CN1277714C - 可变形履带行走机械 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及履带式行走机械，本发明可变形履带行走机械，由车体和两条绕覆在履带主体及其两端的导向轮、驱动轮上的履带21组成。特征是每条履带主体由中间主臂和两端铰接的导向臂、驱动臂三段节臂组成；主臂与车体相铰接；其铰轴分别与步进电机驱动连接。与现有履带车相比，因其履带主体具有多节铰链，与地面有良好的适应性，同时可根据需要调整接近角，爬越障碍；履带主体与车体的铰链连接，使两条履带相对车体的位置可独立调整，能够适应的路面环境更多、通过障碍物的能力更强、稳定性更高、消耗的能量更少。
Description
技术领域 本发明涉及车辆工程、智能机器人行走技术，特别涉及履带式行走机械。
背景技术
形态自主控制的可变形履带车为人类开发海底、太空、地下资源时，尤其在人无法临场条件下提供一种智能型全地形行走***，它能够自动识别地形环境，自主调节履带外廓以实现越过障碍、阶梯、通过松软地面等。
传统的履带式行走***具有下列优点：①接地比压小，可在松软的路面上行使；②利用履带形成的接近角，可攀登陡峭的阶梯；③利用与地面间的大接触面获得高的稳定性；④可在最小的空间内旋转。但它的缺点也很明显，它转向时能耗高，地形适应性较差。增加履带条数可使履带车更好的适应地形并减少转向时能耗。但这样就增加了自重并使结构复杂，使操纵复杂化。如果能使履带的外形随时发生变化去适应不同的地形，双履带车也能提高通过障碍物的能力。
日本学者近腾博提出并制作了具有导向轮、驱动轮、行星轮的可变形履带行走机构。其中导向轮轴和驱动轮轴是固定的，履带外廓取决于行星轮的位置。由于导向轮和驱动轮是固定的，这种结构的履带外廓变化幅度有限，且机构复杂，另外左右履带架刚性联结，对地形的适应能力受到限制。
发明内容
本发明目的是提出一种改进的可变形履带行走机械，使其具有对各种复杂地形环境更强的适应能力。
本发明目的是按如下方式实现的。
参照图1至3，本发明可变形履带行走机械，由车体5和两条绕覆在履带主体及履带主体两端的导向轮14和驱动轮8上的履带21组成；其特征在于，每条履带主体由位于中间的主臂2、通过设置在所述主臂2两端的两个铰轴12、10铰接的导向臂1和驱动臂4共三段臂组成；所述主臂2通过主铰轴6与车体5相铰接，所述主臂2通过螺钉固连有一主关节架3，所述主铰轴6通过轴承设置在所述主关节架3上，在所述主关节架3上还固设有挡带轮支架18；所述各铰轴12、10、6分别与一个步进电机15、19、17驱动连接；在铰接导向臂1和驱动臂4的铰轴12、10上还设置有大支重轮9；在所述履带21的上方通过固设在主关节架3上的挡带轮支架18设置有张紧履带的挡带轮16。
本发明可变形履带行走机械，履带可以绕主铰轴6相对于车体转动，履带节臂之间也可绕铰轴12、10而产生相对转动，旋转运动由CPU控制步进电机实现。该机共有6个变形自由度，其中两个主铰轴6，提供每条履带21相对于车体5的转动自由度；两个导向铰轴12，提供每条履带导向臂1相对于主臂的转动自由度；两个驱动铰轴12，提供每条履带驱动臂4相对于主臂2的转动自由度。根据上述结构，可变形履带行走机械能够实现下面的单自由度变形及其组合：
1)单侧导向臂的抬起；2)单侧导向臂的降落；3)单侧驱动臂的抬起；4)单侧驱动臂的降落；5)单侧履带的外旋；6)单侧履带的内旋。
可变形履带行走机械的变形形式可根据路面情况选取。利用设置在车体上的CCD摄像机和超声波测距传感器及压力传感器等相结合，获得地况信息，通过中央控制器CPU控制调整履带相对于车体的变形角度和履带外廓形状，以实现提高越过障碍、阶梯、通过松软地面等适应能力。如图4所示，是履带为适应地形而绕主铰轴6相对于车体进行的转动：图中(a)是履带车通过阶梯路面时进行的变形；(b)是履带车沿尖峰路面行进时进行的变形；(c)是履带车沿谷底或沟底行进时进行的变形。
如图5所示，是履带为适应地形而绕其铰轴12、10转动进行的变形：图中(a)是履带在通过阶梯形障碍物时，前节履带抬起，目的在于增大接近角，提高通过性；(b)、(c)是履带在越过深沟与障碍物顶峰时进行的变形，目的在于提高跨越障碍物时整车的稳定性；(d)是在整车爬跃陡坡时履带进行的变形。此变形方式更有利于履带车的松软路面通过性，使履带车具有从沉陷状态自行爬出的能力。
另外，履带的接地长度是可以变化的，以达到调节接地比压的目的。可变形履带车的变形包括上述各变形方式的所有可能组合方式。
可变形履带行走机构地形感知及形态自主控制技术研究旨在为人类开发海底、太空、地下资源时，尤其在人无法临场条件下提供一种智能型全地形行走***，它能够自动识别地形环境，自主调节履带外廓以实现越过障碍、阶梯、通过松软地面等。现有的机器人行走***有轮式、履带式、步行式和混合式，它们各有优缺点，轮式行走***能以高速行走，但缺乏跨越障碍物的能力，且软路面通过性差。步行机构易于适应地形变化但操纵复杂。履带式行走机构转向时能耗高，地形适应性较差。增加履带条数可使履带行走机构适应地形并减少转向时能耗，但增加了自重并使结构复杂，使操纵复杂化。与现有履带车相比，本可变形履带行走机械，履带主体具有仿爬行类动物体的多关节与地面有良好的适应性，同时可根据需要调整接近角，爬越障碍。履带主体与车体的连接仿双足步行动物足与身体的联接，使两条履带相对车体的位置可独立调整。能够适应的路面环境更多、通过障碍物的能力更强、通过障碍物时整机的稳定性更高、通过障碍物时消耗的能量更少；可变形履带行走机构地形感知及形态自主控制技术，使其能够自动识别地形环境，自主调节履带外廓以实现越过障碍、阶梯、通过松软地面等，可以提高人类探索未知空间及开发危险资源的能力。本实用新型可变形履带行走机械作为无人驾驶车辆在各工程领域的应用具有重大经济价值。
附图说明
图1是可变形履带行走机械的结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是图1的侧视图；
图4是履带绕主铰轴相对于车体转动变形的状态示意图；
图5是履带绕自身铰轴转动变形的状态示意图；
图6是可变形履带车的主视图；
图7是图6的俯视图；
图8是图6的A-A向局部剖视图；
图9是履带主臂与导向臂铰接部局部剖视图；
图10是图9的俯视图。
具体实施方式
以下结合附图给出的实施例对本发明结构作进一步详细说明。
参照图6至8，一种可变形履带车由两条履带和车体5组成。履带主体由中间主臂2、导向臂1和驱动臂4共三段臂组成，导向臂1的一端安装有导向轮14，另一端通过导向铰轴12与主臂2的一端铰接；驱动臂4的一端安装有驱动轮8，另一端通过驱动铰轴10与主臂2的另一端铰接。主臂2通过主铰轴6与车体5相铰接；三段臂上装有若干小支重轮11，用于支承整机重量。导向铰轴12和驱动铰轴10上还装有大支重轮9，它同时起支重轮和托带轮的作用。另外履带的上方通过固设在主关节架3上的挡带轮支架18设置张紧履带21的挡带轮16，它与大支重轮一同保证在履带变形时，履带板随同履带主体一起变形，且保证在变形时，所需的履带长度不变或变化不大。
主臂2的两端设有步进电机15、19，经一级蜗杆副减速后驱动铰轴12、10相对于主臂2转动，从而带动导向臂1或驱动臂4相对于主臂2转动。
驱动臂4上还装有步进电机20，经一级蜗杆副减速后，驱动驱动轮8，提供履带车的行驶动力。
主铰轴6通过轴承设置在主关节架3上，主关节架3与主臂2通过螺钉固连成一体，主铰轴6通过键与车体关节臂7固连；在主关节架3上固设步进电机17，并通过蜗杆、蜗轮副驱动连接主铰轴6。可驱动主铰轴6相对于主关节架3转动，因此形成主关节架即主臂或履带相对于车体的转动。
参照图9、10(以主臂与导向臂铰接图示为例)，铰轴12、10分别通过轴承13设置在主臂2的两端上，通过键30及螺母29与导向臂1、驱动臂4固连，步进电机15、19固设在主臂2上，并分别通过蜗杆23、蜗轮22与铰轴12、10驱动连接，即蜗杆23通过销26固设在步进电机轴上，蜗轮22通过键27及螺母28固设在铰轴12、10上。电机15、19的转动通过蜗轮蜗杆减速后驱动铰轴12、10转动，从而带动导向臂1、驱动臂4相对于主臂2转动。
由于步进电机是开环控制部件，在导向臂1、驱动臂4和主臂2上对应设置磁铁24、霍尔开关25，以实现铰链关节的零点定位及限位控制。
Claims (4)
1.一种可变形履带行走机械，由车体(5)和两条绕覆在履带主体及履带主体两端的导向轮(14)和驱动轮(8)上的履带(21)组成；其特征在于，每条履带主体由位于中间的主臂(2)、通过设置在所述主臂(2)两端的两个铰轴(12、10)铰接的导向臂(1)和驱动臂(4)共三段臂组成；所述主臂(2)通过主铰轴(6)与车体(5)相铰接，所述主臂(2)通过螺钉固连有一主关节架(3)，所述主铰轴(6)通过轴承设置在所述主关节架(3)上，在所述主关节架(3)上还固设有挡带轮支架(18)；所述各铰轴(12、10、6)分别与一个步进电机(15、19、17)驱动连接；在铰接导向臂(1)和驱动臂(4)的铰轴(12、10)上还设置有大支重轮(9)；在所述履带(21)的上方通过固设在主关节架(3)上的挡带轮支架(18)设置有张紧履带的挡带轮(16)。
2.根据权利要求1所述的可变形履带行走机械，其特征在于，通过键与所述主铰轴(6)固连一车体关节臂(7)；所述与主铰轴(6)驱动连接的步进电机(17)固设在主关节架(3)上，并通过蜗杆、蜗轮副驱动连接主铰轴(6)。
3.根据权利要求1所述的可变形履带行走机械，其特征在于，设置在所述主臂(2)两端上的铰轴(12、10)，通过键(30)及螺母(29)与所述导向臂(1)和驱动臂(4)固连；与设置在所述主臂(2)两端上的铰轴驱动连接的所述步进电机(15、19)固设在所述主臂(2)上，并分别通过蜗杆(23)、蜗轮(22)与铰轴(12、10)驱动连接。
4.根据权利要求1所述的可变形履带行走机械，其特征在于，所述导向臂(1)、主臂(2)和驱动臂(4)上还设有小支重轮(11)。
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