專利名稱：可變形履帶行走機械的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及車輛工程、智能機器人行走技術，特別涉及履帶式行走機械。
背景技術：
形態(tài)自主控制的可變形履帶車為人類開發(fā)海底、太空、地下資源時，尤其在人無法臨場條件下提供一種智能型全地形行走系統(tǒng)，它能夠自動識別地形環(huán)境，自主調(diào)節(jié)履帶外廓以實現(xiàn)越過障礙、階梯、通過松軟地面等。
傳統(tǒng)的履帶式行走系統(tǒng)具有下列優(yōu)點①接地比壓小，可在松軟的路面上行使；②利用履帶形成的接近角，可攀登陡峭的階梯；③利用與地面間的大接觸面獲得高的穩(wěn)定性；④可在最小的空間內(nèi)旋轉(zhuǎn)。但它的缺點也很明顯，它轉(zhuǎn)向時能耗高，地形適應性較差。增加履帶條數(shù)可使履帶車更好的適應地形并減少轉(zhuǎn)向時能耗。但這樣就增加了自重并使結(jié)構(gòu)復雜，使操縱復雜化。如果能使履帶的外形隨時發(fā)生變化去適應不同的地形，雙履帶車也能提高通過障礙物的能力。
日本學者近騰博提出并制作了具有導向輪、驅(qū)動輪、行星輪的可變形履帶行走機構(gòu)。其中導向輪軸和驅(qū)動輪軸是固定的，履帶外廓取決于行星輪的位置。由于導向輪和驅(qū)動輪是固定的，這種結(jié)構(gòu)的履帶外廓變化幅度有限，且機構(gòu)復雜，另外左右履帶架剛性聯(lián)結(jié)，對地形的適應能力受到限制。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提出一種改進的可變形履帶行走機械，使其具有對各種復雜地形環(huán)境更強的適應能力。
參照圖1至3，本發(fā)明可變形履帶行走機械，由車體5和兩條繞覆在履帶主體及其兩端的導向輪14、驅(qū)動輪8上的履帶21組成。其特征在于每條履帶主體由中間主臂2和兩端分別通過鉸軸12鉸接的導向臂1、通過鉸軸10鉸接的驅(qū)動臂4三段節(jié)臂組成；主臂2通過主鉸軸6與車體5相鉸接；鉸軸12、10、6分別與步進電機15、19、17驅(qū)動連接，在鉸軸12、10上還設置有大支重輪9；在履帶的上方通過固設在主關節(jié)架3上的擋帶輪支架18設置張緊履帶21的擋帶輪16。
本發(fā)明可變形履帶行走機械履帶可以繞主鉸軸6相對于車體轉(zhuǎn)動，履帶節(jié)臂之間也可繞鉸軸12、10而產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)運動由CPU控制步進電機實現(xiàn)。該機共有6個變形自由度，其中兩個主鉸軸6，提供每條履帶21相對于車體5的轉(zhuǎn)動自由度；兩個導向鉸軸12，提供每條履帶導向臂1相對于主臂的轉(zhuǎn)動自由度；兩個驅(qū)動鉸軸12，提供每條履帶驅(qū)動臂4相對于主臂2的轉(zhuǎn)動自由度。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，可變形履帶行走機械能夠?qū)崿F(xiàn)下面的單自由度變形及其組合
1)單側(cè)導向臂的抬起；2)單側(cè)導向臂的降落；3)單側(cè)驅(qū)動臂的抬起；4)單側(cè)驅(qū)動臂的降落；5)單側(cè)履帶的外旋；6)單側(cè)履帶的內(nèi)旋。
可變形履帶行走機械的變形形式可根據(jù)路面情況選取。利用設置在車體上的CCD攝像機和超聲波測距傳感器及壓力傳感器等相結(jié)合，獲得地況信息，通過中央控制器CPU控制調(diào)整履帶相對于車體的變形角度和履帶外廓形狀，以實現(xiàn)提高越過障礙、階梯、通過松軟地面等適應能力。如圖4所示，是履帶為適應地形而繞主鉸軸6相對于車體進行的轉(zhuǎn)動圖中(a)是履帶車通過階梯路面時進行的變形；(b)是履帶車沿尖峰路面行進時進行的變形；(c)是履帶車沿谷底或溝底行進時進行的變形。
如圖5所示，是履帶為適應地形而繞其鉸軸12、10轉(zhuǎn)動進行的變形圖中(a)是履帶在通過階梯形障礙物時，前節(jié)履帶抬起，目的在于增大接近角，提高通過性；(b)、(c)是履帶在越過深溝與障礙物頂峰時進行的變形，目的在于提高跨越障礙物時整車的穩(wěn)定性；(d)是在整車爬躍陡坡時履帶進行的變形。此變形方式更有利于履帶車的松軟路面通過性，使履帶車具有從沉陷狀態(tài)自行爬出的能力。
另外，履帶的接地長度是可以變化的，以達到調(diào)節(jié)接地比壓的目的。可變形履帶車的變形包括上述各變形方式的所有可能組合方式。
可變形履帶行走機構(gòu)地形感知及形態(tài)自主控制技術研究旨在為人類開發(fā)海底、太空、地下資源時，尤其在人無法臨場條件下提供一種智能型全地形行走系統(tǒng)，它能夠自動識別地形環(huán)境，自主調(diào)節(jié)履帶外廓以實現(xiàn)越過障礙、階梯、通過松軟地面等?，F(xiàn)有的機器人行走系統(tǒng)有輪式、履帶式、步行式和混合式，它們各有優(yōu)缺點，輪式行走系統(tǒng)能以高速行走，但缺乏跨越障礙物的能力，且軟路面通過性差。步行機構(gòu)易于適應地形變化但操縱復雜。履帶式行走機構(gòu)轉(zhuǎn)向時能耗高，地形適應性較差。增加履帶條數(shù)可使履帶行走機構(gòu)適應地形并減少轉(zhuǎn)向時能耗，但增加了自重并使結(jié)構(gòu)復雜，使操縱復雜化。與現(xiàn)有履帶車相比，本可變形履帶行走機械，履帶主體具有仿爬行類動物體的多關節(jié)與地面有良好的適應性，同時可根據(jù)需要調(diào)整接近角，爬越障礙。履帶主體與車體的連接仿雙足步行動物足與身體的聯(lián)接，使兩條履帶相對車體的位置可獨立調(diào)整。能夠適應的路面環(huán)境更多、通過障礙物的能力更強、通過障礙物時整機的穩(wěn)定性更高、通過障礙物時消耗的能量更少；可變形履帶行走機構(gòu)地形感知及形態(tài)自主控制技術，使其能夠自動識別地形環(huán)境，自主調(diào)節(jié)履帶外廓以實現(xiàn)越過障礙、階梯、通過松軟地面等，可以提高人類探索未知空間及開發(fā)危險資源的能力。本實用新型可變形履帶行走機械作為無人駕駛車輛在各工程領域的應用具有重大經(jīng)濟價值。
圖1是可變形履帶行走機械的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1的俯視圖；圖3是圖1的側(cè)視圖；圖4是履帶繞主鉸軸相對于車體轉(zhuǎn)動變形的狀態(tài)示意圖；
圖5是履帶繞自身鉸軸轉(zhuǎn)動變形的狀態(tài)示意圖；圖6是可變形履帶車的主視圖；圖7是圖6的俯視圖；圖8是圖6的A-A向局部剖視圖；圖9是履帶主臂與導向臂鉸接部局部剖視圖；圖10是圖9的俯視圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖給出的實施例對本發(fā)明結(jié)構(gòu)作進一步詳細說明。參照圖6至8，一種可變形履帶車由兩條履帶和車體5組成。履帶主體由中間主臂2、導向臂1、驅(qū)動臂4組成，導向臂1的一端安裝有導向輪14，另一端通過導向鉸軸12與主臂2的一端鉸接；驅(qū)動臂4的一端安裝有驅(qū)動輪8，另一端通過驅(qū)動鉸軸10與主臂2的另一端鉸接。主臂2通過主鉸軸6與車體5相鉸接；三節(jié)臂上裝有若干小支重輪11，用于支承整機重量。導向鉸軸12和驅(qū)動鉸軸10上還裝有大支重輪9，它同時起支重輪和托帶輪的作用。另外履帶的上方通過固設在主關節(jié)架3上的擋帶輪支架18設置張緊履帶21的擋帶輪16，它與大支重輪一同保證在履帶變形時，履帶板隨同履帶主體一起變形，且保證在變形時，所需的履帶長度不變或變化不大。
主臂2的兩端設有步進電機15、19，經(jīng)一級蝸桿副減速后驅(qū)動鉸軸12、10相對于主臂2轉(zhuǎn)動，從而帶動導向臂1或驅(qū)動臂4相對于主臂2轉(zhuǎn)動。
驅(qū)動臂4上還裝有步進電機20，經(jīng)一級蝸桿副減速后，驅(qū)動驅(qū)動輪8，提供履帶車的行駛動力。
主鉸軸6通過軸承設置在主關節(jié)架3上，主關節(jié)架3與主臂2通過螺釘固連成一體，主鉸軸6通過鍵與車體關節(jié)臂7固連；在主關節(jié)架3上固設步進電機17，并通過蝸桿、蝸輪副驅(qū)動連接主鉸軸6。可驅(qū)動主鉸軸6相對于主關節(jié)架3轉(zhuǎn)動，因此形成主關節(jié)架即主臂或履帶相對于車體的轉(zhuǎn)動。
參照圖9、10(以主臂與導向臂鉸接圖示為例)，鉸軸12、10分別通過軸承13設置在主臂2的兩端上，通過鍵30及螺母29與導向臂1、驅(qū)動臂4固連，步進電機15、19固設在主臂2上，并分別通過蝸桿23、蝸輪22與鉸軸12、10驅(qū)動連接，即蝸桿23通過銷26固設在步進電機軸上，蝸輪22通過鍵27及螺母28固設在鉸軸12、10上。電機15、19的轉(zhuǎn)動通過蝸輪蝸桿減速后驅(qū)動鉸軸12、10轉(zhuǎn)動，從而帶動導向臂1、驅(qū)動臂4相對于主臂2轉(zhuǎn)動。
由于步進電機是開環(huán)控制部件，在導向臂1、驅(qū)動臂4和主臂2上對應設置磁鐵24、霍爾開關25，以實現(xiàn)鉸鏈關節(jié)的零點定位及限位控制。
權(quán)利要求
1.一種可變形履帶行走機械，由車體(5)和兩條繞覆在履帶主體及其兩端的導向輪(14)、驅(qū)動輪(8)上的履帶(21)組成。其特征在于每條履帶主體由中間主臂(2)和兩端分別通過鉸軸(12)鉸接的導向臂(1)、通過鉸軸(10)鉸接的驅(qū)動臂(4)三段節(jié)臂組成；主臂(2)通過主鉸軸(6)與車體(5)相鉸接；鉸軸(12)、(10)、(6)分別與步進電機(15)、(19)、(17)驅(qū)動連接，在鉸軸(12)、(10)上還設置有大支重輪(9)，在履帶的上方通過固設在主關節(jié)架(3)上的擋帶輪支架(18)設置張緊履帶(21)的擋帶輪(16)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變形履帶行走機械，其特征在于所述的主鉸軸(6)通過軸承設置在主關節(jié)架(3)上，主關節(jié)架(3)與主臂(2)通過螺釘固連成一體，主鉸軸(6)通過鍵與車體關節(jié)臂(7)固連，所述的步進電機(17)固設在主關節(jié)架(3)上，并通過蝸桿、蝸輪副驅(qū)動連接主鉸軸(6)。
3..根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變形履帶行走機械，其特征在于所述的鉸軸(12)、(10)分別通過軸承(13)設置在主臂(2)的兩端上，通過鍵(30)及螺母(29)與導向臂(1)、驅(qū)動臂(4)固連，所述的步進電機(15)、(19)固設在主臂(2)上，并分別通過蝸桿(23)、蝸輪(22)與鉸軸(12)、(10)驅(qū)動連接。
4..根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變形履帶行走機械，其特征在于在三段節(jié)臂(1)、(2)、(4)上還設有小支重輪(11)。
全文摘要
本發(fā)明涉及履帶式行走機械，本發(fā)明可變形履帶行走機械，由車體和兩條繞覆在履帶主體及其兩端的導向輪、驅(qū)動輪上的履帶21組成。特征是每條履帶主體由中間主臂和兩端鉸接的導向臂、驅(qū)動臂三段節(jié)臂組成；主臂與車體相鉸接；其鉸軸分別與步進電機驅(qū)動連接。與現(xiàn)有履帶車相比，因其履帶主體具有多節(jié)鉸鏈，與地面有良好的適應性，同時可根據(jù)需要調(diào)整接近角，爬越障礙；履帶主體與車體的鉸鏈連接，使兩條履帶相對車體的位置可獨立調(diào)整，能夠適應的路面環(huán)境更多、通過障礙物的能力更強、穩(wěn)定性更高、消耗的能量更少。
文檔編號B62D55/08GK1528633SQ0312718
公開日2004年9月15日 申請日期2003年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月26日
發(fā)明者王國強, 羅世魁, 劉玉臣, 周德成, 趙登峰 申請人:吉林大學