專利名稱：被動式雙曲柄越障機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及用于機(jī)器人等類似結(jié)構(gòu)中的越障機(jī)構(gòu)，尤其是變形機(jī)器人(包括多足機(jī)器人和輪式、履帶式機(jī)器人等)結(jié)構(gòu)中使用的運(yùn)動構(gòu)件。
背景技術(shù)：
由于機(jī)器人在許多行業(yè)或環(huán)境中可以代替人們的工作，以減少人類所承擔(dān)的繁重勞動或直接面對危險的機(jī)會，因此機(jī)器人技術(shù)已得到了大力發(fā)展。近年來，隨著研究工作的深入，機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷拓展，例如星球探測、爆炸物排查、礦山開采等，使得越障機(jī)器人的研究越來越得到重視。研究越障機(jī)器人的一個重要目標(biāo)就是提高機(jī)器人的變形能力，使其能夠在充滿障礙物的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中攀越移動。目前文獻(xiàn)中已有報道的越障機(jī)器人(參見CN1338357A、CN1397409A、CN1410230A)要么越障能力不強(qiáng)，要么結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，缺乏一種結(jié)構(gòu)簡單并且具備較強(qiáng)越障能力的機(jī)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種被動式雙曲柄越障機(jī)構(gòu)，利用簡單的機(jī)構(gòu)來達(dá)到提高機(jī)器人越障性能的目的，從而增強(qiáng)機(jī)器人適應(yīng)野外環(huán)境的能力。
本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的整個機(jī)構(gòu)由曲柄組件和彈簧組件組成，曲柄組件包括連桿、曲柄和支撐架，彈簧組件為彈簧固定架、彈簧調(diào)節(jié)架、彈簧伸縮軸和螺旋彈簧；所述支撐架固接在機(jī)器人本體上，隨機(jī)器人本體一同運(yùn)動；所述曲柄包括上曲柄、下曲柄，曲柄一端通過連接件分別與支撐架兩端連接、另一端通過連接件分別與連桿上端及其桿中接點(diǎn)相連接；所述連桿下端通過連接件與運(yùn)動輪輪軸相連接；所述彈簧的兩端通過連接件分別與上、下曲柄的桿中接點(diǎn)相連接。
在上述結(jié)構(gòu)中，各部件的長度滿足以下關(guān)系上、下曲柄長度均大于支撐架兩連接點(diǎn)間長度的2倍，下曲柄長度大于上曲柄長度，連桿上段長度大于支撐架兩連接點(diǎn)間長度，連桿的桿中接點(diǎn)到輪軸的距離大于連桿上段長度，并且大于運(yùn)動輪直徑；彈簧與上曲柄連接點(diǎn)至上曲柄與支撐架連接點(diǎn)之間的長度大于上曲柄長度的1/2，而彈簧與下曲柄連接點(diǎn)至下曲柄與支撐架連接點(diǎn)之間的長度大于下曲柄長度的3/5。
在上述結(jié)構(gòu)中，所述彈簧組件由彈簧固定架、彈簧調(diào)節(jié)架、彈簧伸縮軸和螺旋彈簧組成，其中彈簧調(diào)節(jié)架采用螺旋結(jié)構(gòu)安裝在彈簧伸縮軸的一端、彈簧固定架采用滑動結(jié)構(gòu)安裝在彈簧伸縮軸的另一端，螺旋彈簧套裝在彈簧伸縮軸外、其兩端分別安裝在彈簧調(diào)節(jié)架及彈簧固定架上，彈簧固定架連接在一曲柄的桿中接點(diǎn)上，彈簧調(diào)節(jié)架所在的彈簧伸縮軸的端部連接在另一曲柄的桿中接點(diǎn)上。
在上述結(jié)構(gòu)中，所述連桿下端通過轉(zhuǎn)向組件及連接件與運(yùn)動輪輪軸相連接。
本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計巧妙，在機(jī)器人被動越障過程中，曲柄組件可以給運(yùn)動輪提供垂直方向上較大的運(yùn)動范圍，同時彈簧組件具有保持驅(qū)動力和蓄能減震的作用。極大程度上提高了機(jī)器人的越障性能和穩(wěn)定性，從而使機(jī)器人能夠更好地適應(yīng)各種復(fù)雜的地面環(huán)境。本結(jié)構(gòu)在垂直方向上的越障高度至少可以達(dá)到運(yùn)動輪直徑的1.5倍。


附圖1為雙曲柄越障機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2為雙曲柄越障機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中某一瞬時回轉(zhuǎn)中心的示意圖；附圖3為雙曲柄越障機(jī)構(gòu)的各部件關(guān)系圖(左圖)以及力學(xué)模型示意圖(右圖)；附圖4為雙曲柄越障機(jī)構(gòu)的越障效果示意圖；(a)為初始狀態(tài)，(b)為越障最高點(diǎn)，(c)為越障最低點(diǎn)；附圖5為雙曲柄越障機(jī)構(gòu)中可調(diào)預(yù)緊力的彈簧組件的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合實(shí)例對本實(shí)用新型作詳細(xì)描述參考附圖1，本實(shí)用新型是由連桿1、上曲柄4、下曲柄2、支撐架5和彈簧組件3構(gòu)成。上曲柄4和下曲柄2的兩端分別通過連接件與連桿1和支撐架5相連接，彈簧組件3的兩端分別通過連接件與上曲柄4和下曲柄2相連接。當(dāng)運(yùn)動輪處于水平運(yùn)動的初始位置時，支撐架處于垂直位置。連桿、曲柄和支撐架之間的連接應(yīng)為鉸接方式，所述鉸接是指連桿、曲柄和支撐架均可沿著鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動，使曲柄組件在其所構(gòu)成的豎直方向的四邊形平面上轉(zhuǎn)動，從而帶動運(yùn)動輪使其在該平面上位移自如。這將大大有利于提高機(jī)器人的越障能力。彈簧與上下曲柄之間的連接也為鉸接方式。
如附圖2、3所示，將本機(jī)構(gòu)與運(yùn)動輪作為一個整體進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在攀越障礙過程中，系統(tǒng)的瞬時回轉(zhuǎn)中心始終位于輪軸線下方，當(dāng)遇到障礙時，障礙對運(yùn)動輪所產(chǎn)生的外力使運(yùn)動輪自動產(chǎn)生向上的運(yùn)動分力Npy，從而形成有效的被動越障功能(即運(yùn)動輪的越障動作不需要人為地進(jìn)行主動控制，而是在遇到障礙時自動形成)。
由圖3可知，曲柄組件是不規(guī)則的四邊形機(jī)構(gòu)，因此組成四邊形的各部件的長度決定了四邊形機(jī)構(gòu)的變形程度，由幾何分析可得以下參數(shù)
α(A)=π2-A+φ]]>α(A)2＝b2+c2-2×b×c×cosαδ(A)=arccosa2+d2-e22×a×d]]>β(A)=arccosc2+a2-b22×c×a]]>ψ(A)＝δ+βξ(A)＝ψ-A其中，b為支撐架5上連接上曲柄4和下曲柄2的兩連接點(diǎn)之間的長度，c為下曲柄2的長度、即下曲柄2上兩連接點(diǎn)之間的距離，e為上曲柄4的長度、即上曲柄4上兩連接點(diǎn)之間的距離，d為連桿1上連接上曲柄4和下曲柄2的兩連接點(diǎn)之間的距離、即連桿1上端接點(diǎn)至桿中接點(diǎn)的長度、亦即連桿1的上段長度，h為連桿1上連接下曲柄2和運(yùn)動輪輪軸的兩連接點(diǎn)之間的距離、即連桿1下端接點(diǎn)至桿中接點(diǎn)的長度、亦即連桿1的下段長度。
運(yùn)動輪輪軸中心(即圖3中P點(diǎn))相對地面的運(yùn)動軌跡為H(A)=c×cos(A)+h×cos[ζ(A)]H0+c×sin(A)-h×sin[ζ(A)]]]>其中，H0為雙曲柄機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)器人本體上的高度(即圖中下曲柄2與支撐架5的連接點(diǎn)的離地高度)。該高度應(yīng)大于所需要達(dá)到的最大越障高度。A為下曲柄與水平線的夾角(即圖3中的A角)。
由上式可知，越障過程中運(yùn)動輪輪軸中心垂直方向所能夠達(dá)到的最大值H(A)max應(yīng)大于機(jī)器人的最大越障高度。當(dāng)雙曲柄機(jī)構(gòu)中各部件的長度(即圖3中的b，c，d，e，h)發(fā)生變化時，H(A)max會發(fā)生相應(yīng)的改變。在優(yōu)化設(shè)計過程中得知，當(dāng)各部件的長度滿足以下關(guān)系c＞2b，e＞2b，c＞e，d＞b，h＞d并且h大于運(yùn)動輪直徑時，便可得到比較理想的最大越障高度。圖4顯示了雙曲柄機(jī)構(gòu)的越障效果，在垂直方向上的越障高度至少可以達(dá)到運(yùn)動輪直徑的1.5倍。
連桿下端可直接與運(yùn)動輪輪軸相連接，還可以在連桿下端設(shè)置可沿水平面轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)向組件10，例如圖1、2中所示，轉(zhuǎn)向組件的平桿與連桿固接、轉(zhuǎn)向組件的直桿與輪軸固接、并且平桿與直桿之間相鉸接，使運(yùn)動輪可以在地面上任意轉(zhuǎn)向。當(dāng)設(shè)置轉(zhuǎn)向組件時，應(yīng)保證運(yùn)動輪的輪軸至連桿與下曲柄連接點(diǎn)之間的長度仍然為h，輪軸可位于連桿的延長線上，也可位于連桿延長線的垂線上(垂足至連桿與下曲柄連接點(diǎn)之間的長度為h)。
在雙曲柄機(jī)構(gòu)中安裝彈簧，可以在不規(guī)則四邊形的運(yùn)動過程中使彈簧處于壓縮狀態(tài)(上、下曲柄之間隨著四邊形的上下位移而出現(xiàn)相對運(yùn)動)，這樣機(jī)器人在越障過程中，由于彈簧的作用，連桿下端就會產(chǎn)生向下的分力，使運(yùn)動輪緊緊貼在接觸面上，從而增大摩擦，保持驅(qū)動力，有利于提高機(jī)器人的越障性能。此外，當(dāng)機(jī)器人從高處摔落的時候，由于彈簧系統(tǒng)的蓄能減震作用，可以使機(jī)器人免受損害，從一定程度上提高了機(jī)器人的穩(wěn)定性和可靠性。彈簧的安裝位置應(yīng)當(dāng)使彈簧在運(yùn)動過程中盡量保持較大的垂直分力，以使運(yùn)動輪對工作表面(即運(yùn)動時所接觸的地面)的壓力足夠大。在優(yōu)化設(shè)計過程中得知，當(dāng)選取彈簧與上曲柄連接點(diǎn)至上曲柄與支撐架連接點(diǎn)之間的長度Te大于上曲柄長度e的1/2，而彈簧與下曲柄連接點(diǎn)至下曲柄與支撐架連接點(diǎn)之間的長度Tc大于下曲柄長度c的3/5時，效果較好。
參考附圖5，當(dāng)彈簧組件由彈簧固定架9、彈簧調(diào)節(jié)架6、彈簧伸縮軸7和螺旋彈簧8組成時，可以調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)緊力，便于提供更加良好的驅(qū)動力。螺旋彈簧套在彈簧伸縮軸外，彈簧一端安裝在彈簧調(diào)節(jié)架上、另一端安裝在彈簧固定架上，彈簧固定架與一曲柄(上曲柄或下曲柄)相連接，彈簧伸縮軸插在彈簧固定架中可自由滑動，彈簧伸縮軸的另一端與另一曲柄相連接，彈簧調(diào)節(jié)架則以螺紋方式旋在彈簧伸縮軸上。當(dāng)上、下曲柄之間出現(xiàn)相對運(yùn)動時，彈簧可隨著彈簧伸縮軸的滑動而伸縮。通過旋轉(zhuǎn)彈簧調(diào)節(jié)架，可以對彈簧的預(yù)緊力進(jìn)行調(diào)節(jié)，使彈簧在雙曲柄機(jī)構(gòu)的所有運(yùn)動位置均處于壓縮狀態(tài)，并可根據(jù)接觸面的表面粗糙度選擇合適的壓縮量，這樣機(jī)器人在越障過程中，由于彈簧的作用，運(yùn)動輪就會緊緊貼在接觸面上，從而增大摩擦，有利于提高機(jī)器人的越障性能。
具體實(shí)施例為所述雙曲柄機(jī)構(gòu)由強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的硬鋁12制成。運(yùn)動輪輪徑取110mm，各部件的參數(shù)為b＝50mm，c＝120mm，d＝70mm，e＝110mm，h＝180mm，H0＝170mm，Tc＝85mm，Te＝65mm。彈簧絲徑為1mm，簧徑為15mm，彈簧自由長度為45mm，有效圈數(shù)為7。連桿、曲柄和支撐架之間的連接件為40Cr加銅套轉(zhuǎn)動鉸鏈。運(yùn)動輪的實(shí)際越障高度至少可以達(dá)到170mm(大于運(yùn)動輪輪徑的1.5倍)。
權(quán)利要求1.一種被動式雙曲柄越障機(jī)構(gòu)，其特征在于整個機(jī)構(gòu)由曲柄組件和彈簧組件組成，曲柄組件包括連桿、曲柄和支撐架，彈簧組件為彈簧固定架、彈簧調(diào)節(jié)架、彈簧伸縮軸和螺旋彈簧；所述支撐架固接在機(jī)器人本體上，隨機(jī)器人本體一同運(yùn)動；所述曲柄包括上曲柄、下曲柄，曲柄一端通過連接件分別與支撐架兩端連接、另一端通過連接件分別與連桿上端及其桿中接點(diǎn)相連接；所述連桿下端通過連接件與運(yùn)動輪輪軸相連接；所述彈簧的兩端通過連接件分別與上、下曲柄的桿中接點(diǎn)相連接。
2.如權(quán)利要求1所述的被動式雙曲柄越障機(jī)構(gòu)，其特征在于所述各部件的長度滿足以下關(guān)系上、下曲柄長度均大于支撐架兩連接點(diǎn)間長度的2倍，下曲柄長度大于上曲柄長度，連桿上段長度大于支撐架兩連接點(diǎn)間的長度，連桿的桿中接點(diǎn)到輪軸的距離大于連桿上段長度，并且大于運(yùn)動輪直徑；彈簧與上曲柄連接點(diǎn)至上曲柄與支撐架連接點(diǎn)之間的長度大于上曲柄長度的1/2，而彈簧與下曲柄連接點(diǎn)至下曲柄與支撐架連接點(diǎn)之間的長度大于下曲柄長度的3/5。
3.如權(quán)利要求1或2所述的被動式雙曲柄越障機(jī)構(gòu)，其特征在于所述彈簧組件由彈簧固定架、彈簧調(diào)節(jié)架、彈簧伸縮軸和螺旋彈簧組成，其中彈簧調(diào)節(jié)架采用螺旋結(jié)構(gòu)安裝在彈簧伸縮軸的一端、彈簧固定架采用滑動結(jié)構(gòu)安裝在彈簧伸縮軸的另一端，螺旋彈簧套裝在彈簧伸縮軸外、其兩端分別安裝在彈簧調(diào)節(jié)架及彈簧固定架上，彈簧固定架連接在一曲柄的桿中接點(diǎn)上，彈簧調(diào)節(jié)架所在的彈簧伸縮軸的端部連接在另一曲柄的桿中接點(diǎn)上。
4.如權(quán)利要求1或2所述的被動式雙曲柄越障機(jī)構(gòu)，其特征在于所述連桿下端通過轉(zhuǎn)向組件及連接件與運(yùn)動輪輪軸相連接。
專利摘要本實(shí)用新型是一種被動式雙曲柄越障機(jī)構(gòu)，它涉及變形機(jī)器人(包括多足機(jī)器人和輪式、履帶式機(jī)器人等)使用的運(yùn)動構(gòu)件。該機(jī)構(gòu)用于將機(jī)器人的本體與運(yùn)動輪連接，是高性能越障機(jī)器人的重要組成部分之一。整個機(jī)構(gòu)由曲柄組件和彈簧組件組成，曲柄組件包括連桿、上下曲柄和支撐架，彈簧組件可以僅是螺旋彈簧，或是由彈簧固定架、彈簧調(diào)節(jié)架、彈簧伸縮軸和螺旋彈簧組成，曲柄組件構(gòu)成不規(guī)則四邊形、彈簧組件位于四邊形中。在機(jī)器人越障過程中，曲柄組件可以給運(yùn)動輪提供垂直方向上較大的運(yùn)動范圍，同時彈簧組件具有保持驅(qū)動力和蓄能減震的作用。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計巧妙，極大程度上提高了機(jī)器人的越障性能和穩(wěn)定性。
文檔編號B25J3/00GK2673581SQ20042002471
公開日2005年1月26日 申請日期2004年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月16日
發(fā)明者杜華生, 許旻, 吳月華, 馮志華, 汪新, 雍超, 楊杰 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)