CN213765847U - 一种异步自平稳轮式差速运动系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种异步自平稳轮式差速运动系统，用于在地外天体表面自然地形中高效机动，包括承力机身、对称设置在所述承力机身左右两侧的轮式驱动机构，所述轮式驱动机构包括：U形悬架，所述U形悬架的中部通过轴承转动连接在所述承力机身的侧面；车轮，固定连接在所述U形悬架的两端，用于提供驱动力；对称布置的两弹簧组件，所述两弹簧组件的上端与所述承力机身的侧面相铰接，下端与U形悬架相铰接，用于在U形悬架时提供弹性支撑。本实用新型采用左右两侧异步被动适应地形的悬架方案，通过轮间差速实现转向，在保证月球等天体表面自然地形适应能力的情况下，具有系统简单可靠、控制方便的优势。

Description

一种异步自平稳轮式差速运动系统

技术领域

本实用新型涉及地外天体探测机器人运动系统，特别地，涉及一种异步自平稳轮式差速运动系统。

背景技术

月面地形条件复杂而严苛，是月球车等月面移动设施任务和系统设计的重要约束。月球表面分布着大大小小的撞击坑，撞击坑内测坡度可达35°。在撞击坑内部或外部高地上覆盖深厚、细腻的月表岩屑，同时分布有大量尺寸不一的碎石。这样的地形条件对于月面运动系统的移动系统是一个巨大挑战。现有的月球和火星探测机器人移动系统大多采用六轮摇臂式，其悬架构型对地形的适应主要通过主动控制来实现，同时车轮的驱动和转向进行分离控制，因此需要采用的驱动装置数量较多，控制难度大，系统复杂度高，在月壤、月尘环境中机械卡死等故障风险较大。

实用新型内容

本实用新型提供了一种异步自平稳轮式差速运动系统，用于在地外天体表面自然地形中高效机动，以解决现有月球和火星探测机器人驱动装置数量较多、控制难度大，系统复杂度高、行进时易机械卡死的技术问题。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种异步自平稳轮式差速运动系统，用于在地外天体表面自然地形中高效机动，包括承力机身、对称设置在所述承力机身左右两侧的轮式驱动机构，所述轮式驱动机构包括：

U形悬架，所述U形悬架的中部通过轴承转动连接在所述承力机身的侧面；

车轮，固定连接在所述U形悬架的两端，用于提供驱动力；

对称布置的两弹簧组件，所述两弹簧组件的上端与所述承力机身的侧面相铰接，下端与U形悬架相铰接，用于在U形悬架时提供弹性支撑。

进一步地，所述U形悬架的中部通过双边滚珠轴承转动连接在所述承力机身的侧面。

进一步地，两弹簧组件的上端通过弹簧组挂装连接件与所述承力机身的侧面相铰接，所述弹簧组挂装连接件的一端通过螺栓固定在所述承力机身的侧面，另一端对称设置有两个分别与两弹簧组件的上端相铰接的铰座。

进一步地，所述U形悬架上设置有若干减重孔。

进一步地，所述弹簧组件包括：

限位套筒；

限位套筒盖，通过螺纹可拆卸地连接设置在所述限位套筒两端；

第一顶杆，所述第一顶杆的一端固定设置在其中一限位套筒盖的外侧，另一端设置有铰接环；

第二顶杆，所述第二顶杆一端穿过另一限位套筒盖的中心孔延伸至所述限位套筒内与调节螺母螺纹连接，另一端设置有铰接环；

压缩弹簧，设置在所述限位套筒内，沿限位套筒轴向伸缩，其一端与连接第一顶杆的限位套筒盖相抵接，另一端与所述调节螺母相抵接。

进一步地，所述限位套筒圆柱面沿长度方向镂空设置有减重孔。

进一步地，所述车轮包括：

轮毂，所述轮毂的圆柱表面沿周向固定安装有轮面突齿，所述轮面突齿为中心对称的“T”字形结构；

电机驱动机构，所述电机驱动机构的外壳与U形悬架的端部固定连接，动力输出端与所述轮毂固定连接，驱动轮毂转动。

进一步地，所述轮毂的圆柱表面与轮面突齿之间还填充安装有硅胶垫片。

进一步地，所述电机驱动机构包括：

电机，所述电机的电机外壳与U形悬架的端部固定连接；

减速器，设置在所述电机外壳内，且与所述电机的输出轴相连接；

光电编码器，设置在所述电机外壳内，用于实现车轮角度位置的测量；

联轴器，分别与所述轮毂和减速器固定连接，用于减速器和轮毂之间的动力传递。

进一步地，所述承力机身包括：

两核心承力板，对称的设置在所述承力机身的左右两侧，且分别设置有减重孔、弹簧组挂装连接件安装位置和双边滚珠轴承安装位置；

机身承力架，由上至下的连接设置在所述两核心承力板之间；

第一载荷安装板、第二载荷安装板和第三载荷安装板，由上至下的设置在所述两核心承力板之间的机身承力架上；

保护蒙皮，覆盖在承力机身的表面，用于为机身提供外观，同时实现密封，从而抑制尘埃和电磁环境对系统电气组件的损坏和干扰。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型提供的异步自平稳轮式差速运动系统，采用左右两侧异步被动适应地形的U形悬架方案，通过轮间差速实现转向，在保证地形适应能力的情况下，实现了系统简单可靠，控制简单的优势。能够适应复杂地形的运动条件，能够直接跨域尺寸不超过250mm的石块障碍物；在崎岖路况中可有效的保持四个车轮对地形的抓附能力，抑制车轮架空导致的机动故障风险；在碎石遍布或者存在一定坡度的路况中抑制地形起伏变化对机器人机身位置和姿态保持的干扰作用，从而为传感器和执行器的正常工作提供平稳性。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本实用新型作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是本实用新型优选实施例的异步自平稳轮式差速运动系统立体示意图。

图2是本实用新型优选实施例的异步自平稳轮式差速运动系统侧视示意图。

图3是本实用新型优选实施例的异步自平稳轮式差速运动系统车轮分布俯视示意图。

图4是本实用新型优选实施例的异步自平稳轮式差速运动系统在崎岖的路况中行驶时的状态示意图。

图5是本实用新型优选实施例的弹簧组件结构示意图。

图6是本实用新型优选实施例的车轮立体示意图。

图7是本实用新型优选实施例的车轮剖视示意图。

图8是本实用新型优选实施例的轮面突齿立体示意图。

图9是本实用新型优选实施例的机身承力架和核心承力板装配示意图。

图10是本实用新型优选实施例的第一载荷安装板、第二载荷安装板、第三载荷安装板装配示意图。

图11是本实用新型优选实施例的保护蒙皮装配示意图。

图12是本实用新型优选实施例的核心承力板主视示意图。

图中：

1、承力机身；11、机身承力架；12、核心承力板；13、第一载荷安装板；14、第二载荷安装板；15、第三载荷安装板；16、保护蒙皮；17、弹簧组挂装连接件安装位置；18、双边滚珠轴承安装位置；2、弹簧组挂装连接件；3、弹簧组件；31、第一顶杆；32、压缩弹簧；33、限位套筒；34、调节螺母；35、限位套筒盖；36、第二顶杆；4、双边滚珠轴承；5、U形悬架；6、车轮；61、轮毂；62、轮面突齿；63、硅胶垫片；64、电机；65、减速器；66、光电编码器；67、电机外壳；68、联轴器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

参照图1～图4，本实用新型的优选实施例提供了一种异步自平稳轮式差速运动系统，用于在地外天体表面自然地形中高效机动，包括承力机身1、对称设置在所述承力机身1左右两侧的轮式驱动机构，承力机身1用于承力、安装和电气元件承载，

所述轮式驱动机构包括：

U形悬架5，所述U形悬架5的中部通过轴承转动连接在所述承力机身1的侧面，用于连接车轮6和承力机身1；

车轮6，固定连接在所述U形悬架5的两端，用于提供驱动力；

对称布置的两弹簧组件3，所述两弹簧组件3的上端与所述承力机身1的侧面相铰接，下端与U形悬架5相铰接，用于在U形悬架5时提供弹性支撑，通过压缩状态的弹簧实现U形悬架5的构型保持。

本实施例提供了一种异步自平稳轮式差速运动系统，该运动系统的各个组成部分左右对称分布，采用左右两侧异步被动适应地形的U形悬架方案，通过轮间差速实现转向，在保证地形适应能力的情况下，实现了系统简单可靠，控制简单的优势。能够适应复杂地形的运动条件，能够直接跨域尺寸不超过250mm的石块障碍物；在崎岖路况中可有效的保持四个车轮6对地形的抓附能力，抑制车轮6架空导致的机动故障风险；在碎石遍布或者存在一定坡度的路况中抑制地形起伏变化对机器人机身位置和姿态保持的干扰作用，从而为传感器和执行器的正常工作提供平稳性。

在本实用新型的优选实施例中，所述U形悬架5的中部通过双边滚珠轴承4转动连接在所述承力机身1的侧面。

在本实用新型的优选实施例中，两弹簧组件3的上端通过弹簧组挂装连接件2与所述承力机身1的侧面相铰接，所述弹簧组挂装连接件2的一端通过螺栓固定在所述承力机身1的侧面，另一端对称设置有两个分别与两弹簧组件3的上端相铰接的铰座。

在本实用新型的优选实施例中，所述U形悬架5上设置有若干减重孔，可以有效减轻U形悬架5的自重，减少运动过程中的能耗。

如图5所示，在本实用新型的优选实施例中，所述弹簧组件3包括：

限位套筒33；

限位套筒盖35，通过螺纹可拆卸地连接设置在所述限位套筒33两端；

第一顶杆31，所述第一顶杆31的一端固定设置在其中一限位套筒盖35的外侧，另一端设置有铰接环；

第二顶杆36，所述第二顶杆36一端穿过另一限位套筒盖35的中心孔延伸至所述限位套筒33内与调节螺母34螺纹连接，另一端设置有铰接环；

压缩弹簧32，设置在所述限位套筒33内，沿限位套筒33轴向伸缩，其一端与连接第一顶杆31的限位套筒盖35相抵接，另一端与所述调节螺母34相抵接。

本实施例所采用的弹簧组件3主要包括限位套筒33、限位套筒盖35、第一顶杆31、第二顶杆36、压缩弹簧32等。压缩弹簧32采用弹簧钢机械加工，其弹性系数设计为2000N/m。限位套筒33用于限制压缩弹簧32沿轴向压缩运动，同时避免实验过程中压缩弹簧32飞出的危险。限位套筒盖35与限位套筒33之间通过螺纹连接。第二顶杆36上安装调节螺母34，通过手动转动调节螺母34可以改变压缩弹簧32的初始压缩量，从而在机身质心有偏差的情况下保证运动系统机身的静态水平。弹簧组件3的限位套筒33、限位套筒盖35利用铝合金机械加工，第二顶杆36和调节螺母34采用钢材机械加工。

当在复杂地形中运动时，由于崎岖地形对运动系统车轮6的抬升作用，会导致悬架系统姿态迅速发生改变，此时大部分的相对运动动能被压缩弹簧32吸收，从而减缓了该部分动能传递到运动系统的承力机身1，从而保证了运动系统行驶时承力机身1的姿态几乎不受复杂地形的干扰。运动系统两侧的U形悬架5转动相对独立，其左右两侧的U形悬架5末端最大可以实现110mm的高度差，如图4所示。该轮式驱动机构的U形悬架5可以实现运动系统在崎岖的路况中行驶时四个车轮6对路面的附着能力，抑制月面低重力条件下车轮6悬空导致的运动失灵的风险。

另外，所述限位套筒33圆柱面沿长度方向镂空设置有减重孔，既可以减轻弹簧组件3的自重，同时还有利于对压缩弹簧32在不停的伸缩过程中产生的热量进行散热。

如图6～图8所示，所述车轮6包括：

轮毂61，所述轮毂61的圆柱表面沿周向固定安装有轮面突齿62，所述轮面突齿62为中心对称的“T”字形结构；

电机驱动机构，所述电机驱动机构的外壳与U形悬架5的端部固定连接，动力输出端与所述轮毂61固定连接，驱动轮毂61转动。

其中，所述轮毂61的圆柱表面与轮面突齿62之间还填充安装有硅胶垫片63。

具体地，所述电机驱动机构包括：

电机64，所述电机64的电机外壳67与U形悬架5的端部固定连接；

减速器65，设置在所述电机外壳67内，且与所述电机64的输出轴相连接；

光电编码器66，设置在所述电机外壳67内，用于实现车轮6角度位置的测量；

联轴器68，分别与所述轮毂61和减速器65固定连接，用于减速器65和轮毂61之间的动力传递。

本实施例的异步自平稳轮式差速运动系统采用了四个独立驱动的车轮6，通过轮间差速实现转向控制，各车轮6通过螺栓螺母固定连接在相应U形悬架5的末端。所述车轮6外径为254mm，宽150mm，单个车轮6的质量约为3kg(含电机64)。如图7所示，车轮6包括适应沙漠地区的轮毂61、轮面突齿62、硅胶垫片63、直流的电机64、减速器65、联轴器68、光电编码器66和电机外壳67。其中电机外壳67与U形悬架5的末端固定连接。

轮毂61采用铝合金6061机械加工，轮毂61的圆柱表面上打有108个M2螺纹孔，用于固定安装轮面突齿62和硅胶垫片63。将轮毂61的圆柱表面设计得较宽是为了减小车轮6与路面的压强，从而避免其在运动和转向时不陷入松软路面。图8所示为轮面突齿62，将轮面突齿62设计为中心对称的“T”字形，可以保证车轮6的抓地力，抑制车轮6在制动或定速运动时额外的切向或轴向的滑移。所述轮毂61的圆柱表面与轮面突齿62之间还填充安装有硅胶垫片63，从而增加车轮6的弹性，能够有效吸收碎石路面带来的冲击、震动等对轮毂61和电机64的损害，从而延长运动系统中车轮6的使用寿命。这款车轮6的组装式设计可以降低车轮6的维护成本，在地面试验中，当车轮6表面安装的轮面突齿62发生磨损时，可以通过更换硅胶垫片63和轮面突齿62来快速复原。

图7中的电机64为FTE-60GP有刷直流电机，采用24V直流供电，其额定功率为100W。将电机64对接到减速器65，所述减速器65为一个55倍减速比的行星减速齿轮箱，可以实现单个车轮6的16.9Nm的连续驱动力矩，其可以实现的转速为0～90rpm，其车轮6表面一点的线速度可以达到2.40m/s。这样的力矩和速度性能能够满足月面等环节的应用需要，同时也能够满足地面重力条件下机器人平台试验的需求。图7中的光电编码器66为500脉冲的光电编码器，可以实现车轮6角度位置0.01°的精度测量。电机外壳67用于为内部的电机64、减速器65和光电编码器66提供安装支持和密封保护，同时用于车轮6与U形悬架5固定连接。联轴器68用于实现减速器65和轮毂61的动力传递。联轴器68采用钢材加工，通过螺钉分别于轮毂61和减速器65的输出轴固定连接。

如图9至图12所示，在本实用新型的优选实施例中，所述承力机身1包括：

两核心承力板12，对称的设置在所述承力机身1的左右两侧，且分别设置有减重孔、弹簧组挂装连接件安装位置17和双边滚珠轴承安装位置18；

机身承力架11，由上至下的连接设置在所述两核心承力板12之间；

第一载荷安装板13、第二载荷安装板14和第三载荷安装板15，由上至下的设置在所述两核心承力板12之间的机身承力架11上；

保护蒙皮16，覆盖在承力机身1的表面，用于为机身提供外观，同时实现密封，从而抑制尘埃和电磁环境对系统电气组件的损坏和干扰。

两核心承力板12和机身承力架11主要提供承力和保护功能。两核心承力板12和机身承力架11的各个部组件由铝合金6061机械加工，其厚度大于10mm，整体通过M5螺钉固定连接而成。其中两核心承力板12为悬架系统提供安装和支撑。第一载荷安装板13、第二载荷安装板14和第三载荷安装板15分别为三个载荷安装板，用于承载运动系统电源、计算机、控制器和传感器等。根据设计，第一载荷安装板13可以用于承载视觉传感器和操作执行机构，第二载荷安装板14可以用于承载运动系统计算机和下位机等，第三载荷安装板15可用于承载电源、电机驱动器和供电、通信线缆等。保护蒙皮16为不锈钢蒙皮，为机身提供外观，同时实现密封，从而抑制月尘和电磁环境对系统电气组件的损坏和干扰。如图12所示，所述核心承力板12通过镂空工艺实现减重，同时设置弹簧组挂装连接件安装位置17和双边滚珠轴承安装位置18。

综上所述，本实用新型实施例提供的异步自平稳轮式差速运动系统，采用左右两侧异步被动适应地形的悬架方案，通过轮间差速实现转向，在保证月面地形适应能力的情况下，实现了系统简单可靠，控制简单的优势。该异步自平稳轮式差速运动系统可以为月球车和月球机器人提供高效的月面通过能力和平稳行驶能力，具有系统可靠性高，控制简单的优点。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种异步自平稳轮式差速运动系统，用于在地外天体表面自然地形中高效机动，包括承力机身(1)、对称设置在所述承力机身(1)左右两侧的轮式驱动机构，其特征在于，所述轮式驱动机构包括：

U形悬架(5)，所述U形悬架(5)的中部通过轴承转动连接在所述承力机身(1)的侧面；

车轮(6)，固定连接在所述U形悬架(5)的两端，用于提供驱动力及差速转向；

对称布置的两弹簧组件(3)，所述两弹簧组件(3)的上端与所述承力机身(1)的侧面相铰接，下端与U形悬架(5)相铰接，用于在U形悬架(5)时提供弹性支撑。

2.根据权利要求1所述的异步自平稳轮式差速运动系统，其特征在于，

所述U形悬架(5)的中部通过双边滚珠轴承(4)转动连接在所述承力机身(1)的侧面。

3.根据权利要求1所述的异步自平稳轮式差速运动系统，其特征在于，

两弹簧组件(3)的上端通过弹簧组挂装连接件(2)与所述承力机身(1)的侧面相铰接，所述弹簧组挂装连接件(2)的一端通过螺栓固定在所述承力机身(1)的侧面，另一端对称设置有两个分别与两弹簧组件(3)的上端相铰接的铰座。

4.根据权利要求1所述的异步自平稳轮式差速运动系统，其特征在于，所述U形悬架(5)上设置有若干减重孔。

5.根据权利要求1所述的异步自平稳轮式差速运动系统，其特征在于，所述弹簧组件(3)包括：

限位套筒(33)；

限位套筒盖(35)，通过螺纹可拆卸地连接设置在所述限位套筒(33)两端；

第一顶杆(31)，所述第一顶杆(31)的一端固定设置在其中一限位套筒盖(35)的外侧，另一端设置有铰接环；

第二顶杆(36)，所述第二顶杆(36)一端穿过另一限位套筒盖(35)的中心孔延伸至所述限位套筒(33)内与调节螺母(34)螺纹连接，另一端设置有铰接环；

压缩弹簧(32)，设置在所述限位套筒(33)内，沿限位套筒(33)轴向伸缩，其一端与连接第一顶杆(31)的限位套筒盖(35)相抵接，另一端与所述调节螺母(34)相抵接。

6.根据权利要求5所述的异步自平稳轮式差速运动系统，其特征在于，

所述限位套筒(33)圆柱面沿长度方向镂空设置有减重孔。

7.根据权利要求1所述的异步自平稳轮式差速运动系统，其特征在于，所述车轮(6)包括：

轮毂(61)，所述轮毂(61)的圆柱表面沿周向固定安装有轮面突齿(62)，所述轮面突齿(62)为中心对称的“T”字形结构；

电机驱动机构，所述电机驱动机构的外壳与U形悬架(5)的端部固定连接，动力输出端与所述轮毂(61)固定连接，驱动轮毂(61)转动。

8.根据权利要求7所述的异步自平稳轮式差速运动系统，其特征在于，

所述轮毂(61)的圆柱表面与轮面突齿(62)之间还填充安装有硅胶垫片(63)。

9.根据权利要求7所述的异步自平稳轮式差速运动系统，其特征在于，所述电机驱动机构包括：

电机(64)，所述电机(64)的电机外壳(67)与U形悬架(5)的端部固定连接；

减速器(65)，设置在所述电机外壳(67)内，且与所述电机(64)的输出轴相连接；

光电编码器(66)，设置在所述电机外壳(67)内，用于实现车轮角度位置的测量；

联轴器(68)，分别与所述轮毂(61)和减速器(65)固定连接，用于减速器(65)和轮毂(61)之间的动力传递。

10.根据权利要求1所述的异步自平稳轮式差速运动系统，其特征在于，所述承力机身(1)包括：

两核心承力板(12)，对称的设置在所述承力机身(1)的左右两侧，且分别设置有减重孔、弹簧组挂装连接件安装位置(17)和双边滚珠轴承安装位置(18)；

机身承力架(11)，由上至下的连接设置在所述两核心承力板(12)之间；

第一载荷安装板(13)、第二载荷安装板(14)和第三载荷安装板(15)，由上至下的设置在所述两核心承力板(12)之间的机身承力架(11)上；

保护蒙皮(16)，覆盖在承力机身(1)的表面，用于为机身提供外观，同时实现密封，从而抑制尘埃和电磁环境对系统电气组件的损坏和干扰。

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