一種水陸空三棲全方位移動機構的製作方法

2023-06-06 11:41:21 1

專利名稱：一種水陸空三棲全方位移動機構的製作方法
技術領域：
本發明屬於移動機器人工程技術領域，具體是一種用於探測的水陸空三棲全方位 移動機構。
背景技術：
目前，世界上能夠在水陸空三種環境下使用的工具都是以汽車的形式出現的，包 括瑞士汽車生產商Rinspeed在2006年三月推出的Splash是第一款水陸空三棲跑車；俄羅 斯著名的發明家、飛行家亞力山大.比加克於2008年發明的水陸空三棲機「進化」它採用 碳素纖維和凱夫拉爾纖維為原料，十分輕巧，重量僅為60公斤。它的外殼由高強度的特殊 材料製成，十分堅固。比較常見的全方位移動機構有空氣懸浮式、球履帶式、輪式等。輪式全方位移動機 構又可分為球輪驅動式、全輪轉向式、麥克納姆輪式等等。球輪(ball wheel)驅動式全方 位移動機構是由日本電通大的越山等人研製成功的。它由一個滾動球體、一組支撐滾子和 一組驅動滾子組成，其中支撐滾子固定在車底盤上，驅動滾子固定在一個可以繞球體中心 轉動的支架上。每個球輪上的驅動滾子由一個電機驅動，使球輪繞驅動滾子所構成平面的 法線轉動，同時可以繞垂直的軸線自由轉動。輪子的驅動力是滾子和輪子的摩擦力，使得輪 子的驅動力和速度受到限制，這也是球輪的缺點。同時，輪子在地面滾動過程中吸附的一些 灰塵，會在輪子和滾子的接觸點積累，影響二者之間的摩擦力，使輪子打滑。全輪轉向式移動機構理論上可行，但由於每個輪上均需要複雜的轉向機構，實際 中也很少有人採用。目前應用於實際的全向輪種類繁多，樣式各異大多為組合全向輪。組 合全向輪一般由多個輪子組合，通過運動合成，達到全向運動的效果。組合全向輪主要類型 有麥克納姆輪、瑞士輪、正交全方位輪、全向盤等，根據功能特點分別應用在不同的場合。但 是麥克納姆輪也有一些固有的缺點，如設計和加工比較困難；僅適用於比較平坦的地面，而 且行走過程中會產生不可避免的振動；承載能力不強。

發明內容
為了解決上述存在的技術問題，本發明提供一種水陸空全方位移動機構。它能夠 在水陸空三種不同的環境下進行全方位自由移動。機構本身機動靈活，具有一定的負載能 力。本發明的技術方案是本發明包括箱體、四組輪系及相對於各輪系設置的驅動機構，其特徵在於所述的 驅動機構包括置於箱體內的電機、傳動機構、離合機構和置於箱體頂端的直升旋翼機構，電 機與傳動機構連接，傳動機構的輸出端分別連接輪系和直升旋翼機構，連接有電磁鐵的離 合機構安裝在傳動機構上，電磁鐵上連接有電源；工作時，離合機構與傳動機構的輪系連接 端或直升旋翼機構連接端配合連接。本發明所述的離合機構包括基體、端蓋、鎖定銷、彈簧、撥叉和拉杆，所述基體是中間為大輪盤，兩側為小輪盤結構，且沿其軸線上開有帶鍵槽的軸孔，在基體兩側沿小輪盤圓 周上各均勻設有至少兩個安裝孔，每個安裝孔內均設有彈簧、鎖定銷及與鎖定銷相配合的 端蓋，撥叉一端與安裝在箱體上的拉杆連接，一端插接於基體大輪盤上。所述的撥叉為一端 帶有U型開口的叉型結構，其叉型的一個端面為與基體小輪盤相配合的弧形結構。所述的傳動機構包括傳動軸、第一傳動代替軸、第二傳動代替軸、法蘭盤、錐齒輪 傳動系、直齒輪傳動系及輸出軸，與直升旋翼機構連接的輸出軸端安裝有直齒輪傳動系，大 錐齒輪通過第一傳動代替軸安裝在傳動軸上，與其嚙合的小錐齒輪的固定軸安裝於小直齒 輪內孔中，法蘭盤通過第二傳動代替軸安裝於傳動軸的一端，第二傳動代替軸與輪系連接， 傳動軸另一端與電機連接。在所述的法蘭盤和大錐齒輪間的傳動軸上設有長鍵，與離合機 構基體上軸孔的鍵槽相配合。所述錐齒輪傳動系的大 錐齒輪和法蘭盤的圓周上均開有與離 合機構兩側鎖定銷相配合的圓孔。所述的直升旋翼機構包括旋翼基座、軸向鉸接接頭、固定座和至少兩片螺旋槳，旋 翼基座固定在箱體上，在其頂端面設有固定座，沿固定座圓周通過螺旋槳鉸接接頭均勻連 接有螺旋槳，在固定座上連接有與傳動機構的輸出軸配合連接的軸向鉸接接頭。所述的螺 旋槳鉸接接頭包括垂直鉸接頭和水平鉸接頭，垂直鉸接頭為「十」字型結構，水平鉸接頭截 面為一端開有「U」型口的「Y」型結構，在U型開口的兩側板上對稱開有與垂直鉸接頭相連 接配合的孔。所述的輪系包括輪轂和至少6個漿葉-輥子組，每組的輥子與漿葉一端通過固定 銷軸連接在一起，且槳葉另一端向心均勻分布在輪轂圓周上。所述輥子的軸線與輪轂軸線 間的距離減去輪轂半徑所得的差值大於10mm。本發明的有益效果如下本發明適應性強。其結構主要由傳動機構、離合機構、輪系和直升旋翼機構四部分 組成，在使用過程中根據本發明所在的不同環境對應選擇不同形式的動力輸出，這樣使機 構能夠適應更廣泛的環境並在更大的範圍內使用。本發明的離合機構與傳動機構通過鍵配合連接，使其可沿傳動機構的傳動軸作軸 向移動，且離合機構上設有分別與輸出至輪系端的法蘭盤和輸出至直升旋翼機構的大錐齒 輪相配合連接的結構，當需要將本發明的運動輸出由地面、水面轉換成天空，或者由天空轉 換到地面、水面時，可以通過離合機構使電機傳動軸連接到輪系或者直升旋翼機構。在離合 機構上設有可沿箱體移動的拉杆，拉杆一端連接的撥叉插接於離合機構的基體上，另一端 連接電磁鐵，通過電磁鐵控制離合機構的拉杆及基體的運動。由於離合機構上安裝有由鎖 定銷和彈簧構成的彈性壓縮裝置，避免了離合機構與傳動機構中的傳動代替軸之間的剛性 摩擦，減少了離合機構的磨損，同時使本發明中的離合機構使用起來更加順暢。本發明傳動機構一方面通過其上設有的錐齒輪傳動系和直齒輪傳動系，將水平軸 向運動轉為垂直運動，給本發明提供上升動力；另一方面通過傳動軸上的第二傳動代替軸 與輪系連接，將動力傳遞給輪系。


圖1為本發明的外形結構示意圖。圖2為圖1去除箱體端蓋的結構示意圖。
圖3為圖1的側剖示意圖。
圖4為本發明中離合機構示意圖，其中的鎖定銷為6個。圖5為圖4安裝的側視示意圖，其中鎖定銷為4個。圖6為圖4的剖視示意圖。圖7為本發明中傳動機構示意圖。圖8為圖1中直升旋翼機構剖視示意圖。圖9為本發明輪繫結構示意圖。圖10為圖9去除輪轂側板的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明。實施例1 如圖1所示，本發明包括箱體29、四組輪系1及相對於各輪系1設置的 驅動機構，四組輪系1對稱分布在箱體29的兩側，如圖2所示，所述的各組驅動機構結構相 同，均包括電機5、傳動機構3、離合機構2和直升旋翼機構4，其中電機5、傳動機構3、離合 機構2置於箱體29內，直升旋翼機構4置於箱體29頂端，電機5與傳動機構3連接，傳動 機構3的輸出端分別連接輪系1和直升旋翼機構4，連接有電磁鐵6的離合機構2安裝在傳 動機構3上，電磁鐵6與箱體29內的蓄電池或高能效電池連接；工作時，離合機構2與傳動 機構3的輪系1連接端或直升旋翼機構4連接端配合連接。如圖3——圖6所示，離合機構2包括基體24、端蓋25、鎖定銷26、彈簧34、撥叉27 和拉杆28 ；如圖5所示，所述基體24是中間為大輪盤，兩側為小輪盤結構，且沿其軸線上開 有帶鍵槽23的軸孔，在基體24兩側沿小輪盤圓周上各均勻設有至少兩個安裝孔35，本例設 4個安裝孔35 ；如圖6所示，每個安裝孔35內均設有壓力彈簧34、鎖定銷26及與鎖定銷26 相配合的端蓋25，端蓋25將鎖定銷26限制在基體24的安裝孔35中；如圖4、圖5所示，撥 叉27為一端帶有U型開口的叉型結構，其叉型的一個端面為與基體24小輪盤相配合的弧 形結構；撥叉27 —端與通過直線軸承安裝在箱體29上的拉杆28連接，一端插接於基體24 大輪盤上，拉杆28可沿箱體29移動。如圖7所示，傳動機構3包括傳動軸36、第一傳動代替軸22、第二傳動代替軸18、 法蘭盤17、錐齒輪傳動系、直齒輪傳動系及輸出軸19，與直升旋翼機構4連接的輸出軸19 端安裝有直齒輪傳動系，錐齒輪傳動系的大錐齒輪16通過第一傳動代替軸22安裝在傳動 軸36上，與其嚙合的小錐齒輪21的固定軸安裝於小直齒輪20內孔中，法蘭盤17通過第二 傳動代替軸18安裝於傳動軸36的一端，第二傳動代替軸18與輪系1連接，傳動軸36另一 端通過聯軸器12與電機5連接，兩傳動代替軸均通過軸承安裝在傳動軸36上。如圖2——圖7所示，離合機構2安裝在兩個傳動代替軸之間的傳動軸36上，該段 傳動軸36上設有長鍵，與離合機構2基體24上軸孔的鍵槽23相配合。在錐齒輪傳動系的 大錐齒輪16和法蘭盤17的圓周上均開有與離合機構2兩側鎖定銷26相配合的圓孔，工作 過程中，通過鎖定銷26與傳動機構3中的大錐齒輪16或法蘭盤17連接。通過電磁鐵6控 制拉杆28的位置來控制離合機構2與傳動機構3之間的連接位置，從而控制傳動機構3是 與輪系1聯通還是與直升旋翼機構4聯通。如圖1、圖8所示，直升旋翼機構4安裝在箱體29頂端的上蓋30上，包括旋翼基座8、軸向鉸接接頭14、固定座31和4片螺旋槳7，旋翼基座8固定在箱體29上，在其頂端面 設有固定座31，沿固定座31圓周通過螺旋槳鉸接接頭均勻連接有螺旋槳7，在固定座31上 連接有與傳動機構3的輸出軸19配合連接的軸向鉸接接頭14，使輸出軸19帶動固定座31 轉動。所述的軸向鉸接接頭14為普通鉸接頭，能夠使螺旋槳7具有一定的偏轉角度。如圖 8所示，所述的螺旋槳鉸接接頭14包括垂直鉸接頭33和水平鉸接頭32，垂直鉸接頭33為 「十」字型結構，水平鉸接頭32截面為一端開有「U」型口的「Y」型結構，在U型開口的兩側 板上對稱開有與垂直鉸接頭33相連接配合的孔。動力通過傳動機構3傳遞到直升旋翼機 構4，使其螺旋槳葉7旋轉運 動，產生升力使本發明飛起到一定的高度。如圖9、圖10所示，所述的輪系1通過軸承、擋圈安裝在傳動機構3的第二傳動代 替軸18上。其包括輪轂11輪轂和6個漿葉-輥子組，每組的輥子9與漿葉10 —端通過固 定銷軸13連接在一起，且槳葉10另一端向心均勻分布在輪轂11圓周上，通過槳葉10上的 葉軸安裝在輪轂11的兩側板上，輥子9的軸線與漿葉10所在平面法向垂直，與輪轂11的 軸線間有一夾角，該夾角的大小根據電機輸出功率來調整，本例該夾角為45°，使本發明的 移動機構向前、後、左、右移動速度相等；所述輥子的軸線與輪轂軸線間的距離減去輪轂半 徑所得的差值大於10mm。本發明在地面、水面的運動主要依靠輪系1上輥子9和漿葉10來運動，通過控制 四個輪系1的運動方向和速度可以控制本發明的運動方向和速度。在地面運動是依靠控制 輥子9與地面產生的摩擦力的合力方向和大小使本發明向各個方向運動，在水面運動則是 通過控制漿葉10產生的水流反作用力的方向和大小來控制本發明在水面上向各個方向的 運動。本發明對應於每個電機5的動力傳遞路線有兩條一條是由電機5通過聯軸器12 輸出動力至傳動機構3，通過傳動軸36將動力輸出，通過離合機構2與法蘭盤17連接，將 動力傳遞到第二傳動代替軸18，第二傳動代替軸18帶動其上安裝的輪系1轉動，該動力傳 遞路線適於本發明在地面或水面上的運動狀況。另一條是由電機5通過聯軸器12輸出動 力至傳動機構3，傳動機構3的大錐齒輪16與小錐齒輪21配合傳動，改變電機5輸出運動 的方向，將運動從水平方向改變為垂直方向上，小錐齒輪21輸出的運功向上通過小直齒輪 20和大直齒輪15，將轉速改變後輸出到直升旋翼機構4中，從而使旋翼槳葉7旋轉提供本 發明所需的升力，該動力傳遞路線適用於本發明在天空中的運動狀況。上述兩條動力傳遞路線由離合機構2控制，具體為電磁鐵6復位時(不通電)，離 合機構2的鎖定銷26與法蘭盤17上的對應孔連接，與大錐齒輪16上的對應孔脫離，使電 機5輸出端與輪系1相連通，使本發明在地面或水中行駛。當電磁鐵6通電時，離合機構2 的鎖定銷26與法蘭盤17上的對應孔脫離，與大錐齒輪16上的對應孔連接，使電機輸出端 與直升旋翼機構4相連通，使本發明能夠在空中飛行。實施例2 本例結構與實施例1結構相同，不同的是所述的離合機構2基體24 兩側沿小輪盤圓周上各均勻設有2個內設有彈簧、鎖定銷及與鎖定銷相配合的端蓋安裝孔 35，與其對應連接的傳動機構3的法蘭盤17和大錐齒輪16上均設有4個孔。所述直升旋 翼機構4上的螺旋槳為4片。所述的輪系1的輪轂上設有8個漿葉-輥子組。實施例3 本例結構與實施例1結構相同，不同的是所述的離合機構2基體24 兩側沿小輪盤圓周上各均勻設有6個內設有彈簧、鎖定銷及與鎖定銷相配合的端蓋安裝孔
35，與其對應連接的傳動機構3的法蘭盤17和大錐齒輪16上均設有2個孔。所述直升旋 翼機構4上的螺旋槳為6片。所述的輪系1的輪轂上設有10個漿葉-輥子組。
權利要求
一種水陸空三棲全方位移動機構，包括箱體、四組輪系及相對於各輪系設置的驅動機構，其特徵在於所述的驅動機構包括置於箱體內的電機、傳動機構、離合機構和置於箱體頂端的直升旋翼機構，電機與傳動機構連接，傳動機構的輸出端分別連接輪系和直升旋翼機構，連接有電磁鐵的離合機構安裝在傳動機構上，電磁鐵上連接有電源；工作時，離合機構與傳動機構的輪系連接端或直升旋翼機構連接端配合連接。
2.按照權利要求1所述的水陸空三棲全方位移動機構，其特徵在於所述的離合機構 包括基體、端蓋、鎖定銷、彈簧、撥叉和拉杆，所述基體是中間為大輪盤，兩側為小輪盤結構， 且沿其軸線上開有帶鍵槽的軸孔，在基體兩側沿小輪盤圓周上各均勻設有至少兩個安裝 孔，每個安裝孔內均設有彈簧、鎖定銷及與鎖定銷相配合的端蓋，撥叉一端與安裝在箱體上 的拉杆連接，一端插接於基體大輪盤上。
3.按照權利要求1所述的水陸空三棲全方位移動機構，其特徵在於所述的撥叉為一 端帶有U型開口的叉型結構，其叉型的一個端面為與基體小輪盤相配合的弧形結構。
4.按照權利要求1所述的水陸空三棲全方位移動機構，其特徵在於所述的傳動機構 包括傳動軸、第一傳動代替軸、第二傳動代替軸、法蘭盤、錐齒輪傳動系、直齒輪傳動系及輸 出軸，與直升旋翼機構連接的輸出軸端安裝有直齒輪傳動系，大錐齒輪通過第一傳動代替 軸安裝在傳動軸上，與其嚙合的小錐齒輪的固定軸安裝於小直齒輪內孔中，法蘭盤通過第 二傳動代替軸安裝於傳動軸的一端，第二傳動代替軸與輪系連接，傳動軸另一端與電機連 接。
5.按照權利要求4所述的水陸空三棲全方位移動機構，其特徵在於在所述的法蘭盤 和大錐齒輪間的傳動軸上設有長鍵，與離合機構基體上軸孔的鍵槽相配合。
6.按照權利要求4所述的水陸空三棲全方位移動機構，其特徵在於所述錐齒輪傳動 系的大錐齒輪和法蘭盤的圓周上均開有與離合機構兩側鎖定銷相配合的圓孔。
7.按照權利要求1所述的水陸空三棲全方位移動機構，其特徵在於所述的直升旋翼 機構包括旋翼基座、軸向鉸接接頭、固定座和至少兩片螺旋槳，旋翼基座固定在箱體上，在 其頂端面設有固定座，沿固定座圓周通過螺旋槳鉸接接頭均勻連接有螺旋槳，在固定座上 連接有與傳動機構的輸出軸配合連接的軸向鉸接接頭。
8.按照權利要求7所述的水陸空三棲全方位移動機構，其特徵在於所述的螺旋槳鉸 接接頭包括垂直鉸接頭和水平鉸接頭，垂直鉸接頭為「十」字型結構，水平鉸接頭截面為一 端開有「U」型口的「Y」型結構，在U型開口的兩側板上對稱開有與垂直鉸接頭相連接配合 的孔。
9.按照權利要求1所述的水陸空三棲全方位移動機構，其特徵在於所述的輪系包括 輪轂和至少6個漿葉-輥子組，每組的輥子與漿葉一端通過固定銷軸連接在一起，且槳葉另 一端向心均勻分布在輪轂圓周上。
10.按照權利要求1所述的水陸空三棲全方位移動機構，其特徵在於所述輥子的軸線 與輪轂軸線間的距離減去輪轂半徑所得的差值大於10mm。
全文摘要
一種水陸空三棲全方位移動機構，屬於移動機器人工程技術領域。包括箱體、四組輪系及相對於各輪系設置的驅動機構，所述的驅動機構包括置於箱體內的電機、傳動機構、離合機構和置於箱體頂端的直升旋翼機構，電機與傳動機構連接，傳動機構的輸出端分別連接輪系和直升旋翼機構，連接有電磁鐵的離合機構安裝在傳動機構上，電磁鐵上連接有電源；工作時，離合機構與傳動機構的輪系連接端或直升旋翼機構連接端配合連接。本發明適應性強。在使用過程中根據本發明所在的不同環境對應選擇不同形式的動力輸出，這樣使機構能夠適應更廣泛的環境並在更大的範圍內使用。本發明可方便調節運動輸出由地面、水面轉換成天空，或者由天空轉換到地面、水面。
文檔編號B60F5/00GK101954844SQ20091001254
公開日2011年1月26日 申請日期2009年7月15日 優先權日2009年7月15日
發明者張國偉, 李志強, 李斌, 王聰, 龔海裡 申請人:中國科學院瀋陽自動化研究所