一種全方位移動履帶及其平臺的製作方法

2023-09-17 12:16:05

專利名稱：一種全方位移動履帶及其平臺的製作方法
技術領域：
本發明屬於移動機械裝置技術領域，具體涉及一種用於移動機構的具有全方位運動特性的移動履帶及其平臺。
背景技術：
對於移動機構而言，全方位運動是指在空間坐標系XYZ下，物體在XY平面上同時具有三個自由度的運動，即沿X軸、Y軸的平動和繞Z軸的轉動。它可以朝平面上的任意方向移動而不需要改變平臺的姿態，也可實現以任意一點為中心、任意半徑的轉向運動。目前，全方位移動平臺按其移動機構主要可劃分為輪式和履帶式兩類。輪式全方位移動平臺有多種結構，其中最為典型的是Mecanum輪式全方位移動平臺，它已在軍事安全、航空航天、倉儲運輸和社會服務等領域得到了廣泛的應用，例如軍艦彈藥運載平臺、航空發動機運載平臺、全方位移動叉車和傷員換乘轉運平臺等。然而，輪式全方位移動平臺仍普遍存在一些工程問題，以全方位移動叉車為例，主要如下:(I)車體振動大，在高速行駛時尤為明顯；全方位移動叉車的載重量大且與地面為點接觸，因此對路面的壓強很大，易造成全方位輪的磨損和對路面的破壞；(3)全方位移動叉車的越障能力較差，難以克服臺階、溝槽等障礙；(4)全方位移動叉車對路面條件要求高，必須是平坦路面，否則將難以完成有效的全方位運動。針對全方位輪結構的上述缺陷，科技人員開始研究履帶式全方位移動平臺以便通過結合傳統履帶結構的優勢來解決目前輪式全方位平臺存在的問題。湖南農業大學申請的發明專利「一種全方向移動履帶」(申請號:201210230232.7)公開了一種全方向移動履帶，如圖1所示，其包括履帶本體，所述履帶本體由電機驅動的主動輪帶動運轉，所述履帶本體由多塊履帶板前後相互鉸接構成，所述履帶板的左右兩側安裝有可以繞軸自由轉動的行走輪，該發明由於行走輪可以自由轉動與地面的摩擦小，因此履帶功率消耗也小，提高行走的穩定性。並且可以通過控制左右履帶的速度差，結合行走輪轉動實現平臺的橫向移動，但同時也會伴隨中心轉向，從而導致平臺的姿態發生改變。該履帶的特徵在於每個履帶板左右兩側安裝有中心線相互平行的行走輪，行走輪的中心軸線與履帶本體中心軸線所成夾角為0-90度。但是，該移動平臺不是全方位移動平臺，它不能滿足平面上完全的三自由度運動，在運動學原理上，該平臺的逆運動學方程的雅克比矩陣列不滿秩，因此它不滿足全方位運動的必要條件。該平臺雖然可以改善傳統履帶平臺轉向功率消耗大的問題，但平臺只能實現獨立的縱向運動，而不能實現獨立的橫向運動或中心轉向，因此它的運動軌跡難以控制，不能完成準確定位。發明專利「全方位移動履帶」(申請號為201210347201.X)和「履帶式全方位移動平臺」(申請號:201210347188.8)公開了一種新的履帶式全方位移動平臺。該全方位移動履帶主要由主動輪、履帶板、輥子、負重輪、拖帶輪和誘導輪等六部分組成，其結構示意圖如圖2所示。輥子中心軸線與主動輪中心軸線形成一定的偏置角，偏置角範圍(-90°，0° )或(0°，90° )，優選±45°。該履帶式全方位移動平臺的移動機構由多條全方位移動履帶構成。要實現平臺的全方位運動，一般需要三條或三條以上的全方位移動履帶。履帶式全方位移動平臺通常採用四條全方位移動履帶且履帶組布局為縱向對稱結構，其結構示意圖如圖3所示。圖3中小矩形框代表全方位移動履帶，框中一連串的斜線則表示履帶上一連串接地輥子的軸線方向，四條虛線則表示主動輪的軸線方向。由於「全方位移動履帶」的特殊結構，平臺上的履帶需要採取正反兩種安裝方式，所以平臺上的輥子偏置角有兩種，通常為±45°。圖3中I和3號履帶的棍子偏置角相同，而2和4號的棍子偏置角則剛好相反。但是，上述全方位履帶移動平臺仍然存在如下缺陷:(I)越障能力有限，履帶式全方位移動平臺的越障能力有限，由於全方位移動履帶上沒有設計接地角，所以它的越障能力會受到主動輪半徑大小的限制。(2)不平路面的適應能力有限。由於履帶式全方位移動平臺上沒有設計懸掛裝置，在不平路面運動引起劇烈振動時，容易導致負重輪與履帶板的脫離，從而出現某條或者多條履帶懸空的現象，這將影響平臺的運動軌跡，難以有效地完成全方位運動，因此履帶式全方位移動平臺對不平路面的適應能力仍有限。
發明內容為了解決現有履帶式移動平臺所存在的上述缺陷，進一步提高履帶式全方位移動平臺的運動穩定性、對不平路面的適應能力、以及越障能力，本發明提供了一種在履帶環上具有多排輥子的全方位移動履帶。本發明提供了一種全方位移動履帶，其包括主動輪1、履帶板2、輥子3、負重輪4、拖帶輪5、誘導輪6、以及平衡肘7，所述履帶板2由多個履帶子板拼接而成，其特徵在於，在所述每個履帶子板上具有多排輥子支架13，每排所述輥子支架13的支架軸線12相互平行，所述輥子3安裝於所述輥子支架13上，所述輥子可繞所述輥子支架13的支架軸線12自由轉動。所述輥子3的轉動軸線與所述全方位移動履帶的主動輪I的軸線設置成一定的夾角，形成所述輥子3的偏置角。所述履帶子板上具有雙排、三排、或四排所述輥子支架13，所述輥子3安裝於所述輥子支架13上。所述履帶板2被裝配為使履帶整體的橫向截面為倒梯形結構，所述履帶板2的豎向部分板體與所述履帶板2的接地部分板體形成一個接地角。所述履帶子板由板體8、導向齒9、嚙合軸11、銷孔10、以及輥子支架13構成，其中所述嚙合軸11與所述主動輪I上的齒圈相互嚙合以實現動力的轉換，所述銷孔10用於將多個履帶子板拼接成一條完整的履帶。所述輥子3的偏置角範圍在(0°，90° )或(-90°，0° )之間。所述輥子3的偏置角優選為±45°。本發明還提供了一種履帶式全方位移動平臺，其包括移動機構、懸掛系統、控制子系統、驅動子系統和電源子系統，其中所述移動機構由多個上述全方位移動履帶構成，其特徵在於，所述多個全方位移動履帶以類似汽車的四輪輪組縱向對稱結構排布，在由所述多個全方位移動履帶構成的縱向對稱結構中，處於一對角線上的兩個全方位移動履帶的偏置角相同，位於另一與之相交的對角線上的兩個全方位移動履帶的偏置角與前述偏置角相反。[0014]所述懸掛系統用於將移動平臺主體和負重輪連接起來，所述懸掛系統包括彈性元件、減振元件、限制器、導向裝置。所述全方位移動履帶的平衡肘7將所述全方位移動履帶的負重輪4與移動平臺主體連接。本發明的全方位移動履帶與前述現有技術的移動履帶相比，具有如下優點:(I)進一步提升了全方位移動平臺運動的穩定性。本發明方案將履帶板上的輥子由單排增至雙排，三排，四排甚至更多排，這樣可以增大履帶的接地面積，從而進一步提昇平臺運動的穩定性。(2)進一步提升了全方位移動平臺對不平路面的適應能力。本發明方案在平臺的總體結構中加入了懸掛裝置。懸掛裝置可以緩和或吸收負重輪的顛簸與衝擊，從而減小平臺的振動，提高平臺在不平路面上運動的穩定性。同時，利用懸掛裝置還可以使四條履帶與不平路面形成耦合，防止出現履帶懸空的現象，這樣是為了保證平臺在不平路面上全方位運動的準確性和適應能力。(3)進一步提升了全方位移動平臺的越障能力。本發明方案在履帶結構上設計了接地角，從而進一步提升全方位移動平臺的越障能力且不再受主動輪半徑的限制。

圖1:現有技術的全方向移動履帶結構示意圖；圖2:現有技術的全方位移動履帶結構示意圖；圖3:現有技術的履帶式全方位移動平臺結構示意圖；圖4:本發明的具有雙排輥子結構的全方位移動履帶結構示意圖；圖5:本發明的具有多排輥子結構的全方位移動履帶結構示意圖；圖6:本發明的全方位移動履帶的主動輪結構示意圖；圖7:本發明的全方位移動履帶的履帶子板結構示意圖；圖8:本發明的全方位移動履帶的輥子組結構示意圖；圖9:本發明的全方位移動履帶的負重輪結構示意圖；圖10:本發明的全方位移動履帶的平衡肘結構示意圖；圖11:本發明的全方位移動履帶接地角示意圖；圖12:本發明的全方位移動平臺的移動機構示意圖；圖13:本發明的全方位移動平臺履帶組布局結構示意圖；圖14:本發明的全方位移動平臺的總體結構圖。
具體實施方式
本發明方案的履帶結構是對現有「全方位移動履帶」的一種改進方案，它是一種在履帶環上具有多排輥子的全方位移動履帶，棍子的排數可由原來的單排可以增加到雙排，三排，四排甚至更多排。圖4和圖5分別示出了雙排和四排輥子的履帶結構，它們的結構基本相同。下面主要以四排輥子的全方位移動履帶為例進行說明。本發明方案的履帶結構主要由主動輪1、履帶板2、輥子3、負重輪4、平衡肘7、託帶輪5和誘導輪6等七部分組成。(I)主動輪主動輪採用雙排齒圈結構，如圖6所示，主動輪的軸線17。它的功用是，通過齒圈與履帶板的嚙合，將電機輸出的驅動扭矩轉換成履帶的牽引力，從而帶動整個履帶運動。[0033](2)履帶板履帶板由多個履帶子板構成，履帶子板之間採用單銷式連接。每個履帶子板分為以下幾個部分:板體、導向齒、銷孔、嚙合軸和輥子支架，如圖7所示。板體用於支撐負重輪和託帶輪，相當於它們運動的軌道；導向齒則起到了導向作用，保證了負重輪及拖帶輪不偏離板體軌道；嚙合軸與主動輪上的齒圈相互嚙合，實現了動力的轉換，由於主動輪是雙齒圈結構，所以一個履帶子板上具有一對嚙合軸；銷孔用於履帶板之間的連接，最後組成一條完整的履帶；輥子支架位於板體下方，用於固定輥子，每個履帶子板上具有多排輥子支架，每排支架的軸線相互平行，它們與主動輪軸線構成相同的角度，優選設計為±45°。(3)輥子輥子是履帶的接地部分，主要通過它與地面的相互作用來實現全方位運動，其外輪廓為一個圓柱體。多個輥子為一組，並安裝於輥子支架上，它們可繞支架軸線自由轉動，如圖8所示。由於輥子支架的軸線與主動輪軸線成一定的角度，所以輥子也具有一定的偏置角，其範圍為(0°，90° )或(-90°，0° )，優選為±45°。⑷負重輪負重輪的功用是，支撐車體在履帶接地段上滾動，並將平臺的重力較均勻地分配在整個履帶接地段上。通常，一條履帶上具有多個負重輪，增加負重輪的數量，可以使履帶支撐面上的壓力分布均勻，使該機構在承載能力差的地面上的通過性變好，減小了對地面的破壞程度，其結構示意圖如圖9所示。(5)平衡肘平衡肘是連接負重輪與平臺主體的部件。如果平臺主體中還具有懸掛裝置，那麼平衡肘也是在懸掛裝置中起導向作用的部件。它決定了負重輪相對於平臺主體的運動軌跡；並將來自履帶作用於負重輪的力的分量傳遞給懸掛裝置，例如彈性元件、減振器等，或者直接傳遞給平臺主體。本發明方案為了在平臺中加入懸掛裝置，因此在履帶結構上設計了平衡肘，其結構示意圖如圖10所示。(6)拖帶輪拖帶輪與負重輪結構相似，但尺寸相對較小。它對上支履帶段起到支撐作用，這樣可以減小上支履帶段的擺動，從而減小履帶板鉸接處的功率損失。一般一條履帶上也具有多個拖帶輪，具體數量可根據上支履帶段的長度來確定。(7)誘導輪通常，誘導輪的功用是用來支撐上支履帶段和改變上支履帶段的運動方向，它與拖帶輪的結構相似，但尺寸較大。然而，圖4、5中所示的誘導輪雖然與主動輪結構相同，但其不具有主動驅動能力。然而，如果想增大履帶的驅動力時，可將該誘導輪直接地變換為主動輪，則整條履帶由兩個主動輪驅動，這可根據實際需求來確定。本發明的全方位移動履帶還採用接地角設計，所謂接地角，即所述履帶板(2)被裝配為使履帶整體的橫向截面為倒梯形結構，如圖11所示，所述履帶板(2)的豎向部分板體(15)與所述履帶板(2)的接地部分板體(16)形成一個夾角，該夾角即為接地角。根據運動學解析，構成一個全方位移動臺至少需要三條或三條以上的本發明方案的履帶機構，因此，本發明方案中平臺的移動機構由四條多排輥子全方位移動履帶構成，如圖11所示。[0047]平臺履帶組的布局結構，採用類似汽車的四輪輪組布局結構，即縱向對稱結構，如圖12所示。圖中每個小矩形框代表一條履帶，框中多排斜線則表示履帶上多排接地輥子的軸線方向，四條虛線則表示主動輪的軸線方向。由於「全方位移動履帶」的特殊結構，平臺上的履帶需要採取正反兩種安裝方式，所以平臺上的輥子偏置角有兩種，通常為±45°。圖12中I和3號履帶的棍子偏置角相同，而2和4號的棍子偏置角則剛好相反。除了移動機構外，平臺還包括控制子系統、驅動子系統、電源子系統和懸掛裝置四個部分，平臺的總體結構如圖13所示。(2)控制子系統平臺的控制子系統由操縱杆、綜合控制器及四個電機控制器組成。控制子系統的工作流程如下:首先綜合控制器利用AD轉換模塊將操縱杆的模擬信號轉換為數位訊號，並計算出每個電機的轉速及轉向；接著，綜合控制器通過CAN總線將每個電機的轉速及轉向指令發送對應的電機控制器；最後，電機控制器根據接收的指令調節每個電機的轉速及轉向，同時也會反饋給綜合控制器每個電機當前時刻的實際轉速。(3)驅動子系統平臺的驅動子系統由四組電機和減速器組成。電機通過減速器與移動機構相連，接收電機控制器的轉速及轉向指令，從而驅動移動機構實現全方位運動。另外，由於「多排輥子全方位移動履帶」上的誘導輪也可作為主動輪，所以在需要的情況下，也可採用八組電機和減速器，則每條履帶將由兩組電機和減速器同時驅動。(4)電源子系統電源子系統為平臺的控制、驅動等提供電源，通常採用直流電源作為平臺的動力電源。這裡選用動力電池組。(5)懸掛裝置平臺的懸掛裝置是指將平臺主體和負重輪連接起來的所有部件的總稱，它包括彈性元件、減振元件、限制器、導向裝置和其他輔助零件。懸掛裝置的功用是把平臺主體和負重輪彈性地連接起來，傳遞作用在負重輪和平臺主體間的一切力和力矩，緩和平臺行駛時經負重輪傳到平臺主體的衝擊力。本發明的技術方案與現有全方位履帶相比，具有如下顯著的技術效果:(I)進一步提升了全方位移動平臺運動的穩定性本發明方案將履帶板上的輥子由單排增至雙排，三排，四排甚至更多排，這樣可以增大履帶的接地面積，從而進一步提昇平臺運動的穩定性。(2)進一步提升了全方位移動平臺對不平路面的適應能力本發明方案在平臺的總體結構中加入了懸掛裝置。當全方位移動平臺在不平路面上進行運動時，負重輪沿著不平路面上下運動，負重輪將承受強烈顛簸與衝擊，若將負重輪與平臺主體剛性連接，必將引起平臺的劇烈振動，從而影響平臺的穩定性。這時利用懸掛裝置可以緩和或吸收負重輪的顛簸與衝擊，從而減小平臺的振動，提高平臺在不平路面上運動的穩定性。同時，利用懸掛裝置還可以使四條履帶與不平路面形成耦合，防止出現履帶懸空的現象，這樣是為了保證平臺在不平路面上全方位運動的準確性。總之，利用懸掛裝置進一步提升了全方位移動平臺對不平路面的適應能力。(3)進一步提升了全方位移動平臺的越障能力[0063]本發明方案在履帶結構上設計了接地角，如圖11所示，從而進一步提升全方位移動平臺的越障能力且不再受主動輪半徑的限制。另外，利用懸掛裝置可緩解或吸收平臺越障時所受的衝擊力，從而提昇平臺越障的穩定性。雖然本發明已經參照多個實施例進行了描述，但本發明並不限於上述實施例，應當理解本領域技術人員能夠對上述實施例中涉及的部件進行適當的組合形成新的實施例，在不脫離本發明原理的基礎上進行的各種明顯的修改和變化都應落入本發明的保護範圍之內。
權利要求1.一種全方位移動履帶，其包括主動輪(I)、履帶板(2)、輥子(3)、負重輪(4)、拖帶輪(5)、誘導輪(6)、以及平衡肘(7)，所述履帶板(2)由多個履帶子板拼接而成，其特徵在於，在所述每個履帶子板上具有多排輥子支架(13)，每排所述輥子支架(13)的支架軸線(12)相互平行，所述輥子(3)安裝於所述輥子支架(13)上，所述輥子可繞所述輥子支架(13)的支架軸線(12)自由轉動。
2.如權利要求1所述的全方位移動履帶，其特徵在於，所述輥子(3)的轉動軸線與所述全方位移動履帶的主動輪(I)的軸線設置成一定的夾角，形成所述輥子(3)的偏置角。
3.如權利要求1所述的全方位移動履帶，其特徵在於，所述履帶子板上具有雙排、三排、或四排所述輥子支架(13)，所述輥子(3)安裝於所述輥子支架(13)上。
4.如權利要求1所述的全方位移動履帶，其特徵在於，所述履帶板(2)被裝配為使履帶整體的橫向截面為倒梯形結構，所述履帶板(2)的豎向部分板體與所述履帶板(2)的接地部分板體形成一個接地角。
5.如權利要求1至4之一所述的全方位移動履帶，其特徵在於，所述履帶子板由板體(8)、導向齒(9)、嚙合軸(11)、銷孔(10)、以及輥子支架(13)構成，其中所述嚙合軸(11)與所述主動輪(I)上的齒圈相互嚙合以實現動力的轉換，所述銷孔(10)用於將多個履帶子板拼接成一條完整的履帶。
6.如權利要求5所述的全方位移動履帶，其特徵在於，所述輥子(3)的偏置角範圍在(O。，90。)或(-90。，0。)之間。
7.如權利要求6所述的全方位移動履帶，其特徵在於，所述輥子(3)的偏置角為±45°。
8.一種履帶式全方 位移動平臺，其包括移動機構、懸掛系統、控制子系統、驅動子系統和電源子系統，其中所述移動機構由多個如權利要求1-7之一所述的全方位移動履帶構成，其特徵在於，所述多個全方位移動履帶以類似汽車的四輪輪組縱向對稱結構排布，在由所述多個全方位移動履帶構成的縱向對稱結構中，處於一對角線上的兩個全方位移動履帶的偏置角相同，位於另一與之相交的對角線上的兩個全方位移動履帶的偏置角與前述偏置角相反。
9.如權利要求8所述的履帶式全方位移動平臺，其特徵在於，所述懸掛系統用於將移動平臺主體和負重輪連接起來，所述懸掛系統包括彈性元件、減振元件、限制器、導向裝置。
10.如權利要求9所述的履帶式全方位移動平臺，其特徵在於，所述全方位移動履帶的平衡肘(7)將所述全方位移動履帶的負重輪(4)與移動平臺主體連接。
專利摘要一種全方位移動履帶，其包括主動輪(1)、履帶板(2)、輥子(3)、負重輪(4)、拖帶輪(5)、誘導輪(6)、以及平衡肘(7)，所述履帶板(2)由多個履帶子板拼接而成，在所述每個履帶子板上具有多排輥子支架(13)，每排所述輥子支架(13)的支架軸線(12)相互平行。所述履帶板(2)被裝配為使履帶整體的橫向截面為倒梯形結構，所述履帶板(2)的豎向部分板體與所述履帶板(2)的接地部分板體形成一個接地角。以及一種利用多個所述全方位移動履帶作為移動機構的全方位移動平臺。
文檔編號B62D55/08GK203078622SQ20132005732
公開日2013年7月24日 申請日期2013年2月1日 優先權日2013年2月1日
發明者張豫南, 黃濤, 顏南明, 尚穎輝, 李年裕, 張健, 李瀚飛, 蔡志遠, 宋小慶, 田鵬, 閆永寶, 李立宇, 劉亞龍, 張舒陽, 王恆 申請人:張豫南