重的运输。本发明探测车相对于轮式和履带式车辆在不规则地面和松软土壤中行驶时具有明显的优点。

(一)耗能低

美国学者培克(M.G.Bekker)通过实现，测试了在33cm厚的松软土层的地面，对于履带式车辆推进所需的功率是7.45kw/t(10hp/t)，对于轮式车辆是11.2kw(15hp/t)，但对于腿式行走机构，则只需要5.22kw/t(7hp/t)土壤力学的理论，解释了腿的运动比轮式或履带车辆有更高的机动性，既轮子或履带沉陷入松软泥土中产生车辙，在行走中需要连续的向上爬，而腿只形成离散的脚印，当脚向后滑移时，挤压土壤，可增加牵引力。

(二)较大的越障能力

可以轻松跨过18cm～25cm的垂直障碍，而且车身基本保持平稳。

(三)较大的灵活性与机动性

可在脚与地面无滑动的情况下实现任意角度连续转向。

(四)转向控制极为简单

两个电机驱动的独特的转向机构，可以完全使用机械传动的控制方法实现多种转向方式，大大简化了探测车的转向控制过程，减少了转向电机的数量，降低了探测车的重量。

(五)极高的姿态调整能力

六条腿的竖直运动都是分离的，单独控制，可以更好的适应地面，保持车身的稳定。还可通过对姿的调整，防止探测车发生侧翻。

(六)较大的负载能力

六足全方位步行探测车具有稳定的结构，并且可以进行姿态调整，因此具备较大的负载能力。

(七)为有效载荷提供稳定的工作平台

探测车进行科学探测时，六足同时着地，而且车身保持平稳，为仪器工作提供一个稳定地工作平台。

Claims (5)

1、一种九自由度六足全方位步行探测车，其特征在于：由机构合件(1)，驱动盘合件(2)，竖直驱动合件(3)，水平驱动合件(4)和腿合件(5)以及转向电机(406)、第一水平驱动电机(419)、第二水平驱动电机(408)和六个竖直驱动电机构成，

所述机构合件(1)的电池仓盖(111)通过螺钉安装在电池仓(108)上，竖直导轨架(105)通过螺钉安装在底板(106)上，焊板(104)焊接在竖直导轨架(105)上，圆盘(103)通过螺栓安装在法兰盘(111)上，顶板轴承座(102)安装在法兰盘(101)上，机构合件轴承(110)的两端分别安装在电池仓轴承座(109)和顶板轴承座(102)内，竖直导轨架(105)的两个端部焊接有吊耳(112)，竖直电机固定板(113)焊接在竖直导轨架(105)的侧壁上，竖直驱动电机固定在竖直电机固定板(113)上，驱动盘合件(2)上的三个圆导轨分别插入吊耳(112)内；

所述驱动盘合件(2)的吊耳座(205)通过螺钉安装在驱动板(201)的角臂端部，腿合件吊耳(204)安装在吊耳座(205)上，圆导轨(202)和滑轨(203)安装在滑轨座(206)里，轴瓦(207)安装在滑轨座(206)里，圆导轨(202)通过六角头铰制螺栓和弹簧垫圈安装在三角驱动盘(201)的角臂上；

所述竖直驱动合件(3)的齿形带(307)安装在竖直驱动电机上，带轮(308)通过连接板(309)和十字槽盘头螺钉安装在梯形丝杠(302)上，导轨(306)通过螺母、螺栓和平垫圈安装在竖直导轨架(105)上，滑动导轨(304)通过螺母、螺栓和平垫圈与腿螺母(301)连接，梯形丝杠螺母(303)安装在腿螺母(301)上，丝杠限位板(305)通过十字槽盘头螺钉安装在导轨(306)上，丝杠轴承(310)安装在梯形丝杠(302)里，腿螺母(301)在导轨(306)上滑动；

所述水平驱动合件(4)的轴承(405)安装在电池仓电机架(401)上，转向电机联轴节(407)装在轴承(405)里，转向电机(406)驱动转向电机联轴节(407)，转向电机联轴节(407)与中间轴承座(417)联接，第二水平驱动电机(419)通过螺钉安装在第二电机座(431)上，第二滚珠丝杠(414)与第二水平驱动电机(419)通过键(420)与第二水平驱动电机(419)的联轴节(418)连接，联轴节(418)和第二电机座(431)安装在中间轴承座(417)里，第一滚珠丝杠螺母(420)套进第二滚珠丝杠(414)里，第二滚珠丝杠螺母(420)通过螺栓、螺母和弹簧垫圈安装在第二滚珠丝杠连接板(413)上，第二滚珠丝杠连接板(413)通过螺钉安装在第二圆导轨盘(412)上，第二水平限位板(415)通过螺钉安装在第二电机座(431)上，限制第二滚珠丝杠(411)的位置，第二滑动板(411)用销(429)固定在中间轴承座(417)上，三角驱动盘(201)安装在第二圆导轨盘(412)的槽内，第一水平驱动电机(408)通过螺钉安装在第一电机座(409)上，第一滚珠丝杠(422)与第一水平驱动电机(408)通过键(428)与第一水平驱动电机(408)的联轴节(427)连接，联轴节(427)和第一电机座(409)安装在中间轴承座(417)里，第一滚珠丝杠螺母(423)套进第一滚珠丝杠(422)里，第一滚珠丝杠螺母(423)通过螺栓、螺母和弹簧垫圈安装在第一滚珠丝杠连接板(425)上，第一滚珠丝杠连接板(425)通过螺钉安装在第一圆导轨盘(426)上，第一水平限位板(424)通过螺钉安装在第一电机座(409)上，限制第一滚珠丝杠(422)的位置，第一滑动板(430)用销(410)固定在中间轴承座(417)上，三角驱动盘(201)安装在第一圆导轨盘(426)的槽内；

所述腿合件(5)的大腿轴承座(506)通过螺钉和弹簧垫圈固定在大腿(502)上，腿螺母(301)通过六角自锁螺母和弹簧垫圈安装在大腿轴承座(506)内，髋(501)上设有吊耳孔(509)、中间孔(510)和底端孔(511)，小腿(503)上设有上端孔(507)和中间孔(508)，二力杆(504)的一端安装在髋(501)的底端孔(511)上，二力杆(504)的另一端安装在小腿(503)的中间孔(508)上；大腿(502)的一端安装在髋(501)的中间孔(510)上，大腿(502)的另一端安装在小腿(503)的上端孔(507)上；踏板(512)安装在踏板套(513)内，踏板套(513)通过螺栓安装在传感器安放座(515)上，传感器(520)安装在传感器框架(519)上，传感器框架(519)通过螺栓安装在传感器安放座(515)上，脚踝球头(517)安装在脚踝球头圈(518)上，通过挡圈(514)安装在腿踝轴(516)上，脚踝轴(516)安装在脚踝球头(517)里，小腿(503)安装在脚踝轴(516)上，并用锁紧螺母锁紧。

2、根据权利要求1所述的九自由度六足全方位步行探测车，其特征在于：腿合件(5)上的大腿(502)和二力杆(504)采用杆件平移法腿合件(5)的运动关系。

3、根据权利要求1所述的九自由度六足全方位步行探测车，其特征在于：腿合件(5)的竖直运动与水平运动分离，每条腿的竖直运动引导点由独立的竖直驱动电机控制。

4、根据权利要求1所述的九自由度六足全方位步行探测车，其特征在于：机构合件(1)、驱动盘合件(2)、竖直驱动合件(3)、水平驱动合件(4)和腿合件(5)采用钛合金加工。

5、根据权利要求1所述的九自由度六足全方位步行探测车，其特征在于：转向电机(406)、第一水平驱动电机(419)、第二水平驱动电机(408)和六个竖直驱动电机为永磁直流力矩电机。

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