CN1215922C - 物体的行走机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种不需要改变它的方向可直接向前、后、左、右行走的物体的“四向移动”机构。主要用于机器人等机电类物体。它是将轮子设计成互相垂直的两组轮(轮子共四列，呈长方形排列，同方向转动的为一组)，以及实现这种“四向移动”的两个方案：1.可升降其中一组轮子的高度；2.将传统意义上的轮子由圆形改成圆形偏心轮子，或者是椭圆形或者非圆形的轮子(如正多边形)，利用它的长径抬高车位使其在垂直方向的轮子被抬离地面而不成为阻碍。

Description

物体的行走机构
技术领域：
本发明涉及一种物体的行走机构。主要用于机器人等机电类物体的移动。
背景技术：
对于平面上用轮子移动的物体，常用的方式是底部左右各安装一个驱动轮，前部或后部安装一个支撑万向轮，如图1。若两个驱动轮向同一方向动作，物体就前行或者后退；若两个驱动轮一个动一个不动或动的方向相反，那物体就转弯，即改变方向，若左转或右转90°后再前行或后退，物体就可作相对于原方向的左行或右行。这种移动方式存在一个严重缺陷：即变换方向时它必须多一个转弯的动作，耗时又耗能——相当于它走过约0.78个轮间距的长度，因它在启动瞬间只能向前或向后移动：如果是一个轮子动一个轮子不动，瞬间也是前行或后退；如果两个轮子动的方向相反，可看作原地不动，我们可将这种移动机构称为“两向移动”机构，以其它方式——如汽车般或如玩具般或用履带等在平面上移动的物体也大都只能作这种“两向移动”。
发明内容：
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种不需要改变方向可直接前行、后退、左行、右行的物体的行走机构，我们可以将它称为“四向移动”机构。
本发明的目的是这样实现的：一种物体的行走机构，其特点是它包括底盘、前驱动轮、后驱动轮、左驱动轮、右驱动轮、前后轮固定支架、左右轮固定支架以及前后轮驱动机构和左右轮驱动机构，前、后驱动轮和左、右驱动轮均为圆形偏心轮或非圆形轮，前后轮固定支架和左右轮固定支架均固定在底盘上，前驱动轮和后驱动轮向下连接于前后轮固定支架上，并置于底盘前下方和后下方，其轮轴横向平行设置，并与前后轮驱动机构相连；左驱动轮和右驱动轮向下连接于左右轮固定支架上，并置于底左下方和右下方，其轮轴纵向平行设置，并与左右轮驱动机构相连。前后轮驱动机构和左右轮驱动机构均包括电机、主动齿轮、从动带齿轮、传动带和带轮，主动齿轮装置在电机轴上，从动带齿轮与主动齿轮啮合，带轮装置在前、后驱动轮和左、右驱动轮上，传动带套装在从动带齿轮和带轮上。
本发明的底盘可包括固定底盘和升降底盘，前后轮固定支架装置在固定底盘上，左右轮固定支架固定在升降底盘上，固定底盘上装置有升降机构，所述的升降机构包括电机、微动开关或光电开关、左、右两蜗杆轴、蜗杆、内螺纹蜗轮、蜗轮限位卡架、传动带和带轮，蜗杆和带轮套装在两蜗杆轴上，传动带套装在两带轮上；升降底盘上装置有丝杆，内螺纹蜗轮旋置于丝杆上，与蜗杆啮合，并通过蜗轮限位卡架与固定底盘固定连接，微动开关或光电开关装置在固定底盘下部。
上述前后轮驱动机构和左右轮驱动机构均包括电机、主动齿轮、从动带齿轮、传动带和带轮，主动齿轮装置在电机轴上，从动带齿轮与主动齿轮啮合，传动带套装在从动带齿轮和带轮上，前后轮驱动机构固定在固定底盘上，左右轮驱动机构固定在升降底盘上。
前后轮驱动机构和左右轮驱动机构可分别与一转换机构相连，转换机构又与一驱动机构相连，所述的前后轮驱动机构包括锥齿轮、锥形皮带齿轮、传动带、带轮和固定支架，锥齿轮和锥形皮带齿轮装置在固定支架上，并相互啮合，带轮装置在前、后驱动轮上，传动带套装在锥形皮带齿轮和带轮上；左右轮驱动机构包括带齿轮、带轮、传动带和升降支架，带齿轮装置在升降支架上，带轮装置在左、右驱动轮上，传动带套装在带齿轮和带轮上；所述的转换机构包括转换齿轮和转换臂，转换齿轮装置在转换臂一端，转换臂另一端铰接在固定支架上，中间通过限位槽和销轴与升降支架相连；所述的驱动机构包括电机、主动齿轮和从动齿轮，主动齿轮装置在电机轴上，从动齿轮分别与转换齿轮和主动齿轮啮合；前后轮驱动机构、驱动机构、固定支架和固定支架固定在固定底盘上；而左右轮驱动机构、升降支架和升降支架固定在升降底盘上。
本发明的前、后驱动轮和左、右驱动轮均可为圆形偏心轮或非圆形轮，前后轮驱动机构和左右轮驱动机构均固定在底盘上，包括电机、主动齿轮、从动带齿轮、传动带和带轮，主动齿轮装置在电机轴上，从动带齿轮与主动齿轮啮合，带轮装置在前、后驱动轮和左、右驱动轮上，传动带套装在从动带齿轮和带轮上。
附图说明：
图1为常用的物体行走机构的轮子布置示意图。
图2为本发明的行走机构的行走轮子布置示意图。
图3为本发明的方案1示意图。
图4为本发明的方案1只用一个电机驱动轮子时左、右轮转动状态示意图。
图5为本发明的方案1只用一个电机驱动轮子时前、后轮转动状态示意图。
图6为图4的俯视图。
图7为图6的特例1示意图。
图8为图6的特例2示意图。
图9为本发明方案2的四边形轮子位置状态图。
图10为本发明方案2的四边形轮子的另一位置状态图。
图11为本发明的方案2传动状态图。
图12为图11的右视图。
图13为图11的俯视图。
图14为图13的特例示意图。
图15为本发明的方案2只用一个电机驱动轮子时左、右轮转动状态示意图。
图16为本发明的方案2只用一个电机驱动轮子时前、后轮转动状态示意图。
图17为本发明的“套合行走”方式示意图。
图18为本发明的“抱合行走”方式示意图。
图19为轮子转动而轮轴固定的轮子剖面图。
图20为轮子、轮轴均能转动的轮子剖面图。
附图标识说明：11：前轮、12：左轮、13：右轮、14：后轮、15：轮轴、16：万向支撑轮、17：轮轴支架、18：转动的轮子、19：未转的轮子、20：传动带、21：带轮、22：驱动齿轮、23：转换齿轮、24：皮带齿轮、25：锥齿轮、26：锥形皮带齿轮、27：传动带、28：轮子、29：小电机、30：蜗杆、31：螺母、32：转换臂、33：转换臂卡轴、34：微动或光电开关、35：行走机构、36：物体主体。
具体实施方案：
本发明为一种物体的行走机构，它主要由底盘3、前驱动轮1-1、左驱动轮1-2和辅助轮子等组成。前驱动轮1-1设置于底盘3前面边缘附近，其轮轴横向设置，轮子可向前或后方转动；左驱动轮1-2设置于底盘3左面边缘附近，其轮轴纵向设置，轮子可向左或右方转动；辅助轮子设置于底盘3上。
如图2，辅助轮子包括后轮及右轮，后轮设置于底盘3后面边缘附近，其轮轴横向设置，轮子可向前或后方转动；右轮设置于底盘3后面边缘附近，其轮轴纵向设置，轮子可向左或右方转动。
实施方案1：如图3、4、5、6、7，底盘3包括固定底盘3-1和升降底盘3-2，前后轮固定支架2-1装置在固定底盘3-1上，左右轮固定支架2-2固定在升降底盘3-2上，固定底盘3-1上装置有升降机构，所述的升降机构包括电机4-1微动开关或光电开关4-2、左、右两蜗杆轴4-3、4-4、蜗杆4-5、内螺纹蜗轮4-6、蜗轮限位卡架4-7、传动带4-8和带轮4-9，蜗杆4-5和带轮4-9套装在两蜗杆轴4-3、4-4上，传动带4-8套装在两带轮4-9上，用于驱动另一侧的蜗杆；升降底盘3-2上装置有丝杆3-3，内螺纹蜗轮4-6旋置于丝杆3-3上，与蜗杆4-5啮合，并通过蜗轮卡架4-7与固定底盘3-1固定连接，微动开关或光电开关4-2装置在固定底盘3-1下部，用于测试升降底盘3-2位置，其触簧长度正好为升降底盘3-2可被升降的距离加上底盘3-2的厚度，即边缘为弧形的触簧刚被松开，电机4-1便可停止转动。
如图3，前后轮驱动机构和左右轮驱动机构均包括电机5-1、主动齿轮5-2、从动带齿轮5-3、传动带1-9和带轮1-8，主动齿轮5-2装置在电机5-1轴上，从动带齿轮5-3与主动齿轮5-2啮合，传动带1-9套装在从动带齿轮5-3和带轮1-8上，前后轮驱动机构固定在固定底盘3-1上，左右轮驱动机构固定在升降底盘3-2上。
如图4、5、6，前后轮驱动机构和左右轮驱动机构分别与一转换机构相连，转换机构又与一驱动机构相连，所述的前后轮驱动机构包括锥齿轮6-1、锥形皮带齿轮6-2、传动带1-9、带轮1-8和固定支架6-3，锥齿轮6-1和锥形皮带齿轮6-2装置在固定支架6-3上，并相互啮合，带轮1-8装置在前、后驱动轮1-1、1-3上，传动带1-9套装在锥形皮带齿轮6-2和带轮1-8上；左右轮驱动机构包括带齿轮7-1、带轮1-8、传动带1-9和升降支架7-2，带齿轮7-1装置在升降支架7-2上，带轮1-8装置在左、右驱动轮1-2、1-4上，传动带1-9套装在带齿轮7-1和带轮1-8上；所述的转换机构包括转换齿轮8-1和转换臂8-2，转换齿轮8-1装置在转换臂8-2一端，转换臂8-2另一端铰接在固定支架8-6上，中间通过限位槽8-3和销轴8-4与升降支架8-5相连；所述的驱动机构包括电机5-1、主动齿轮5-2和从动齿轮5-4，主动齿轮5-2装置在电机5-1轴上，从动齿轮5-4分别与转换齿轮8-1和主动齿轮5-2啮合；前后轮驱动机构、驱动机构、固定支架6-3和固定支架8-6固定在固定底盘3-1上；而左右轮驱动机构、升降支架7-2和升降支架8-5固定在升降底盘3-2上。
电机4-1用于驱动蜗杆4-5改变左右轮1-2、1-4的离地高度。电机4-1通过两带轮4-9、传动带4-8带动所有蜗杆4-5、蜗轮4-6转动，引起丝杆3-3上升或下降，升降底盘3-2便被抬高或压下，从而引起转换臂8-2、转换齿轮8-1、带齿轮7-1、左、右轮1-2、1-4的抬高或压下；当左、右轮1-2、1-4处于最低位置时微动开关4-2触簧被松开，电机4-1停止转动，电机5-1开始转动，通过主动齿轮5-2、从动齿轮5-4、转换齿轮8-1、带齿轮7-1、传动带1-9和带轮1-8引起左、右轮1-2、1-4转动，行走机构便可左行或右行。而当行走机构需前行或后退时，电机5-1停止转动，电机4-1开始转动，引起升降底盘3-2离地高度发生变化，微动开关4-2触簧同时还被压下，当微动开关4-2触簧再被松开时，升降底盘3-2处于最高位置，电机4-1停止转动，电机5-1开始转动，通过主动齿轮5-2、从动齿轮5-4、转换齿轮8-1、锥齿轮6-1、锥形皮带齿轮6-2、传动带1-9和带轮1-8引起前、后轮1-1、1-3转动，行走机构便可前行或后退。这种方案的缺点是轮子被抬高或降低也花时间，当然这个时间是少于常规方式下——如图1变换方向的时间的。
上述方案还可以视场合需要简单一些：仅前轮和左轮是驱动轮，后轮1-5、右轮1-6为普通的支撑轮，分别固定在固定底盘3-1、升降底盘3-2上，如图7；或者后轮1-5为支撑轮固定在固定底盘3-1上，右轮1-7为万向轮，也固定在固定底盘3-1上，如图8。甚至后轮和右轮合二为一为一个万向轮固定在固定底盘3-1下方右后部。
实施方案2：
将轮子改成轴心不在圆心的圆形轮子，或者椭圆形、多边形、弧形、星形等非圆形的规则的或者不规则的任意形状的轮子，以四边形轮子为例，如图11、图12、图13，驱动机构由两电机5-1、主动齿轮5-2、从动带齿轮5-3、传动带1-9和带轮1-8组成。主动齿轮5-2装置在电机5-1轴上，从动带齿轮5-3与主动齿轮5-2啮合，带轮1-8装置在前、后轮1-1、1-3和左、右轮1-2、1-4，传动带1-9套装在从动带齿轮5-3和带轮1-8上，电机5-1驱动主动齿轮5-2转动，主动齿轮5-2带动从动带齿轮5-3转动，从动带齿轮5-3通过传动带1-9和带轮1-8带动轮子转动。当行走机构静止不动时，轮子由于惯性作用停留在平面上——四边形的一条边，也就是它的最低位置，如图9。当第一组轮子开始转动时，整个行走机构被渐渐抬离地面，另一组轮子也跟着被抬离地面，因它被传动带拖着不可能仅靠轮子重力惯性转动，如图10。当转动的轮子转过其最高位置后，靠整个行走机构的重力惯性又回到它的最低位置——四边形的另一条边，如此方式，两个电动机交叉运行：即一个转时另一个不转，加上正转和反转，行走机构可随时向前后左右作直线运动而不需要时间切换高度和方向。因为每次动作均转动固定的距离——多边形的一条边条或椭圆形的半圆或轴不在圆心的圆形的一圈，可以用普通直流电动机替换昂贵的步进电机，当然可以只使用步进电机。像方案一一样，也可以只是前轮、左轮为驱动轮，后轮、右轮为普通的万向轮，如图14，甚至后轮和右轮两个万向轮合二为一。
如果采用电磁阀或小电机驱动的蜗杆螺母和转换齿轮也可以只用一个电动机驱动两组轮子，如图15、图16。图中，蜗杆30装置在电机29轴上，螺母31旋置在蜗杆30上，转换臂32一端铰接在螺母31上，另一端与转换齿轮23相连，中间滑槽通过转换臂卡轴33定位，驱动齿轮22固定在行走电机上，当小电机29通过其轴上的蜗杆30将旋在其轴上的转换臂螺母31拖近电机29时，固定在转换臂另一端上的转换齿轮23被推到牵动左右轮的皮带齿轮24侧，其在行走电机的驱动齿轮22的传动下，通过左右轮的皮带齿轮24及传动带27带动左右轮转动，如图15；当前后轮需转动时，小电机29快速反转，将转换臂32推离电机29，转换齿轮23被拉到锥齿轮25侧，驱动齿轮22通过转换齿轮23及锥齿轮25，带动垂直方向的锥形皮带齿轮26转动，通过传动带27带动前后轮子转动，如图16。小电机29可以是微型步进电机，或者是微型直流电机——需在螺母31的两侧装两上测定位置的微动开关或光电开关34控制直流电机29停止转动的时刻。
上述第二种方案的缺点是物体行走有点颠。可采用一些避震装置。或者将物体整体分成独立的两部分，即物体主体为一部分，行走机构为可以分离(不直接连接在一起)的另一部分，物体底部中间空置，四边上共有三个或者四个万向轮，支撑起整个物体主体，行走机构置于物体底部中间位置：与物体主体若离若接，在其运行的最高位置不与主体接触，由它推或拖动物体主体分别向四面移动，如果是主体先与行走机构边缘接触，如图17，那么是推(“套合行走”)；如果先与中央部位接触，如图18，那么是拖(“抱合行走”)。这样设置的好处是行走机构不必抬高整个物体，仅需要将自己抬高，只需要较小的输出功率能推动物体移动，物体本身移动不颠，这种方式也适用于第一种方案。
还要说明的是：文中所述的驱动轮是指被电机或发动机以齿轮或蜗杆或链、带、摩擦轮等方式传动而转动的轮子，本文说明均以内齿皮带传动，它的轮轴可以与轮子固定在一起，整个一起在轮轴支架上转动，图19为此种轮子、轮轴及轮轴支架的剖面图；或者轮轴一端被轮轴支架固定，另一端嵌进轮子，仅轮子转动，轴不转，图20为此种轮子、轮轴及轮轴支架的剖面图。图19、图20均以四边形轮子为例。轮子可为整体的一个轮(如图2所示)，或普通的两侧轮(如图3、图6、图9等)，或分布在一根轴上的几个轮(如图11、19等)。转动时同方向的轮子为一组，即前后轮为一组，左右轮为一组，任意一组轮子着地时必须能保持整个物体的重心稳定；若后轮、右轮合二为一个万向轮，那么前轮和万向轮转时或者左轮和万向轮转时也必须能保持整个物体的重心稳定。
另外，本文所指的方向是相对的，前方可以是物体的原方向，或者转过90°、180°、270°后的方向。

Claims (2)

1、一种物体的行走机构，其特征在于它包括底盘(3)、前驱动轮(1-1)、后驱动轮(1-3)、左驱动轮(1-2)、右驱动轮(1-4)、前后轮固定支架(2-1)、左右轮固定支架(2-2)以及前后轮驱动机构和左右轮驱动机构，前、后驱动轮(1-1、1-3)和左、右驱动轮(1-2、1-4)均为圆形偏心轮或非圆形轮，前后轮固定支架(2-1)和左右轮固定支架(2-2)均固定在底盘(3)上，前驱动轮(1-1)和后驱动轮(1-3)向下连接于前后轮固定支架(2-1)上，并置于底盘(3)前下方和后下方，其轮轴横向平行设置，并与前后轮驱动机构相连；左驱动轮(1-2)和右驱动轮(1-4)向下连接于左右轮固定支架(2-2)上，并置于底盘(3)左下方和右下方，其轮轴纵向平行设置，并与左右轮驱动机构相连。
2、根据权利要求1所述的一种物体的行走机构，其特征在于所述的前后轮驱动机构和左右轮驱动机构均包括电机(5-1)、主动齿轮(5-2)、从动带齿轮(5-3)、传动带(1-9)和带轮(1-8)，主动齿轮(5-2)装置在电机(5-1)轴上，从动带齿轮(5-3)与主动齿轮(5-2)啮合，带轮(1-8)装置在前、后驱动轮(1-1、1-3)和左、右驱动轮(1-2、1-4)上，传动带(1-9)套装在从动带齿轮(5-3)和带轮(1-8)上。
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