專利名稱：小型移動機器人用三檔變速機構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種變速機構，特別是一種適用于小型移動機器人上的三檔變速傳動
直O(jiān)
背景技術：
小型移動機器人是目前科研熱門領域之一，國內(nèi)外有很多小型移動機器人廣泛使 用于消防、排爆、巡邏、偵查等場合。移動機器人在結構上一般為履帶式或輪式結構，其傳動 鏈一般為固定傳動比。移動機器人，尤其是在野外情況下使用的移動機器人常常需要有較 強的驅動力以滿足爬坡爬越樓梯的要求，同時在平地行駛的過程中往往對速度有較高的要 求。在傳動鏈固定的情況下，這就存在一組矛盾大動力要求動力部分提供大輸出扭矩，高 速度要求動力部分提供高輸出轉速。在機器人的總體設計上這一矛盾是始終存在的。現(xiàn)在為了解決這一矛盾，通常方法是選用大功率的動力部件，如大功率電機等。但 是在小型移動機器人設計過程中，受體積、重量尤其是電源的限制，動力部分不可能無限制 擴大，往往機器人最終的地面通過能力與地面最大速度只能進行折中，選取更需要的一方 面進行設計，這就限制了機器人的性能指標。另一種方法就是采用換擋變速傳動裝置，現(xiàn)有換擋裝置多用于汽車或者機床等領 域，無論體積重量還是適應性都無法直接使用在小型移動機器人上。汽車上使用自動變速 箱過于復雜，手動變速箱執(zhí)行部件不適于機器人的自動控制或遙控裝置實現(xiàn)，且適用于汽 車的變速器多體積大重量高。機床上使用的變速器變速原理簡單，單由于機床是停車變速， 變速時沒有負載，這樣其變速器結構設計不能適用于移動機器人。兩檔變速機構可以滿足機器人高速與高扭矩的需求，但是，對于野外工作的移動 機器人來說，最常用的工作狀態(tài)是在并不十分惡劣的地形條件下，具有一定通過能力的前 提下，保持一定的行進速度。此時如果使用高速檔則越野性能不足，不能保證機器人的通過 性能；如果選用低速檔，則動力過于富裕，而速度過于緩慢。在使用中需要頻繁切換兩檔位， 對機器人程序控制或遙控操作帶來很多不便，影響了機器人的使用性能。這一具體使用中 的需求就要求機器人傳動部件在提供高扭矩，高速度兩種輸出之外，還要提供一種工作中 常使用的扭矩轉速性能居中的動力輸出。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的技術問題在于提供一種簡單緊湊的適用于小型移動機器人的三 檔變速機構。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為一種小型移動機器人用三檔變速機構，包括 主傳動軸系、過渡軸系、換檔絲桿系及支撐上述機構的變速箱體，上述三個軸系通過軸承安 裝在變速箱體上，主傳動軸系與過渡軸系有三組齒輪副常嚙合，換檔絲桿系通過撥叉機構 與過渡軸系上同步環(huán)在軸向上相接觸；所述主傳動軸系包括輸入軸小齒輪、輸入軸大齒輪、 輸入軸、輸出軸齒輪、電磁離合器I、輸出軸，輸入軸的一端固連輸入軸大齒輪，所述輸入軸大齒輪與外界電機輸出齒輪相嚙合，輸入軸的另一端固連電磁離合器I的一側，輸入軸大 齒輪與電磁離合器I之間為輸入軸小齒輪，該輸入軸小齒輪固連在輸入軸上，電磁離合器I 的另一側與輸出軸的一端相固連，輸出軸上固連輸出軸齒輪；過渡軸系包括過渡軸I齒輪、 過渡軸I、過渡軸II、過渡軸III、同步齒I、同步環(huán)、同步齒II、過渡軸II空套齒輪、電磁離 合器II、過渡軸III齒輪、過渡軸軸承，過渡軸I與過渡軸II通過過渡軸軸承相連接，從而 可以相互徑向旋轉，過渡軸II的另一端與過渡軸III固連在電磁離合器II的兩端，過渡軸 I遠離過渡軸II的一端與過渡軸I齒輪相固連，過渡軸I與過渡軸II相連的一端固定連接 同步齒I，過渡軸II與過渡軸I相連的一端為花鍵結構，該花鍵結構上套有可與其相互滑動 的同步環(huán)，過渡軸II的中部空套相互固接的同步齒II、過渡軸II空套齒輪，所述同步齒II 靠近花鍵結構一端，上述同步環(huán)滑移到過渡軸I側時，與同步齒I相嚙合，滑移到另一側時 與同步齒II相嚙合，滑移到中部時，與同步齒I、同步齒II都不嚙合，過渡軸III在另一側 固連過渡軸III齒輪；換檔絲桿系包括步進電機、絲桿、撥叉機構，步進電機的輸出軸與絲 桿固連，該絲桿與撥叉機構的螺母配合；上述主傳動軸系的輸入軸大齒輪與過渡軸系的過 渡軸I齒輪相嚙合，主傳動軸系的輸入軸小齒輪與過渡軸系的過渡軸II空套齒輪相嚙合， 主傳動軸系的輸出軸齒輪與過渡軸系的過渡軸III齒輪相嚙合。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點1)本發(fā)明原理簡單，由于變速機構在減速 器之前，所以需要傳動扭矩比較小，體積重量可以設計的比較小巧。通過本發(fā)明，地面移動 機器人的動力輸出可以分為三個檔位，三個檔位之間變速比從低到高拉開了差距，高速檔 為減速比基本為1，巡航檔位一級減速，低速檔為三級減速。在滿足高速檔最大輸出轉速的 前提下，低速檔可以輸出扭矩比高速檔大十余倍；高速檔滿足機器人的速度要求，低速檔滿 足扭矩要求，同時巡航速度檔滿足了機器人經(jīng)常使用的具體工作要求。2)本發(fā)明換擋動作 由步進電機及一大一小兩個電磁離合器組合控制完成，控制簡單可靠，還可以加裝到位傳 感器，確保換擋動作的完成。換擋動作時只需要分離兩個電磁離合器，則機器人動力與負載 完全分離，步進電機可以帶動同步環(huán)完成撥叉動作，這樣在一定程度上完成了機器人不停 車情況下的換擋變速，極大的增加了機器人的實用性能和操作性能。3)本發(fā)明對受電機、電 源限制的小型移動機器人動力性能提升明顯，活動部件少，齒輪組全部是常嚙合結構，結構 簡單可靠，傳動效率高。下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。


圖1是小型地面移動機器人用三檔變速機構結構原理圖。圖2是小型地面移動機器人用三檔變速機構總體結構圖。圖3是換擋絲桿系結構圖。圖4是主傳動軸系結構圖。圖5是過渡軸系部分剖視圖。圖6是過渡軸系分解視圖。圖7是同步環(huán)、同步齒結構圖。圖8是低速檔位傳動原理圖。圖9是巡航檔位傳動原理圖。
圖10是高速檔位傳動原理圖。圖11是空檔檔位傳動原理圖。
具體實施例方式結合圖1、圖2，本發(fā)明的一種小型移動機器人用三檔變速機構，包括主傳動軸系 22、過渡軸系23、換檔絲桿系24及支撐上述機構的變速箱體，上述三個軸系通過軸承安裝 在變速箱體上，主傳動軸系22與過渡軸系23有三組齒輪副常嚙合，換檔絲桿系24通過撥 叉機構10與過渡軸系23上同步環(huán)9在軸向上相接觸；結合圖4，所述主傳動軸系22包括輸入軸小齒輪2、輸入軸大齒輪4、輸入軸5、輸 出軸齒輪18、電磁離合器I 19、輸出軸20，輸入軸5的一端固連輸入軸大齒輪4，所述輸入 軸大齒輪4與外界電機輸出齒輪相嚙合，輸入軸5的另一端固連電磁離合器I 19的一側， 輸入軸大齒輪4與電磁離合器I 19之間為輸入軸小齒輪2，該輸入軸小齒輪固連在輸入軸 5上，電磁離合器I 19的另一側與輸出軸20的一端相固連，輸出軸20上固連輸出軸齒輪 18 ；結合圖5、圖6，過渡軸系23包括過渡軸I齒輪6、過渡軸17、過渡軸II 21、過渡 軸III 16、同步齒18、同步環(huán)9、同步齒II 12、過渡軸II空套齒輪13、電磁離合器II 15、 過渡軸III齒輪17、過渡軸軸承28，過渡軸17與過渡軸1121通過過渡軸軸承28相連接， 從而可以相互徑向旋轉，過渡軸II 21的另一端與過渡軸III 16固連在電磁離合器II 15 的兩端，過渡軸17遠離過渡軸II 21的一端與過渡軸I齒輪6相固連，過渡軸17與過渡軸 II 21相連的一端固定連接同步齒I 8，過渡軸II 21與過渡軸17相連的一端為花鍵結構， 該花鍵結構上套有可與其相互滑動的同步環(huán)9，過渡軸II 21的中部空套相互固接的同步 齒II 12、過渡軸II空套齒輪13，所述同步齒II 12靠近花鍵結構一端，上述同步環(huán)9滑移 到過渡軸17側時，與同步齒18相嚙合，滑移到另一側時與同步齒II 12相嚙合，滑移到中 部時，與同步齒18、同步齒II 12都不嚙合，過渡軸III 16在另一側固連過渡軸III齒輪 17 ；結合圖3，換檔絲桿系24包括步進電機14、絲桿11、撥叉機構10，步進電機14的 輸出軸與絲桿11固連，該絲桿11與撥叉機構10的螺母配合；步進電機14帶動絲桿軸11 轉動，帶有撥叉10結構的螺母在絲桿軸11上平移，帶動同步環(huán)9結構在過渡軸II 16的花 鍵上滑移，分別與過渡軸17上固連的同步齒18或過渡軸II 16上空套的同步齒II 12嚙 合。上述換檔絲桿系24通過軸承25安裝在箱體上。上述主傳動軸系22的輸入軸大齒輪4與過渡軸系23的過渡軸I齒輪6相嚙合， 主傳動軸系22的輸入軸小齒輪2與過渡軸系23的過渡軸II空套齒輪13相嚙合，主傳動 軸系22的輸出軸齒輪18與過渡軸系23的過渡軸III齒輪17相嚙合。結合圖7，本發(fā)明中同步環(huán)9有內(nèi)花鍵可以在輸出軸16上滑動，同步環(huán)兩端面內(nèi)側 有內(nèi)齒可以與同步齒12面的外齒一一嚙合，為在滑動過程中便于嚙合，同步齒12與同步環(huán) 9的嚙合齒端都設計有圓角。結合圖8，三檔變速機構處于低速檔位狀態(tài)時，過渡軸系23上的同步環(huán)9與同步齒 II 12相嚙合，主傳動軸系22上的電磁離合器I 19分離，過渡軸系23上的電磁離合器II 15吸合。
傳動鏈如圖中箭頭方向所示，具體如下驅動電機1-電機輸出齒輪3—輸入軸大齒輪4一輸入軸5—輸入軸小齒輪 2—過渡軸II空套齒輪13—同步齒II 12—同步環(huán)9—過渡軸II 21—離合器II 15—過 渡軸III16-過渡軸III齒輪17-輸出軸齒輪18-輸出軸20傳動鏈中有三對減速齒輪副，分別為電機輸出齒輪3/輸入軸大齒輪4 ；輸入軸小 齒輪2/過渡軸空套齒輪13 ；過渡軸III齒輪17/輸出軸齒輪18。變速器為三級減速。結合圖9，三檔變速機構處于巡航檔位狀態(tài)時，主傳動軸系22上的電磁離合器I 19吸合，過渡軸系23上的電磁離合器II 15分離。當過渡軸系23上的同步環(huán)9與同步齒 18、同步齒II 12都不嚙合時效率最優(yōu)。傳動鏈如圖中箭頭方向所示，具體如下驅動電機1-電機輸出齒輪3—輸入軸大齒輪4一輸入軸5—離合器I 19-輸 出軸20傳動鏈中有一對減速齒輪副電機輸出齒輪3/輸入軸大齒輪4。變速器為一級減 速，其余嚙合齒輪都處于空掛狀態(tài)。結合圖10，三檔變速機構處于高速檔位狀態(tài)時，過渡軸系23上的同步環(huán)9與同步 齒I 8相嚙合，主傳動軸系22上的電磁離合器I 19分離，過渡軸系23上的電磁離合器II 15吸合。傳動鏈如圖中箭頭方向所示，具體如下驅動電機1-電機輸出齒輪3—輸入軸大齒輪4此時作為過渡齒輪不參與傳 動一過渡軸I齒輪6-過渡軸17-同步齒18-同步環(huán)9-過渡軸II 21-離合器II 15-過渡軸III 16-過渡軸III齒輪17-輸出軸齒輪18-輸出軸20傳動鏈中有一增速齒輪副，為電機輸出齒輪3/過渡軸I齒輪6 ；—級減速齒輪 副，為過渡軸III齒輪17/輸出軸齒輪18。變速器基本不改變傳動比。結合圖11，三檔變速機構處于空檔位狀態(tài)時，主傳動軸系22上的電磁離合器I 19 分離，過渡軸系23上的電磁離合器II 15分離。此時動力輸出與負載完全脫離，變速器處 于空擋狀態(tài)，這一狀態(tài)可以用來作為撥動同步環(huán)時的中間狀態(tài)使用。
權利要求
一種小型移動機器人用三檔變速機構，其特征在于，包括主傳動軸系(22)、過渡軸系(23)、換檔絲桿系(24)及支撐上述機構的變速箱體，上述三個軸系通過軸承安裝在變速箱體上，主傳動軸系(22)與過渡軸系(23)有三組齒輪副常嚙合，換檔絲桿系(24)通過撥叉機構(10)與過渡軸系(23)上同步環(huán)(9)在軸向上相接觸；所述主傳動軸系(22)包括輸入軸小齒輪(2)、輸入軸大齒輪(4)、輸入軸(5)、輸出軸齒輪(18)、電磁離合器I(19)、輸出軸(20)，輸入軸(5)的一端固連輸入軸大齒輪(4)，所述輸入軸大齒輪(4)與外界電機輸出齒輪相嚙合，輸入軸(5)的另一端固連電磁離合器I(19)的一側，輸入軸大齒輪(4)與電磁離合器I(19)之間為輸入軸小齒輪(2)，該輸入軸小齒輪固連在輸入軸(5)上，電磁離合器I(19)的另一側與輸出軸(20)的一端相固連，輸出軸(20)上固連輸出軸齒輪(18)；過渡軸系(23)包括過渡軸I齒輪(6)、過渡軸I(7)、過渡軸II(21)、過渡軸III(16)、同步齒I(8)、同步環(huán)(9)、同步齒II(12)、過渡軸II空套齒輪(13)、電磁離合器II(15)、過渡軸III齒輪(17)、過渡軸軸承(28)，過渡軸I(7)與過渡軸II(21)通過過渡軸軸承(28)相連接，從而可以相互徑向旋轉，過渡軸II(21)的另一端與過渡軸III(16)固連在電磁離合器II(15)的兩端，過渡軸I(7)遠離過渡軸II(21)的一端與過渡軸I齒輪(6)相固連，過渡軸I(7)與過渡軸II(21)相連的一端固定連接同步齒I(8)，過渡軸II(21)與過渡軸I(7)相連的一端為花鍵結構，該花鍵結構上套有可與其相互滑動的同步環(huán)(9)，過渡軸II(21)的中部空套相互固接的同步齒II(12)、過渡軸II空套齒輪(13)，所述同步齒II(12)靠近花鍵結構一端，上述同步環(huán)(9)滑移到過渡軸I(7)側時，與同步齒I(8)相嚙合，滑移到另一側時與同步齒II(12)相嚙合，滑移到中部時，與同步齒I(8)、同步齒II(12)都不嚙合，過渡軸III(16)另一側固連過渡軸III齒輪(17)；換檔絲桿系(24)包括步進電機(14)、絲桿(11)、撥叉機構(10)，步進電機(14)的輸出軸與絲桿(11)固連，該絲桿(11)與撥叉機構(10)的螺母相配合；上述主傳動軸系(22)的輸入軸大齒輪(4)與過渡軸系(23)的過渡軸I齒輪(6)相嚙合，主傳動軸系(22)的輸入軸小齒輪(2)與過渡軸系(23)的過渡軸II空套齒輪(13)相嚙合，主傳動軸系(22)的輸出軸齒輪(18)與過渡軸系(23)的過渡軸III齒輪(17)相嚙合。
2.根據(jù)權利要求1所述的小型移動機器人用三檔變速機構，其特征在于，三檔變速機 構處于低速檔位狀態(tài)時，過渡軸系(23)上的同步環(huán)(9)與同步齒11(12)相嚙合，主傳動軸 系(22)上的電磁離合器1(19)分離，過渡軸系(23)上的電磁離合器11(15)吸合。
3.根據(jù)權利要求1所述的小型移動機器人用三檔變速機構，其特征在于，三檔變速機 構處于巡航檔位狀態(tài)時，主傳動軸系(22)上的電磁離合器I (19)吸合，過渡軸系(23)上的 電磁離合器II (15)分離。
4.根據(jù)權利要求3所述的小型移動機器人用三檔變速機構，其特征在于，三檔變速機 構處于巡航檔位狀態(tài)時，過渡軸系(23)上的同步環(huán)(9)與同步齒I (8)、同步齒II (12)都不 嚙合。
5.根據(jù)權利要求1所述的小型移動機器人用三檔變速機構，其特征在于，三檔變速機 構處于高速檔位狀態(tài)時，過渡軸系(23)上的同步環(huán)(9)與同步齒I (8)相嚙合，主傳動軸系 (22)上的電磁離合器1(19)分離，過渡軸系(23)上的電磁離合器11(15)吸合。
6.根據(jù)權利要求1所述的小型移動機器人用三檔變速機構，其特征在于，三檔變速機 構處于空檔位狀態(tài)時，主傳動軸系(22)上的電磁離合器1(19)分離，過渡軸系(23)上的電 磁離合器II (15)分離。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于小型移動機器人上的三檔變速傳動裝置。該裝置通過控制一對電磁離合器的通斷及一個滑動同步環(huán)的位置，選擇傳動裝置中參與傳動的嚙合齒輪副，不同的組合可以實現(xiàn)三種不同的傳動比，三個檔位之間變速比從低到高拉開了差距，高速檔為減速比基本為1，巡航檔位一級減速，低速檔為三級減速。在滿足高速檔最大輸出轉速的前提下，低速檔可以輸出扭矩比高速檔大十余倍；高速檔滿足機器人的速度要求，低速檔滿足扭矩要求，同時巡航速度檔滿足了機器人經(jīng)常使用的具體工作要求。
文檔編號F16H3/12GK101929530SQ20101015400
公開日2010年12月29日 申請日期2010年4月23日 優(yōu)先權日2010年4月23日
發(fā)明者馮虎田, 李春梅, 歐屹, 王禹林, 陶衛(wèi)軍, 韓軍, 黃思姬 申請人:南京理工大學