基于偏心槳機構的水陸兩棲車輪機構的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于偏心槳機構的水陸兩棲車輪機構。目前單一移動載體的結構特征制約了機器人在復雜地形的應用。本實用新型中支撐架的兩端均固定有一塊定位塊；槳葉位置調節減速盤通過定位塊與輪殼配合連接；槳葉位置調節齒輪通過中間傳動齒輪與槳葉位置調節減速盤內壁的輪齒嚙合，從動錐齒輪固定在槳葉位置調節絲杠上，且與主動錐齒輪嚙合；槳葉位置調節絲杠的兩端均與支撐架軸承連接；車輪驅動齒輪與車輪減速盤內壁的輪齒嚙合；鉸塊與輪殼軸承連接，車輪減速盤與輪殼固定；槳葉中心軸與絲杠螺母固定，每片槳葉的一端分別與槳葉中心軸鉸接，另一端分別伸入對應鉸塊的滑槽中。本實用新型可提高輪式移動機器人的越障能力與地形適應性。
【專利說明】基于偏心槳機構的水陸兩棲車輪機構
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于機器人【技術領域】，涉及機器人移動機構，具體涉及一種基于偏心槳機構的水陸兩棲車輪機構。
【背景技術】
[0002]目前陸地移動機器人的移動方式多是輪式滾動或腿式行走，但這兩種移動方式在水中和灘涂地形中的運動能力有限。水下機器人則主要依靠螺旋槳驅動，在淺水和深水區域具有很好的作業能力，而在極淺水、隨浪帶和海灘區域作業能力較弱，且無法在陸地上為機器人提供行進動力。因此，目前單一移動載體的結構特征嚴重制約了機器人在復雜地形的應用。為保證移動機器人既能適應陸地和近岸灘涂的多變地形，又能適應復雜的水環境，有必要提出一種可根據具體作業環境，改變移動構件構形和機器人運動方式的移動載體。

【發明內容】

[0003]本實用新型的目的是針對現有技術的不足，提供一種基于偏心槳機構的水陸兩棲車輪機構，該機構可提高輪式移動機器人的越障能力與地形適應性，進而提高其移動效率。
[0004]本實用新型包括驅動部件、傳動部件和輪槳部件。
[0005]所述的驅動部件包括車輪驅動電機、槳葉驅動電機、槳葉位置調節電機和電機座；所述的電機座固定在機器人車體上，車輪驅動電機、槳葉驅動電機和槳葉位置調節電機均固定在電機座上。
[0006]所述的傳動部件包括槳葉位置調節齒輪、車輪減速盤、槳葉位置調節減速盤、支撐架連接軸、導桿、槳葉位置調節絲杠、絲杠螺母、從動錐齒輪、支撐架和車輪驅動齒輪。車輪驅動電機帶動車輪的驅動齒輪轉動，槳葉位置調節電機帶動槳葉位置調節齒輪轉動；槳葉驅動電機通過支撐架連接軸帶動支撐架轉動，支撐架的兩端分別固定設置有一塊定位塊；槳葉位置調節減速盤設置在兩塊定位塊之間，且與每塊定位塊的內側壁間隙配合連接；所述的槳葉位置調節減速盤整體呈圓筒形，內壁設有輪齒，靠近支撐架的端面設有主動錐齒輪；所述的槳葉位置調節齒輪通過中間傳動齒輪與槳葉位置調節減速盤內壁的輪齒嚙合，所述的從動錐齒輪固定在槳葉位置調節絲杠上，且與槳葉位置調節減速盤端面的主動錐齒輪嚙合；槳葉位置調節絲杠的兩端均與支撐架軸承連接；所述的導桿固定在支撐架上；絲杠螺母套置在導桿和槳葉位置調節絲杠上，且與導桿滑動連接，與槳葉位置調節絲杠螺紋連接；所述的車輪減速盤整體呈圓筒形，內壁設有輪齒，車輪驅動齒輪與車輪減速盤內壁的輪齒嚙合。
[0007]所述的輪槳部件包括鉸塊、槳葉中心軸、槳葉和輪殼；所述的輪殼沿周向均布開設有多個槽口，每個槽口的垂直輪殼軸向的兩側壁分別與對應鉸塊的一端軸承連接；車輪減速盤固定在輪殼的內壁上，固定在支撐架上的兩塊定位塊的外側壁均與輪殼間隙配合連接；所述的槳葉中心軸與絲杠螺母固定，多片槳葉沿槳葉中心軸的周向均布，槳葉的數量與輪殼的槽口數量相等；每片槳葉的一端分別與槳葉中心軸鉸接，另一端分別伸入對應鉸塊的滑槽中。
[0008]所述槳葉驅動電機的輸出軸沿電機座的軸向設置，車輪驅動電機和槳葉位置調節電機的輸出軸沿電機座的徑向設置；所述的車輪驅動電機通過一對錐齒輪將動力傳遞給車輪驅動齒輪，槳葉位置調節電機通過一對錐齒輪將動力傳遞給槳葉位置調節齒輪；所述槳葉驅動電機的輸出軸與支撐架連接軸的一端固接，支撐架連接軸的另一端固定在支撐架的中心處。
[0009]所述的輪殼整體呈圓筒形，包括兩個固定連接的半圓筒部分。
[0010]本實用新型的有益效果:
[0011]1、本實用新型可以進行類輪式滾動，提高移動機器人在平坦路面上的行駛效率；通過類腿式行走模式，提高移動機器人在崎嶇陸地地形情況下的越障能力；通過輪腿綜合式移動模式，增加車輪與地面的附著力，實現移動機器人在灘涂、沼澤等松軟路面條件下的快速行進；在槳擺動和槳轉動運動模式下，可分別實現移動機器人在淺水區和深水區的高速航行；通過類輪式滾動、類腿式行走、輪腿綜合式移動、槳轉動式、槳擺動式等復合運動的傳遞與轉化，有效提升了機器人在兩棲地形中的適應性以及運動性能。
[0012]2、本實用新型運動靈巧、速度快、穩定性好、節能實用；偏心槳機構充分利用車輪內部空間，機構緊湊，重量輕。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本實用新型的整體結構立體圖；
[0014]圖2為本實用新型中各零部件的結構立體圖；
[0015]圖3為本實用新型實現類輪式滾動步態的機構原理示意圖；
[0016]圖4-1為本實用新型實現類腿式行走運動步態越過障礙前的機構原理示意圖；
[0017]圖4-2為本實用新型實現類腿式行走運動步態越過障礙過程中的機構原理示意圖；
[0018]圖4-3為本實用新型實現類腿式行走運動步態時越過障礙后的機構原理示意圖；
[0019]圖5為本實用新型實現輪腿綜合式運動步態的機構原理示意圖；
[0020]圖6為本實用新型實現深水區域轉動式槳運動步態的機構原理示意圖；
[0021]圖7為本實用新型實現淺水區域轉動式槳運動步態的機構原理示意圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖及實施例對本實用新型作進一步說明。
[0023]如圖1和2所示，基于偏心槳機構的水陸兩棲車輪機構包括驅動部件、傳動部件和輪槳部件。
[0024]驅動部件包括車輪驅動電機1、槳葉驅動電機2、槳葉位置調節電機3和電機座4 ；電機座4固定在機器人車體上，車輪驅動電機1、槳葉驅動電機2和槳葉位置調節電機3均固定在電機座4上，且槳葉驅動電機2的輸出軸沿電機座4的軸向設置，車輪驅動電機I和槳葉位置調節電機3的輸出軸沿電機座4的徑向設置。
[0025]傳動部件包括槳葉位置調節齒輪5、車輪減速盤7、槳葉位置調節減速盤8、支撐架連接軸9、導桿10、槳葉位置調節絲杠11、絲杠螺母12、從動錐齒輪15、支撐架16和車輪驅動齒輪19 ;車輪驅動電機I通過一對錐齒輪將動力傳遞給車輪驅動齒輪19，槳葉位置調節電機3通過一對錐齒輪將動力傳遞給槳葉位置調節齒輪5 ;槳葉驅動電機2的輸出軸與支撐架連接軸9的一端固接，支撐架連接軸9的另一端固定在支撐架16的中心處，支撐架16的兩端分別固定設置有一塊定位塊17 ;槳葉位置調節減速盤8設置在兩塊定位塊17之間，且與每塊定位塊17的內側壁間隙配合連接；槳葉位置調節減速盤8整體呈圓筒形，內壁設有輪齒，靠近支撐架16的端面設有主動錐齒輪；槳葉位置調節齒輪5通過中間傳動齒輪20與槳葉位置調節減速盤8內壁的輪齒嚙合，從動錐齒輪15固定在槳葉位置調節絲杠11上，且與槳葉位置調節減速盤8端面的主動錐齒輪嚙合；槳葉位置調節絲杠11的兩端均與支撐架16軸承連接；導桿10固定在支撐架16上；絲杠螺母12套置在導桿10和槳葉位置調節絲杠11上，且與導桿10滑動連接，與槳葉位置調節絲杠11螺紋連接；車輪減速盤7整體呈圓筒形，內壁設有輪齒，車輪驅動齒輪19與車輪減速盤7內壁的輪齒嚙合。
[0026]輪槳部件包括鉸塊6、槳葉中心軸13、槳葉14和輪殼18 ;輪殼18整體呈圓筒形，包括兩個固定連接的半圓筒部分；輪殼18沿周向均布開設有四個槽口，每個槽口的垂直輪殼18軸向的兩側壁分別與對應鉸塊6的一端軸承連接；車輪減速盤7固定在輪殼18的內壁上，固定在支撐架16上的兩塊定位塊17的外側壁均與輪殼18間隙配合連接。槳葉中心軸13與絲杠螺母12固定，四片槳葉14沿槳葉中心軸13的周向均布，每片槳葉14的一端分別與槳葉中心軸13鉸接，另一端分別伸入對應鉸塊6的滑槽中。
[0027]該基于偏心槳機構的水陸兩棲車輪機構可實現三個獨立運動:輪殼轉動、槳葉中心軸轉動和槳葉中心軸徑向移動。車輪驅動電機I驅動車輪的驅動齒輪19轉動，進而帶動車輪減速盤7和輪殼18轉動，從而實現了輪殼18的轉動。槳葉驅動電機2帶動支撐架連接軸9轉動，由于支撐架連接軸9與支撐架16固定、槳葉中心軸13與絲杠螺母12固定，使得支撐架連接軸9帶動槳葉中心軸13轉動，同時在輪殼18的轉動驅動下共同實現槳葉14的轉動。槳葉位置調節電機3驅動槳葉位置調節齒輪5轉動，從而帶動槳葉位置調節減速盤8轉動，從動錐齒輪15與槳葉位置調節減速盤8端面的主動錐齒輪嚙合，帶動與從動錐齒輪15固連的槳葉位置調節絲杠11轉動，從而帶動絲杠螺母12沿導桿10移動，實現槳葉中心軸13沿輪殼18的徑向運動。
[0028]通過上述三個獨立運動相互配合，可將槳葉中心軸13調整到輪殼18徑向平面內的任意一點，構成不同的運動模式，以適應具體的地形條件需求。
[0029]該基于偏心槳機構的水陸兩棲車輪機構主要可以實現如下5個運動步態:
[0030]1、類輪式滾動步態運動原理圖如圖3所示。在這個步態中，將槳葉中心軸13調整至槳葉位置調節絲杠11上極限位置，整個車輪機構的運動方式僅為車輪驅動電機I驅動輪殼18轉動，此時槳葉14在運動到輪殼18下端時正好收入輪殼18內部，不與地面產生相互干涉。該步態適用于移動機器人在平坦路面情況下運行，可以保證較高的機械效率、較好的運行平穩性和較快的行進速度。但這種步態越障能力較差，不能適用于崎嶇地形下機器人的行駛。
[0031]2、類腿式行走步態運動原理圖如圖4_1、圖4_2和圖4_3所不。針對機器人輪式滾動步態越障能力不足的問題，該水陸兩棲車輪機構可通過類腿式行走步態，提高移動機器人在崎嶇陸地地形情況下的越障能力。類腿式行走步態實現過程如下:如圖4-1所示，將槳葉中心軸13調整至槳葉位置調節絲杠11下極限位置，隨后槳葉位置調節絲杠11轉動帶動槳葉中心軸13向上運動，同時輪殼18逆時針轉動，運動到圖4-2所示狀態；隨后槳葉位置調節絲杠11轉動帶動槳葉中心軸13向下運動，同時輪殼18繼續逆時針轉動，運動到圖4-3所示狀態；再通過輪殼18順時針轉動使該水陸兩棲車輪機構回復到圖4-1的初始狀態，移動機器人的各個水陸兩棲車輪機構交替往復以上過程，實現了運動機器人的腿式行走步態。
[0032]3、輪腿綜合移動運動原理如圖5所示。當移動機器人在沼澤、灘涂等松軟地形條件下行駛時，純粹的輪式滾動步態會出現打滑現象，而腿式行走槳葉會出現沉陷現象，因此提出輪腿綜合移動步態。槳葉中心軸13運動到輪殼18中心偏上位置，整個車輪機構的運動方式僅為車輪驅動電機I驅動輪殼18轉動，此時槳葉14在運動到輪殼18下端時有一部分還處在輪殼18外部，可以深入泥土中避免出現打滑現象，同時輪殼18也與地面接觸避免了沉陷現象出現。
[0033]4、深水區域轉動式槳運動步態原理如圖6所示。這個步態中，將槳葉中心軸13與輪殼18旋轉中心偏移一個距離，當輪殼18旋轉時，迫使槳葉14轉動推動水產生推力，實現機器人在深水區域的高速航行。
[0034]5、淺水區域轉動式槳運動步態原理如圖7所示。這個步態中，將槳葉中心軸13與輪殼18旋轉中心偏移一個距離，輪殼18被驅動繞雙向箭頭所示方向交替往復旋轉，迫使槳葉14擺動推動水產生推力，實現機器人在淺水區域的航行。
【權利要求】
1.基于偏心槳機構的水陸兩棲車輪機構，包括驅動部件、傳動部件和輪槳部件，其特征在于: 所述的驅動部件包括車輪驅動電機、槳葉驅動電機、槳葉位置調節電機和電機座；所述的電機座固定在機器人車體上，車輪驅動電機、槳葉驅動電機和槳葉位置調節電機均固定在電機座上； 所述的傳動部件包括槳葉位置調節齒輪、車輪減速盤、槳葉位置調節減速盤、支撐架連接軸、導桿、槳葉位置調節絲杠、絲杠螺母、從動錐齒輪、支撐架和車輪驅動齒輪；車輪驅動電機帶動車輪的驅動齒輪轉動，槳葉位置調節電機帶動槳葉位置調節齒輪轉動；槳葉驅動電機通過支撐架連接軸帶動支撐架轉動，支撐架的兩端分別固定設置有一塊定位塊；槳葉位置調節減速盤設置在兩塊定位塊之間，且與每塊定位塊的內側壁間隙配合連接；所述的槳葉位置調節減速盤整體呈圓筒形，內壁設有輪齒，靠近支撐架的端面設有主動錐齒輪；所述的槳葉位置調節齒輪通過中間傳動齒輪與槳葉位置調節減速盤內壁的輪齒嚙合，所述的從動錐齒輪固定在槳葉位置調節絲杠上，且與槳葉位置調節減速盤端面的主動錐齒輪嚙合；槳葉位置調節絲杠的兩端均與支撐架軸承連接；所述的導桿固定在支撐架上；絲杠螺母套置在導桿和槳葉位置調節絲杠上，且與導桿滑動連接，與槳葉位置調節絲杠螺紋連接；所述的車輪減速盤整體呈圓筒形，內壁設有輪齒，車輪驅動齒輪與車輪減速盤內壁的輪齒嚙合； 所述的輪槳部件包括鉸塊、槳葉中心軸、槳葉和輪殼；所述的輪殼沿周向均布開設有多個槽口，每個槽口的垂直輪殼軸向的兩側壁分別與對應鉸塊的一端軸承連接；車輪減速盤固定在輪殼的內壁上，固定在支撐架上的兩塊定位塊的外側壁均與輪殼間隙配合連接；所述的槳葉中心軸與絲杠螺母固定，多片槳葉沿槳葉中心軸的周向均布，槳葉的數量與輪殼的槽口數量相等；每片槳葉的一端分別與槳葉中心軸鉸接，另一端分別伸入對應鉸塊的滑槽中。
2.根據權利要求1所述的基于偏心槳機構的水陸兩棲車輪機構，其特征在于:所述槳葉驅動電機的輸出軸沿電機座的軸向設置，車輪驅動電機和槳葉位置調節電機的輸出軸沿電機座的徑向設置；所述的車輪驅動電機通過一對錐齒輪將動力傳遞給車輪驅動齒輪，槳葉位置調節電機通過一對錐齒輪將動力傳遞給槳葉位置調節齒輪；所述槳葉驅動電機的輸出軸與支撐架連接軸的一端固接，支撐架連接軸的另一端固定在支撐架的中心處。
3.根據權利要求1所述的基于偏心槳機構的水陸兩棲車輪機構，其特征在于:所述的輪殼整體呈圓筒形，包括兩個固定連接的半圓筒部分。
【文檔編號】B63H1/10GK203543557SQ201320735052
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年11月19日 優先權日:2013年11月19日
【發明者】胡明, 撖亞頔, 陳文華, 周迅, 周健, 李文娟, 錢萍, 馮軍, 章斌 申請人:浙江理工大學