全方位移动履带 |
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| 申请号 | CN201210347201.X | 申请日 | 2012-09-19 | 公开(公告)号 | CN103043128B | 公开(公告)日 | 2017-06-13 |
| 申请人 | 张豫南; | 发明人 | 张豫南; 黄涛; 颜南明; 张健; 尚颖辉; 李年裕; 李瀚飞; 蔡志远; 王双双; 田鹏; 闫永宝; 赵玉慧; 孙晓雨; 吴中坚; 李辉; 张舒阳; 王恒; | ||||
| 摘要 | 一种全方位移动 履带 ，其主要由主动轮(12)、履带板(13)、辊子(14)、负重轮(15)、拖带轮(16)以及诱导轮(17)构成。所述辊子(14)固定在所述每个履带板的辊子 支架 (23)上，其转动轴线与所述全方位移动履带的主动轮(12)的轴线设置成一定的夹 角 ，形成所述辊子(14)的偏置角。所述辊子(14)的偏置角范围在(0°，90°)或(‑90°，0°)之间，优选所述辊子(14)的偏置角为±45°，这种全方位移动履带可组合构成履带式全方位移动平台。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种全方位移动履带，其主要由主动轮(12)、履带板(13)、辊子(14)、负重轮(15)、托带轮(16)以及诱导轮(17)构成，其特征在于，所述全方位移动履带由多个履带板(13)拼接而成，所述辊子(14)固定在所述每个履带板的辊子支架(23)上，其转动轴线与所述全方位移动履带的主动轮(12)的轴线设置成一定的夹角，形成所述辊子(14)的偏置角； |
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| 说明书全文 | 全方位移动履带技术领域[0001] 本发明属于移动机械装置技术领域，具体涉及一种具有全方位运动特性的移动履带。 背景技术[0002] 对于移动机构而言，全方位运动是指在空间坐标系XYZ下，物体在XY平面上同时具有三个自由度的运动，即沿X轴、Y轴的平动和绕Z轴的转动。因此，可实现全方位运动的移动机构也称之为全方位移动机构。移动机构按其结构通常可分为轮式、履带式和腿足式，此外还有适用于特定场合的步进式、蠕动式和蛇形式。目前，绝大多数全方位移动机构都是轮式的，主要有麦克纳姆轮(Mecanum wheel)、连续切换轮(Alternate wheel)、正交轮(Orthogonal wheel)、球轮(ball wheel)和Rover轮等。其中麦克纳姆轮是工程上应用最广泛的一种结构之一。 [0003] 然而，对履带式全方位移动机构的研究则相对滞后，直到上世纪90年代初才开始有这方面的研究成果出现。现有的履带式全方位移动机构都是由国外设计研制的，主要有Omnidirectional Spherical Tire Mechanism、“VUTON”Crawler、Crawler-Roller Running Mechanism和Omni-Crawler with Circular Cross-Section等，但它们目前还未在工程上得到广泛应用。而国内对履带式全方位移动机构的研究还处于空白。 [0004] 上世纪90年代初，美国工程师Mark West和Haruhiko Asada发明了Omnidirectional Spherical Tire Mechanism。其结构主要由两条平行的圆棒和若干个球形轮组成，圆棒与球形轮之间保持点接触，球形轮可以沿平行于圆棒轴线的方向运动，同时圆棒的转动又可带动球形轮沿垂直于圆棒轴线的方向运动。因此，该履带机构具有在平面上的两个运动自由度，即沿x轴、y轴的平动。 [0005] “VUTON”Crawler是由日本的Shigeo Hirose教授发明，他的发明灵感来源于某全方位轮。Hirose教授想通过一连串的自由辊子代替了原有的全方位轮，从而将其演变成一种履带式全方位移动机构。如图1所示，它的结构主要是由一对链条2、3和若干个圆柱形的自由辊子6构成，两条链条之间保持固定的间距，它们之间用矩形框5连接，自由辊子则固定在矩形框上，它们可绕自身轴线转动，但保持始终水平姿态。这种机构的特点是结构平坦、紧凑；相比原有的全方位轮，接地面积增大，载重能力也增强；同时由于与地面之间不发生滑移现象且接地面积较大，所以对地面的破坏程度较小。“VUTON”移动履带(crawler)是与本发明相近似的一种方案，在前文中已对其有所介绍，它的实物结构如图2所示，其主要由主动轮轴1、内侧链条2、外侧链条3、调速带4、矩形框5、框支架6、辊子7及张紧装置8构成，其中辊子轴线与主动轮轴线的夹角为90°，即辊子的偏置角为90°(1)越障能力差。“VUTON”移动履带中的部分结构设计，例如采用90°偏置角辊子和矩形框等，导致其通过具有台阶、槽沟等障碍的路面的能力较差，从而降低了其通过性。 [0006] 日本三重大学(Mie university)的Peng Chen等人针对当前大多数全方位移动机构只能适用于平坦路面而不能用于复杂不平路面的问题，设计了Crawler-Roller Running Mechanism。该机构是在一个链传动机构上增加了若干的自由轮，每两个自由轮为一组，它们的安装方向与链条的传动方向垂直。这些自由轮使得该机构不仅具有横向运动的自由度，还能攀爬台阶等障碍物，因此它不仅可以实现全方位运动，还具备了一定的越障能力。 [0007] 日本工程师Kenjiro Tadakuma、Riichiro Tadakuma和Hiroaki Kinoshita等人发明了一种具有圆形横截面的履带式全方位移动机构。该机构的横截面为圆形，它除了可以实现纵向运动外，还具备了一个沿纵轴方向的主动旋转轴，从而又可实现横向运动。前文所述的几种履带式全方位移动机构，都利用了自由辊子，由于自由辊子是被动驱动的，且其尺寸相对于整个履带较小，所以会造成履带克服台阶和不连续路面等障碍的能力差。而该履带机构没有了自由辊子，所以能有效克服上述几种结构的缺点，但其结构设计较为复杂。 [0008] Mecanum轮是一种典型的轮式全方位移动机构，如图3所示，它主要由轮毂9和固定在轮毂上的一系列均匀分布的鼓形辊子11组成，辊子的外廓包络线10与轮子的理论圆周线相重合，辊子可以绕其轴线自由旋转，辊子轴线和轮毂轴线的夹角为辊子的偏置角，通常为±45°。 [0009] Mecanum轮在平面上具有3个运动自由度：一是绕轮子轴线转动；二是沿接地辊子轴线垂线方向平动；三是绕轮子和地面的接触点转动。Mecanum轮是一种刚性轮，其接地辊子与地面之间是点接触，通常为一点或两点接触，接地面积非常小，所以在运动过程中，容易产生振动和滑移，尤其在高速运动下更为明显，从而影响运动的稳定性。另外，点接触也决定了Mecanum轮只能适用于平坦路面，在随机不平路面上的运动精度难以保证。同时，由于Mecanum轮接地面积小，地面所受压强大，所以也容易对地面造成破坏。 [0010] Mecanum轮结构的关键在于辊子的设计，因为理论上要求辊子外廓包络线应是一个标准的圆周，而辊子的外轮廓曲线主要决定了辊子外廓包络线的圆度误差。但是现有辊子外轮廓曲线的计算方法复杂且仍存在一定的误差，而且在加工过程中也可能出现误差。另外，轮毂的加工精度也需要保证。上述因素很可能使辊子外廓包络线产生较大的圆度误差，从而在运动过程中产生较大的振动，影响运动稳定性和精度。总而言之，Mecanum轮的结构设计复杂，对加工精度要求高。 发明内容[0011] 为了解决现有的Mecanum轮运动颠簸、路面适应能力差，以及为了解决“VUTON”移动履带越障能力差的问题，以及提高全方位移动机构运动的稳定性和精度，本发明提供了一种全方位移动履带，其主要由主动轮(12)、履带板(13)、辊子(14)、负重轮(15)、托带轮(16)以及诱导轮(17)构成，其特征在于，由多个履带板(13)拼接而成，所述辊子(14)固定在所述每个履带板的辊子支架(23)上，其转动轴线与所述全方位移动履带的主动轮(12)的轴线设置成一定的夹角，形成所述辊子(14)的偏置角。 [0012] 所述履带板(13)由板体(19)、导向齿(20)、啮合轴(21)、销孔(22)、以及辊子支架(23)构成，其中板体(19)用于支撑负重轮(15)和托带轮(16)，其中所述啮合轴(21)与所述主动轮(12)上的齿圈相互啮合以实现动力的转换，所述销孔(22)用于将多个履带板拼接成一条完整的履带。所述辊子(14)可自由转动，其外轮廓为圆柱体形状。 [0013] 所述履带板的辊子支架(23)的轴线与所述主动轮(12)轴线成一固定夹角，以使整条履带上的所述辊子(14)形成统一的固定偏置角。 [0014] 所述辊子(14)在整条履带上均匀分布，所述辊子(14)具有固定偏置角，其偏置角范围在(0°，90°)或(-90°，0°)之间。优选所述辊子(14)的偏置角为±45°。 [0015] 所述全方位移动履带的诱导轮(17)与所述主动轮(12)的结构相同，所述诱导轮(17)可与所述主动轮(12)同时提供驱动力。 [0016] 所述辊子(14)可自由转动，其外轮廓为圆柱体形状。所述主动轮(12)为双齿圈结构。所述负重轮(15)上具有导向槽，其与履带板(13)上的导向齿(20)啮合以使负重轮(15)不偏离履带板(13)的板体轨道。 [0017] 本发明的全方位移动履带与前述现有技术的移动履带相比，具有如下优点：(1)提高了全方位移动机构运动的稳定性；(2)提高了全方位移动机构运动的精度；(3)提高了全方位移动机构的通过性；(4)结构设计简单，对加工精度要求不高；(5)改变了履带车辆的运动模式，大大提升其运动的灵活性。附图说明 [0018] 图1：现有技术中“VUTON”移动履带的结构原理图； [0019] 图2：现有技术中“VUTON”移动履带的结构示意图； [0020] 图3：现有技术中麦克纳姆(Mecanum)轮轴向投影图； [0021] 图4：本发明的全方位移动履带结构示意图； [0022] 图5：本发明的全方位移动履带的主动轮结构示意图； [0023] 图6：本发明的全方位移动履带的履带板结构示意图； [0024] 图7：本发明的全方位移动履带的辊子结构示意图； [0025] 图8：本发明的全方位移动履带的负重轮结构示意图。 具体实施方式[0026] 众所周知，现有履带车辆具有运动平稳、路面适应能力强等优点，本发明方案正是基于现有履带车辆移动机构的基本结构，通过改进设计而研制的一种新型履带机构——全方位移动履带。全方位移动履带既保持了原有履带车辆的移动机构运动平稳、路面适应能力强的优点，又具备了实现全方位运动的功能。 [0027] 本发明的全方位移动履带结构示意图如图4所示，该机构主要由主动轮12、履带板13、辊子14、负重轮15、托带轮16和诱导轮17等六部分组成。 [0028] 其中主动轮12采用双排齿圈结构，如图5所示，其功用是，通过齿圈与履带板13啮合，将电机输出的驱动扭矩转换成履带的拉力，从而带动整个履带运动。主动轮的齿数及尺寸可根据实际需要的履带尺寸来确定。 [0029] 在履带和主动轮的设计中，已经确定了履带板的宽度、节距、啮合方式以及啮合轴的直径，所述履带板13如图6所示。所述每个履带板可分为以下几个部分：板体19、导向齿20、啮合轴21、销孔22及辊子支架23。其中板体19用于支撑负重轮15和托带轮16，相当于移动履带的主要运动的轨道；导向齿20则起到了导向作用，保证了负重轮15及托带轮16不偏离板体19轨道；啮合轴20与主动轮12上的齿圈相互啮合，实现了动力的转换，由于主动轮12是双齿圈结构，所以一个履带板上具有一对啮合轴；销孔22用于多个履带板之间的连接，最后组成一条完整的履带；辊子支架23位于板体下方，用于固定辊子，它的轴线24与主动轮轴线18成一定的夹角，其范围为(0°，90°)或(-90°，0°)，通常设计为±45°。 [0030] 本发明所述辊子是履带的接地部分，主要通过它与地面的相互作用来实现全方位运动，其外轮廓为一个圆柱体。其相比前述现有技术中使用Mecanum轮的移动机构，全方位移动履带运动的平稳性大大提升。全方位移动履带的接地部分为一连串的圆柱形辊子，它们与地面之间是线接触，这有效地增加了平台的接地面积，且随着履带长度的增加而增大。另外，在运动过程中，全方位履带的辊子在每次接地后，保持一段的接触时间(这段时间取决了履带的长度及主动轮转速)，这样很可能使接地辊子与地面之间达到短暂的静平衡，从而有效减缓颠簸程度，提高了平台运动的平稳性。所述辊子安装于辊子支架上，可绕自身轴线自由转动，由于辊子支架的轴线与主动轮轴线成一定的夹角，所以辊子具有一定的偏置角，其范围为(0°，90°)或(-90°，0°)，通常为±45°。 [0031] 另外本发明全方位履带的负重轮如图8所示，负重轮上设置有导向槽25，其与履带板13上的导向齿20啮合以使负重轮15不偏离履带板13的板体轨道。负重轮的功用是，支撑车体在履带接地段上滚动，并将平台的重力较均匀地分配在整个履带接地段上。通常，一条履带上具有多个负重轮，增加负重轮的数量，可以使履带支撑面上的压力分布均匀，使该机构在承载能力差的地面上的通过性变好，减小了对地面的破坏程度。负重轮的选材、结构及尺寸可根据实际需求进行设计。 [0032] 另外，本发明的全方位移动履带还包括拖带轮，拖带轮与负重轮结构相似，但尺寸相对较小。它对上支履带段起到支撑作用，这样可以减小上支履带段的摆动，从而减小履带板铰接处的功率损失。一般一条履带上也具有多个拖带轮，具体数量可根据上支履带段的长度来确定。 [0033] 进一步本发明的全方位移动履带还包括诱导轮。通常，诱导轮的功用是用来支撑上支履带段和改变上支履带段的运动方向，它与拖带轮的结构相似，但尺寸较大。然而，如图4中所示的诱导轮虽然与主动轮结构相同，但其不具有主动驱动能力。然而，如果想增大履带的驱动力时，可将该诱导轮直接地变换为主动轮，则整条履带由两个主动轮驱动，这可根据实际需求来确定。 [0034] 本发明的全方位移动履带与前述现有技术的移动履带相比，具有如下优点： [0035] (1)提高了全方位移动机构运动的稳定性。全方位移动履带的接地部分为一连串的圆柱形辊子，它们与地面之间是线接触，这有效地增加了接地面积，且随着履带长度的增加而增大。另外，在运动过程中，全方位履带的辊子在每次接地后，保持一段的接触时间(这段时间取决了履带的长度及主动轮转速)，这样很可能使接地辊子与地面之间达到短暂的静平衡，从而有效减缓振动的程度，提高了运动的平稳性。 [0036] (2)提高了全方位移动机构运动的精度。由于全方位移动履带的接地部分是一连串的线接触，整个机构与地面的接触点较多，所以其在随机不平路面上仍能实现全方位运动，并且能保证较好的运动精度。 [0037] (3)提高了全方位移动机构的通过性。全方位移动履带保持了履带车辆的移动机构良好的通过性，因此它具备了一定的越障能力，例如通过30度斜坡、台阶及沟槽等。这里需要指明的是，上文描述的一些路面均为硬路面，而全方位移动履带由于接地面积大，对地面的压强较小，所以也具备了通过一定程度软路面的能力。另外，在通过软路面时全方位移动履带上的辊子还可以起到类似履带车辆的移动机构上着地筋的作用。例如，在泥土路面上接地辊子会部分地压入泥土中，从而增大对地面的附着力，防止出现履带滑转。 [0038] (4)结构设计简单，对加工精度要求不高。全方位移动履带各部件的结构都比较简单，其中履带板的结构相对复杂一点，但只需保证履带板上的节距以及辊子支架偏置角的精度即可。另外，本发明方案的辊子仅为圆柱形辊子，对辊子外轮廓曲线不需要复杂的设计方法且对精度要求不高。可见，全方位移动履带的结构非常简单，对加工精度要求不高。 [0039] (5)改变了履带车辆的运动模式，为履带车辆的发展提供了一条新的途径。现有履带车辆的移动机构运动往往不够灵活，导致履带车辆调整自身姿态的能力较差，尤其在转向时履带所受的阻力，导致运动消耗的功率较大。而全方位移动履带既具备全方位移动的功能，又保持原有履带良好的性能，所以利用其可以改变履带车辆的运动模式，大大提升其运动的灵活性，为履带车辆的发展提供了一条新的途径。 |
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