CN104691642B - 一种多相位连杆轮驱动机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多相位连杆轮驱动机构，包括行动轮、越障连杆、小轮以及连接在小轮上的薄板连杆；行动轮和越障连杆上分别设有定位孔，由活动销轴通过定位孔将行动轮与越障连杆连在一起；每个行动轮上安装有一个小轮，小轮相对于对应的行动轮完全固定，小轮和对应的行动轮不共圆心，并且小轮覆盖行动轮的圆心；动力轴位于行动轮的圆心上；小轮的圆心到行动轮的轴心连线与连杆定位孔到行动轮的轴心连线所成夹角，即两条连线不能重合；薄板连杆上开有若干圆槽，并通过圆槽使薄板连杆外嵌在小轮上，圆槽的直径应稍大于小轮的直径，小轮内嵌在圆槽中，小轮可以在圆槽中自由转动，薄板连杆跟随小轮一起绕动力轴转动。该机构控制简单、行走机构简洁，可以有效解决“奇异点”问题，相对于其他行走机构有着显著的优点。

Description

一种多相位连杆轮驱动机构

技术领域

本发明涉及一种驱动装置，特别涉及一种多相位连杆轮驱动机构。

背景技术

越障机构是移动机器人领域的重要组成部分，在现实生活中有着广泛的应用。随着自然灾害、森林火灾、核事故、地震救援等事件的频发以及人类对未知领域的探索的增长，人类迫切希望感知这些环境，以达到收集信息、缓解灾难、抢救伤员等目的。因此需要一种越障机构来帮助人们去解决这个问题。目前，所使用的越障机构主要有轮式、履带式、腿式、混合式、连杆式等结构，在使用过程中，这些越障结构中都存在一定的不足之处：其中履带具有对地压力小，在松软的地面附着能力和通过性能好，爬楼梯、越障平稳性高，但是不能避免笨重的履带、功耗高和对地形的破坏等代价；腿式越障机构能够在非规整的地形下很好的行走，但它自由度过多，付出了运动效率过低、控制较复杂等代价；混合式越障机构综合使用了各种机构的优点，尽量使其适应各种地形，但是机械结构复杂，控制难度较大，效率较差。轮式结构有其自身的特点，具有承重大、机构简单、驱动和控制相对方便、行走速度快、工作效率高等特点，但它的越障效果不如前面的所述的几种。连杆式相对前面几种的越障效果较好，但由于其机构自身存在“奇异点”问题，当连杆运动到水平位置时，极容易发生卡死现象，造成机构无法正常行进。

现有连杆式机构一般采用单根直杆的形式，普遍存在“奇异点”问题：当直杆运动到与轮子的轴心孔同一水平线上时，前、后轮所连接的连杆驱动点两点之间的合力为0，彼此无作用力，既不能驱动连杆两端同时向前运动，也不能驱动其同时向后运动，即连杆两侧无法向同一方位行进，极易发生连杆错位(一端向下，另一端向上，连杆卡在两轮之间)的现象，致使轮子无法正常行进。

分析以上原理可知，假如当直杆运动到与轮子的轴心孔同一水平线上时，若还存在一根或多根不在此水平线上的连杆可以驱动行动轮继续前进或后退，此时与轮子轴心孔在同一水平线上的那根连杆则会由于轮子的继续转动，而随着轮子继续向同一方位行进，故而避免连杆错位。因此，“奇异点”问题可以通过安装多套不同相位的连杆来解决。

但若直接在轮子的外侧安装多相位连杆，必然会致使两根或多根连杆在运动过程中相互碰撞，而发生运动干涉的问题；若直接在轮子的内、外两侧分别安装多相位连杆，则安装在内侧的连杆在运动过程中必然会存在与动力轴相互碰撞，而发生运动干涉的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多相位连杆轮驱动机构，该机构可以克服现有越障机构不能兼顾在规整地形行走机构的稳定性、平衡性以及非规整地形下的越障能力的问题，并且可以有效解决“奇异点”问题；在平坦地面可以以轮式方式高效率运动，而在非规整地形中可以借助多相位连杆联动有效通过障碍，解决了连杆式机构运动干涉的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多相位连杆轮驱动机构，包括行动轮(3)、越障连杆(1)、小轮(4)以及连接在小轮(4)上的薄板连杆(2)；

所述行动轮(3)的个数至少为两个，行动轮(3)和越障连杆(1)上分别设有定位孔(6),由活动销轴通过定位孔(6)将行动轮(3)与越障连杆(1)连在一起；每个行动轮(3)上安装有一个小轮(4)，小轮(4)相对于对应的行动轮完全固定(可以为一个简单圆台结构)，小轮(4)和对应的行动轮(3)不共圆心，并且小轮(4)覆盖行动轮(3)的圆心；

动力轴位于行动轮(3)的圆心上，由于前面的描述可知，动力轴通过小轮(4)而不在小轮(4)的圆心上，即动力轴穿过驱动孔(5)位于小轮(4)的偏心和行动轮(3)的圆心；小轮(4)的圆心到行动轮(3)的轴心连线与连杆定位孔(6)到行动轮(3)的轴心连线所成夹角在(0，π)范围内，也就是说：假设小轮(4)的圆心到行动轮(3)的轴心连线为l₁，连杆定位孔(6)到行动轮(3)的轴心连线为l₂，在固定小轮(4)和行动轮(3)时，应使l₁和l₂所成夹角在(0，π)范围内，即两条连线不能重合；

所述薄板连杆(2)上开有若干圆槽，并通过圆槽使薄板连杆(2)外嵌在小轮(4)上，圆槽的直径应稍大于小轮(4)的直径，小轮(4)内嵌在圆槽中，小轮可以在圆槽中自由转动，薄板连杆(2)跟随小轮(4)一起绕动力轴转动；行动轮(3)和小轮(4)固定在一起，且均与动力轴相连，当小轮(4)转动时，行动轮(3)也会绕着圆心处的轴心孔做轮式转动。

进一步，所述行动轮(3)上的定位孔(6)位置尽可能地靠近于轮子的边缘，且各个轮子的定位孔(6)到各自圆心点的距离要一致。

进一步，小轮(4)的圆心到行动轮(3)的轴心连线与连杆定位孔(6)到行动轮(3)的轴心连线所成夹角为π/2。

进一步，所述的越障连杆(1)和薄板连杆(2)的材料为金属、木质或有机高分子聚合物；越障连杆(1)底部涂有防滑材料，防滑材料可以是橡胶等，其作用是当越障连杆(1)搭到障碍物上时，防止连杆滑动。

本发明的有益效果在于：与现有技术相比，本发明针对单个连杆普遍存在的“奇异点”问题，以多相位连杆驱动，达到行使过程中动态平衡的目的。有效解决了连杆式越障轮的“奇异点”和运动干涉问题。依靠多相位连杆驱动，遇到障碍物时越障连杆和薄板连杆之间可以自动切换，支撑整个机体，无需控制***的检测与控制，具有很高的可靠性和简洁性；越障过程更加高效可靠，兼顾了轮式和偏心式结构在规整和非规整地形下的越障能力和运动效率的问题，并且机械结构比较简单，运动速度快，控制比较简单，比较容易实现，在规整地形下运动效率较高并且在非规整地形下越障效果较好。该发明效率高、能耗低、应用范围广，广泛适用于工作在特殊环境中的设备，如越障移动机器人，救灾机器人，救援装置等。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明的立体结构图；

图2为本发明的外部视图；

图3为本发明结构的***视图；

图4为本发明在平坦地形下行进时某一瞬间示意图；

图5为本发明在非规整地形下行进的过程示意图；

其中：1-越障连杆；2-薄板连杆；3-行动轮；4-小轮；5-驱动孔；6-定位孔。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明的立体结构图，为了便于说明，仅给出与本发明相关的部分。

一种多相位连杆轮驱动机构，在本实施例中，以n＝2(每侧两个行动轮)为例，包括行动轮(3-1)和行动轮(3-2)以及连接在行动轮(3)上的越障连杆(1)，越障连杆(1)上分别设有定位孔(6-1)和定位孔(6-2)，由活动销轴通过定位孔(6)将行动轮(3)与越障连杆(1)连在一起，行动轮(3)上的定位孔(6)靠近于轮子的圆周的位置。行动轮(3)的轴心通过动力轴和小轮(4)的驱动孔(5)连接在一起，小轮(4)内嵌在薄板连杆(2)中，薄板连杆(2)随着小轮(4)一起转动。每个行动轮(3)和小轮(4)由一个驱动轴驱动，越障连杆(1)和薄板连杆(2)上涂有防滑材料，以便搭到障碍物上，并防止滑动。越障连杆(1)和薄板连杆(2)可以是金属、木质或有机高分子聚合物等任何能实现这一功能的材料。该越障机构的行走机构属于并联机构，通过动力轴进行驱动，越障连杆(1)和薄板连杆(2)因与轮子的物理连接被动地随驱动轮进行运动。

为了使本发明的效果达到最优化，应使l₁与l₂连线所成夹角为90°，在以后的运动过程中，越障连杆(1)与薄板连杆(2)会始终保持着90°的相位差。

上述结构有效解决了连杆式越障轮的“奇异点”问题，以下说明如何实现“奇异点”问题的解决：

薄板连杆(2)和越障连杆(1)都是刚性结构，不会像弹性结构那样产生伸缩挤压的现象，由于“奇异点”现象只会发生在越障连杆(1)与行动轮(3)的轴心处于同一水平线的状态下，故在除了这一状态点外，其它任何运动状态下，连杆定位孔(6)所在的点彼此之间都有相互作用力，会驱使越障连杆(1)继续向前或向后转动，即始终同方向运动，故不会发生连杆错位(一端向前另一端向后，即不同向运动)时的“奇异点”问题；同样的，薄板连杆(2)也可以当作上述情况来看待并处理。

当越障连杆(1)转动到与行动轮(3)的轴心孔连线处于同一水平线上时，由于小轮(4)所在的薄板连杆(2)和行动轮(3)所在的越障连杆(1)的运动始终保持一定的相位差，且所有行动轮(3)和小轮(4)的运动都是同相的(即在没有外力干扰下，每个轮子的偏心点在任一时刻相对各个轮子的轴心而言都处于同样的位置)，若初始状态就设置好l₁与l₂的夹角，在以后的运动过程中，越障连杆(1)和薄板连杆(2)会始终保持该角度相位差。因为限定了该相位差的取值范围为(0，π)，所以越障连杆(1)和薄板连杆(2)始终不会运动到同一个状态点。因而，当越障连杆(1)处于行动轮(3)轴心所在的水平线上时，薄板连杆(2)应运动到其始终保持的相位差所在的相应位置，而薄板连杆(2)的刚性结构决定了其在此状态下会继续绕动力轴同相运动，而随着薄板连杆(2)的继续运动，越障连杆(1)也会继续运动，以后每当越障连杆(或薄板连杆)运动到与驱动轴轴心连线处于同一水平线上时，总会受到薄板连杆(或越障连杆)的驱动作用，从而避免了连杆在此水平点下极易发生的“奇异点”问题。本发明相当于在原来的单个直杆基础上添加了一个约束状态，即双连杆。越障连杆定位孔(6)所在的点与小轮(4)的轴心点，构成一个空间的几何约束关系。因而这种多相位连杆轮驱动机构形成了越障连杆(1)与薄板连杆(2)两两约束的状态，也就不会发生连杆错位的现象，从而解决了单个直杆机构的“奇异点”问题。

为了说明该越障机构的工作过程，在本实施例中定义两种行进方式：平坦地形下行进(轮式驱动行进)和非规整地形下行进(轮与连杆联动行进)。同时，由于越障连杆和薄板连杆在平地行驶时不会接触地面，因而两根连杆的转动始终不影响该机构的正常行进，相反，还会对机体产生推动作用。

平坦地形下行进时，行动轮(3)的行走方式是圆轮形，行走效率和用相同直径的轮子作为行走机构类似。小轮(4)、薄板连杆(2)以及越障连杆(1)只是绕着动力轴做偏心转动，不影响正常行进。

如图4所示，由于动力轴驱动轮子向前转动，越障连杆(1)只是物理连接被动地随驱动轮进行运动，因此在没有阻碍的情况下，该越障机构在平坦地形下相当于轮子在地面上运动。由于其重心始终保持不变，因此在整个行走过程中总能保持静态稳定性。

非规整地形下行进时，该越障机构主要是依靠主动越障模式切换来完成。当越障连杆接触到障碍物时，有两种可能情况：

A、如图5所示，越障连杆(1)恰好搭在障碍物上时，随着动力轴的继续驱动，由于搭在障碍物上的越障连杆起到支撑整个机身的作用，靠近障碍物的行动轮(3-1)便会以越障连杆上的定位孔(6-1)为支点，绕着这点转动，另一个行动轮也会作相应的转动；而越障连杆(1)则会随着轮子的继续驱动向下放，直至尾端触到地面，为下一步的越障做准备，如图5(a)和(b)所示。接着，靠近障碍物的轮子(3-1)绕着轮子和越障连杆(1)连接处的定位孔(6-1)为支点旋转，这时的支撑物为越障连杆(1)。其它的轮子则随着动力轴的驱动继续前进，将机体向上抬起。此时，前轮(3-1)已经越过障碍物。假使前轮越过障碍物后的路面足够宽敞。如图5(c)所示；然后，随着动力轴的继续驱动，薄板连杆(2)便会搭在障碍物上，越障连杆(1)会随着动力轴的驱动而开始运动，此时，支撑整个机身的是薄板连杆(2)。如图5(d)所示；由于薄板连杆(2)的支撑作用，动力轴继续驱动轮子旋转，直至越障连杆(1)再次搭在障碍物上，作为支撑物。驱动整个机体向前运动。如图5(e)所示；最后，随着动力轴的继续转动，薄板连杆(2)会再次搭在障碍物上，作为支撑物，使后轮(3-2)绕着定位孔(6-2)而旋转越过障碍物，并将机身向上抬起。此时，整个机体已安全越过障碍。如图5(f)所示。

B、越障连杆抵住障碍物或轮子先碰到障碍物时，此时随着动力轴的继续驱动，越障连杆总会运动到搭在障碍物上时的那个状态。之后的越障运动过程如情况A中所述。

图2为本发明的外部视图，图3为本发明结构的***视图，本实施例提供的多相位连杆轮驱动机构，结构简单，体积小、重量轻，无需再加其余的动力装置，控制简单并且容易实现，在规整地形下是轮式前进，运动效率较高，当在非规整地形下行走时，会主动切换为连杆驱动前进，连杆搭到障碍物上，这时随着轮子的向前运动，靠近障碍物的轮子(3-1)便会以轮子上的定位孔(6-1)为支点，绕着这点转动，借着越障连杆(1)的支撑作用，越过障碍物。当前轮(3-1)已经越过障碍，后轮还未越过时，那么随着轮子的向前转动，薄板连杆(2)会搭在障碍物上，支撑整个机体向前运动，动力轴继续驱动，直至越障连杆(1)再次搭在障碍物上，此时，后面的轮子(3-2)便以轮子上的定位孔(6-2)为支点，绕着这点转动，使整个机身向上抬起，从而旋转越过障碍物。与其它连杆越障轮相比，运动效率较高，并且有效解决了“奇异点”问题和运动干涉问题，越障能力较好。根据具体地形及需求情况，轮子的数量和薄板连杆的构造还可以组合成多种行走机构。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (2)

1.一种多相位连杆轮驱动机构，其特征在于：包括行动轮(3)、越障连杆(1)、小轮(4)以及连接在小轮(4)上的薄板连杆(2)；

所述行动轮(3)的个数至少为两个，行动轮(3)和越障连杆(1)上分别设有定位孔(6)，由活动销轴通过定位孔(6)将行动轮(3)与越障连杆(1)连在一起；每个行动轮(3)上安装有一个小轮(4)，小轮(4)相对于对应的行动轮完全固定，小轮(4)和对应的行动轮(3)不共圆心，并且小轮(4)覆盖行动轮(3)的圆心；

动力轴位于行动轮(3)的圆心上；小轮(4)的圆心到行动轮(3)的轴心连线与连杆定位孔(6)到行动轮(3)的轴心连线所成夹角在(0，π)范围内，即两条连线不能重合；

所述薄板连杆(2)上开有若干圆槽，并通过圆槽使薄板连杆(2)外嵌在小轮(4)上，圆槽的直径应稍大于小轮(4)的直径，小轮(4)内嵌在圆槽中，小轮可以在圆槽中自由转动，薄板连杆(2)跟随小轮(4)一起绕动力轴转动；

所述行动轮(3)上的定位孔(6)位置尽可能地靠近于轮子的边缘，且各个轮子的定位孔(6)到各自圆心点的距离要一致；

小轮(4)的圆心到行动轮(3)的轴心连线与连杆定位孔(6)到行动轮(3)的轴心连线所成夹角为π/2。

2.根据权利要求1所述的一种多相位连杆轮驱动机构，其特征在于：所述的越障连杆(1)和薄板连杆(2)的材料为金属、木质或有机高分子聚合物；越障连杆(1)底部涂有防滑材料。