一種足軌式步行車的製作方法

2023-07-07 02:23:01 1

專利名稱：一種足軌式步行車的製作方法
技術領域：
本發明屬步行機器人領域，是一種適於在複雜地形條件下行進的行走裝置，尤其
是一種適於對外星球探測的行走裝置。
背景技術：
隨著人類活動空間的不斷擴展，人們迫切需求一種在複雜地形條件下，特別是在 外星球能行走自如的機械裝置，目前以輪式、履帶式(我們可把它列入有軌類，稱為履軌 式，因為它的履帶象自己攜帶的兩條軌道)、足式較為常見。但輪式越障能力差，特別是在 沙漠地帶，容易陷車(象美國的火星車——機遇號和勇氣號都曾有過陷入沙丘的歷險經 歷)，履帶式效率低，轉向不靈活，足式結構複雜，控制難度大，行走穩定性差。這迫使我 們去積極探尋其它更為科學的運動形式。有一種新穎的運動形式——足軌式(如申請號 CN89101463. 2，申請號CN200520114937. 8，申請號CN93120403. 8所述的機械，都是由多條 支撐腿支撐起一個軌道平面，利於機械平穩行走，因此可列入有軌類，稱為足軌式)與前三 種運動形式相比對複雜地形有更強的適應性。但這種運動形式的設計還很不完善，並且存 在著不少問題(1)無法連續運動，只能作間歇性移動——挪動，顯得笨拙，速度和效率都很 低。(2)轉向不靈活，有的甚至不是嚴格意義上的轉向。(3)車體的水平傾角在行進中不 能改變，這不利於在較大坡度的斜坡上行走。(4)支撐腿的伸縮比例有限，佔據空間過大。 (5)由於車體間大幅度相對移動，使得電力、控制線路布置困難，特別是在極端氣溫條件下， 線路的拖動，會影響其強度和壽命。由於這些問題的存在，這種運動形式還很難進入實用階 段。

發明內容
本發明解決的技術問題是針對目前各足軌式行走裝置存在的種種不足，設計一種 適於在複雜地形條件下能夠平穩、快速行走，轉向靈活、小巧高效的新型足軌式步行車。本 發明的技術解決方案是一種足軌式步行車，由主體、支承座(1)和支撐腿(3)以及驅動系 統和控制系統構成，其特徵在於該步行車有兩個支承座並按上下兩層布置，以迴轉機構連 接，每個支承座邊緣都固定有多個與前行方向平行的水平滑軌(4);支撐腿為一機械伸縮 機構，其頂端連接到滑軌(4)的滑架(5)上；水平驅動系統(7)是由直線傳動機構構成的， 其末端連接到滑軌的滑架上，在水平驅動系統的驅動下，支撐腿隨滑架在滑軌上前後滑動； 在伸縮驅動系統(6)的驅動下，支撐腿可伸展、收縮。其工作原理是步行車主體分別依靠 上、下兩支承座交替支撐和推動而前進，在水平驅動系統的驅動下，支撐腿在滑軌上前後滑 動，完成運步、邁步動作，在伸縮驅動系統的驅動下，支撐腿收縮、伸展完成抬、落腳動作。這 類似於四肢動物的爬行。其具體各項功能實現原理如下(l)前行在前行過程中，上下支承 座的各支撐腿在控制系統的控制下緊密配合，運步速度要快於邁步速度，以便做好輪流支 撐主體的銜接。具體地講執行運步動作的各支撐腿應以略高於邁步動作的各支撐腿的速 度向前運動，在到達軌道最前端後便迅速以與邁步速度同樣快的速度向後滑動(只有速度相同，各支撐腳相對於地面的水平運動速度為零，落地時對地面的衝擊最小)，同時執行落 腳動作，等各支撐腳全部落地後，在行進中支撐任務開始交接。執行完邁步任務的各支撐 腿(此時應接近軌道的盡頭)立刻執行抬腳動作，等完全抬起後，再執行運步動作。就這樣 上、下兩支承座的各支撐腿緊密配合不斷重複執行抬腳——運步——落腳——邁步——抬 腳……推動主體連續前進。就像行駛在路軌上一樣，阻力特別小。(2)轉向在迴轉機構的驅 動下，上下支承座相對發生一定角度旋轉從而實現轉向；當步行車停止前行，在迴轉機構的 驅動下，僅靠抬、落腳動作的配合，可輕鬆完成原地轉向。(3)上、下坡在機械前進過程中，如 果遇到上坡路，在伸縮驅動系統的驅動下，使各著地支撐腿逐漸伸長來抬升機械主體離地 面高度，從而達到平穩爬坡；反之，如果遇到下坡路，則使著地的各支撐腿逐漸縮短來降低 主體離地面的高度，從而達到平穩下坡。另外，如果上、下坡的坡度較大或較長，也可以通過 控制機械主體的水平傾角來實現上下坡，其方法是上坡時伸長著地的前支撐腿的長度，同 時降低著地的後支撐腿的高度，從而增大主體的水平仰角；而下坡時則反之，以增加主體的 水平俯角。 本發明的優點是本步行車對複雜地形有較強的適應能力，即使在高低不平的山 地、鬆軟的沙漠地帶行進，如同在路軌上一樣平穩行進，大大提高了效率。另外，它轉向靈 活、跨越障礙能力強。


圖1是足軌式步行車的立體結構示意圖
圖2是足軌式步行車的俯視圖
圖3是支撐腿的放大圖 其中l-支承座，2-轉盤軸承，3-支撐腿，4-滑軌，5-滑架，6-伸縮驅 動系統，7-水平驅動系統，8-直線電機，9-蝸輪，10-筒狀蝸杆，11-磁電扭矩傳感 器，12、13-電機，14-套筒，15-橫杆，16-凹槽狀足，17-對輪組
具體實施例方式
下面結合附圖敘述本發明的一個實施例。本發明所屬的一種足軌式步行車，其回 轉機構由電機(13)、減速器、轉盤軸承(2)以及測量迴轉角度的電位計構成。該步行車的兩 支承座均呈"人"字形，且對稱設置，呈"*"形，相對應地每個支承座均固定有三組滑軌。滑 軌由滾動直線導套副構成，與滑架一起構成"H"形滑動機構。支撐腿有一組套筒(14)和兩 個"E "形"槓桿齒輪"組件構成，兩個"E "形組件前後對稱地依輔在套筒組兩側，"E "形組 件拐點為兩個相互嚙合且其轉軸用連接片連接在一起的齒輪——對輪組(17) ，"E"形組件 中間對輪組的連接片固定到相對應的套筒上，"E "形組件首端是一齒輪，以滑架上的橫杆 為軸連接到滑架上，"E"形組件末端通過一轉軸連接到固定於套筒的一橫杆(15)上，套筒 組開口向上豎直地固定在滑架上，其最下面一個套筒連接一球狀形突起，相對應地， 一球形 凹槽狀足(16)與其相連接。"E"形組件首端齒輪是一蝸輪(9)，與此相對應伸縮驅動系統 是由電機(12)、磁電扭矩傳感器(ll)[注圖中只畫出了磁電扭矩傳感器的扭矩軟軸和齒 輪]和滾動花鍵副構成，其中花鍵套被製成兩個徑向對稱且分別與兩蝸輪(9)相嚙合的筒 狀蝸杆(10)。通過磁電扭矩傳感器可測量出傳動軸的扭矩大小，支撐腿在落腳時，當所測的扭矩值大於一定數值時，即可確認支撐腿已經觸地。另外，通過磁電扭矩傳感器可檢測出轉 軸轉動的圈數，並由此計算出支撐腿伸縮的長度，從而可控制支撐腿抬高的高度以及防止 支撐腿伸縮長度超過限值。利用蝸輪蝸杆傳動的單向傳遞性，可使支撐腿著地後自動鎖定 位置。卡在花鍵套(筒狀蝸杆)兩側的一對撥叉(固定在滑架上，圖中未畫出)隨滑架的 前後滑動，帶動筒狀蝸杆在花鍵軸上前後滑動。電機(12)採用開關磁阻電機，固定在支承 座上。水平驅動系統是由直線電機(8)構成的，直線電機固定於支承座上。支撐腿的運步、 邁步速度及所處位置可由直線電機的轉子位置反饋信號來確定，或者在滑軌的前後兩端設 置行程開關來判斷。直線電機的特點是結構簡單、傳動效率高，可在惡劣氣候條件下使用， 但其力矩較小，在需較大力矩情況下，水平驅動系統可由齒條、電機所構成的直線傳動機構 構成。
權利要求
一種足軌式步行車，由主體、支承座(1)和支撐腿(3)以及驅動系統和控制系統構成，其特徵在於該步行車有兩個支承座並按上下兩層布置，以迴轉機構連接，每個支承座邊緣都固定有多個與前行方向平行的水平滑軌(4)；支撐腿為一機械伸縮機構，其頂端連接到滑軌(4)的滑架(5)上；水平驅動系統(7)是由直線傳動機構構成的，其末端連接到滑軌的滑架上，在水平驅動系統的驅動下，支撐腿隨滑架在滑軌上前後滑動；在伸縮驅動系統(6)的驅動下，支撐腿可伸展、收縮。
2. 如權利要求l所述的一種足軌式步行車，其特徵是該迴轉機構由電機(13)、減速器、 轉盤軸承(2)以及測量迴轉角度的電位計構成。
3. 如權利要求1所述的一種足軌式步行車，其特徵是兩支承座均呈"人"字形，且對稱 設置，呈"* "形，相對應地每個支承座均固定有三組滑軌。
4. 如權利要求3所述的一種足軌式步行車，其特徵是滑軌由滾動直線導套副構成，與 滑架一起構成"H"形滑動機構。
5. 如權利要求4所述的一種足軌式步行車，其特徵是支撐腿有一組套筒(14)和兩個 "E "形"槓桿_齒輪"組件構成，兩個"E "形組件前後對稱地依輔在套筒組兩側，"E "形組 件拐點為兩個相互嚙合且其轉軸用連接片連接在一起的齒輪_對輪組(17) ，" E "形組件中 間對輪組的連接片固定到相對應的套筒上，"E "形組件首端是一齒輪，以滑架上的的橫杆 為軸連接到滑架上，"E"形組件末端通過一轉軸連接到固定於套筒的一橫杆(15)上，套筒 組開口向上豎直地固定在滑架上，其最下面一個套筒連接一球狀形突起，相對應地， 一球形 凹槽狀足(16)與其相連接。
6. 如權利要求5所述的一種足軌式步行車，其特徵是"E "形組件首端齒輪是一蝸輪 (9)，與此相對應伸縮驅動系統是由電機(12)、磁電扭矩傳感器(11)和滾動花鍵副構成，其 中花鍵套被製成兩個徑向對稱且分別與兩蝸輪(9)相嚙合的筒狀蝸杆(10)。
7. 如權利要求1或6所述的一種足軌式步行車，其特徵是水平驅動系統是由直線電機 (8)構成的。
8. 如權利要求1或6所述的一種足軌式步行車，其特徵是水平驅動系統是由齒條、電機 所構成的直線傳動機構構成的。
全文摘要
一種足軌式步行車屬步行機器人領域。它利用兩個支承座(1)交替支撐主體前進，兩個支承座按上下兩層布置，以轉盤軸承(2)連接，可實現靈活轉向，每個支承座分別由三個可自由伸縮的支撐腿(3)支撐，每個支撐腿連接到支承座上的水平滑軌(4)上，支撐腿伸縮完成落腳、抬腳動作，支撐腿相對於滑軌前後滑動，完成運步、邁步動作。在邁步過程中，通過支撐腿的伸縮可抬高、降低主體的高度或改變主體的水平傾角，完成上、下坡或平穩跨越障礙。本發明特別適合於在崎嶇不平的山路、沙漠或者說在外星球上實現平穩行走。
文檔編號B62D57/032GK101712340SQ20091031174
公開日2010年5月26日 申請日期2009年12月17日 優先權日2009年12月17日
發明者賈相徵 申請人:賈相徵