專利名稱：一種水陸空三棲全方位移動機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于移動機器人工程技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種用于探測的水陸空三棲全方位 移動機構(gòu)。
背景技術(shù)：
目前，世界上能夠在水陸空三種環(huán)境下使用的工具都是以汽車的形式出現(xiàn)的，包 括瑞士汽車生產(chǎn)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(fā)明家、飛行家亞力山大.比加克于2008年發(fā)明的水陸空三棲機“進化”它采用 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 材料制成，十分堅固。比較常見的全方位移動機構(gòu)有空氣懸浮式、球履帶式、輪式等。輪式全方位移動機 構(gòu)又可分為球輪驅(qū)動式、全輪轉(zhuǎn)向式、麥克納姆輪式等等。球輪(ball wheel)驅(qū)動式全方 位移動機構(gòu)是由日本電通大的越山等人研制成功的。它由一個滾動球體、一組支撐滾子和 一組驅(qū)動滾子組成，其中支撐滾子固定在車底盤上，驅(qū)動滾子固定在一個可以繞球體中心 轉(zhuǎn)動的支架上。每個球輪上的驅(qū)動滾子由一個電機驅(qū)動，使球輪繞驅(qū)動滾子所構(gòu)成平面的 法線轉(zhuǎn)動，同時可以繞垂直的軸線自由轉(zhuǎn)動。輪子的驅(qū)動力是滾子和輪子的摩擦力，使得輪 子的驅(qū)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(zhuǎn)向式移動機構(gòu)理論上可行，但由于每個輪上均需要復(fù)雜的轉(zhuǎn)向機構(gòu)，實際 中也很少有人采用。目前應(yīng)用于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(jù)功能特點分別應(yīng)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(shè)計和加工比較困難；僅適用于比較平坦的地面，而 且行走過程中會產(chǎn)生不可避免的振動；承載能力不強。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種水陸空全方位移動機構(gòu)。它能夠 在水陸空三種不同的環(huán)境下進行全方位自由移動。機構(gòu)本身機動靈活，具有一定的負(fù)載能 力。本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明包括箱體、四組輪系及相對于各輪系設(shè)置的驅(qū)動機構(gòu)，其特征在于所述的 驅(qū)動機構(gòu)包括置于箱體內(nèi)的電機、傳動機構(gòu)、離合機構(gòu)和置于箱體頂端的直升旋翼機構(gòu)，電 機與傳動機構(gòu)連接，傳動機構(gòu)的輸出端分別連接輪系和直升旋翼機構(gòu)，連接有電磁鐵的離 合機構(gòu)安裝在傳動機構(gòu)上，電磁鐵上連接有電源；工作時，離合機構(gòu)與傳動機構(gòu)的輪系連接 端或直升旋翼機構(gòu)連接端配合連接。本發(fā)明所述的離合機構(gòu)包括基體、端蓋、鎖定銷、彈簧、撥叉和拉桿，所述基體是中間為大輪盤，兩側(cè)為小輪盤結(jié)構(gòu)，且沿其軸線上開有帶鍵槽的軸孔，在基體兩側(cè)沿小輪盤圓 周上各均勻設(shè)有至少兩個安裝孔，每個安裝孔內(nèi)均設(shè)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桿連接，一端插接于基體大輪盤上。所述的撥叉為一端 帶有U型開口的叉型結(jié)構(gòu)，其叉型的一個端面為與基體小輪盤相配合的弧形結(jié)構(gòu)。所述的傳動機構(gòu)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(gòu)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于小直齒 輪內(nèi)孔中，法蘭盤通過第二傳動代替軸安裝于傳動軸的一端，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(shè)有長鍵，與離合機 構(gòu)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(gòu)兩側(cè)鎖定銷相配合的圓孔。所述的直升旋翼機構(gòu)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(shè)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(gòu)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(jié)構(gòu)，水平鉸接頭截 面為一端開有“U”型口的“Y”型結(jié)構(gòu)，在U型開口的兩側(cè)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于10mm。本發(fā)明的有益效果如下本發(fā)明適應(yīng)性強。其結(jié)構(gòu)主要由傳動機構(gòu)、離合機構(gòu)、輪系和直升旋翼機構(gòu)四部分 組成，在使用過程中根據(jù)本發(fā)明所在的不同環(huán)境對應(yīng)選擇不同形式的動力輸出，這樣使機 構(gòu)能夠適應(yīng)更廣泛的環(huán)境并在更大的范圍內(nèi)使用。本發(fā)明的離合機構(gòu)與傳動機構(gòu)通過鍵配合連接，使其可沿傳動機構(gòu)的傳動軸作軸 向移動，且離合機構(gòu)上設(shè)有分別與輸出至輪系端的法蘭盤和輸出至直升旋翼機構(gòu)的大錐齒 輪相配合連接的結(jié)構(gòu)，當(dāng)需要將本發(fā)明的運動輸出由地面、水面轉(zhuǎn)換成天空，或者由天空轉(zhuǎn) 換到地面、水面時，可以通過離合機構(gòu)使電機傳動軸連接到輪系或者直升旋翼機構(gòu)。在離合 機構(gòu)上設(shè)有可沿箱體移動的拉桿，拉桿一端連接的撥叉插接于離合機構(gòu)的基體上，另一端 連接電磁鐵，通過電磁鐵控制離合機構(gòu)的拉桿及基體的運動。由于離合機構(gòu)上安裝有由鎖 定銷和彈簧構(gòu)成的彈性壓縮裝置，避免了離合機構(gòu)與傳動機構(gòu)中的傳動代替軸之間的剛性 摩擦，減少了離合機構(gòu)的磨損，同時使本發(fā)明中的離合機構(gòu)使用起來更加順暢。本發(fā)明傳動機構(gòu)一方面通過其上設(shè)有的錐齒輪傳動系和直齒輪傳動系，將水平軸 向運動轉(zhuǎn)為垂直運動，給本發(fā)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(fā)明的外形結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1去除箱體端蓋的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為圖1的側(cè)剖示意圖。
圖4為本發(fā)明中離合機構(gòu)示意圖，其中的鎖定銷為6個。圖5為圖4安裝的側(cè)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(fā)明中傳動機構(gòu)示意圖。圖8為圖1中直升旋翼機構(gòu)剖視示意圖。圖9為本發(fā)明輪系結(jié)構(gòu)示意圖。圖10為圖9去除輪轂側(cè)板的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明。實施例1 如圖1所示，本發(fā)明包括箱體29、四組輪系1及相對于各輪系1設(shè)置的 驅(qū)動機構(gòu)，四組輪系1對稱分布在箱體29的兩側(cè)，如圖2所示，所述的各組驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)相 同，均包括電機5、傳動機構(gòu)3、離合機構(gòu)2和直升旋翼機構(gòu)4，其中電機5、傳動機構(gòu)3、離合 機構(gòu)2置于箱體29內(nèi)，直升旋翼機構(gòu)4置于箱體29頂端，電機5與傳動機構(gòu)3連接，傳動 機構(gòu)3的輸出端分別連接輪系1和直升旋翼機構(gòu)4，連接有電磁鐵6的離合機構(gòu)2安裝在傳 動機構(gòu)3上，電磁鐵6與箱體29內(nèi)的蓄電池或高能效電池連接；工作時，離合機構(gòu)2與傳動 機構(gòu)3的輪系1連接端或直升旋翼機構(gòu)4連接端配合連接。如圖3——圖6所示，離合機構(gòu)2包括基體24、端蓋25、鎖定銷26、彈簧34、撥叉27 和拉桿28 ；如圖5所示，所述基體24是中間為大輪盤，兩側(cè)為小輪盤結(jié)構(gòu)，且沿其軸線上開 有帶鍵槽23的軸孔，在基體24兩側(cè)沿小輪盤圓周上各均勻設(shè)有至少兩個安裝孔35，本例設(shè) 4個安裝孔35 ；如圖6所示，每個安裝孔35內(nèi)均設(shè)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(jié)構(gòu)，其叉型的一個端面為與基體24小輪盤相配合的弧 形結(jié)構(gòu)；撥叉27 —端與通過直線軸承安裝在箱體29上的拉桿28連接，一端插接于基體24 大輪盤上，拉桿28可沿箱體29移動。如圖7所示，傳動機構(gòu)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(gòu)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的固定軸安裝于小直齒輪20內(nèi)孔中，法蘭盤17通過第二 傳動代替軸18安裝于傳動軸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(lián)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(gòu)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(shè)有長鍵，與離合機構(gòu)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(gòu)2兩側(cè)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(gòu)3中的大錐齒輪16或法蘭盤17連接。通過電磁鐵6控 制拉桿28的位置來控制離合機構(gòu)2與傳動機構(gòu)3之間的連接位置，從而控制傳動機構(gòu)3是 與輪系1聯(lián)通還是與直升旋翼機構(gòu)4聯(lián)通。如圖1、圖8所示，直升旋翼機構(gòu)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(shè)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(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，水平鉸接頭32截面為一端開有“U”型口的“Y”型結(jié)構(gòu)，在U型開口的兩側(cè) 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(gòu)3傳遞到直升旋翼機 構(gòu)4，使其螺旋槳葉7旋轉(zhuǎn)運 動，產(chǎn)生升力使本發(fā)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(gòu)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(cè)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(jù)電機輸出功率來調(diào)整，本例該夾角為45°，使本發(fā)明的 移動機構(gòu)向前、后、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 徑所得的差值大于10mm。本發(fā)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(fā)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(chǎn)生的摩擦力的合力方向和大小使本發(fā)明向各個方向運動，在水面運動則是 通過控制漿葉10產(chǎn)生的水流反作用力的方向和大小來控制本發(fā)明在水面上向各個方向的 運動。本發(fā)明對應(yīng)于每個電機5的動力傳遞路線有兩條一條是由電機5通過聯(lián)軸器12 輸出動力至傳動機構(gòu)3，通過傳動軸36將動力輸出，通過離合機構(gòu)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(zhuǎn)動，該動力傳 遞路線適于本發(fā)明在地面或水面上的運動狀況。另一條是由電機5通過聯(lián)軸器12輸出動 力至傳動機構(gòu)3，傳動機構(gòu)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?yōu)榇怪狈较蛏?，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(zhuǎn)速改變后輸出到直升旋翼機構(gòu)4中，從而使旋翼槳葉7旋轉(zhuǎn)提供本 發(fā)明所需的升力，該動力傳遞路線適用于本發(fā)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(gòu)2控制，具體為電磁鐵6復(fù)位時(不通電)，離 合機構(gòu)2的鎖定銷26與法蘭盤17上的對應(yīng)孔連接，與大錐齒輪16上的對應(yīng)孔脫離，使電 機5輸出端與輪系1相連通，使本發(fā)明在地面或水中行駛。當(dāng)電磁鐵6通電時，離合機構(gòu)2 的鎖定銷26與法蘭盤17上的對應(yīng)孔脫離，與大錐齒輪16上的對應(yīng)孔連接，使電機輸出端 與直升旋翼機構(gòu)4相連通，使本發(fā)明能夠在空中飛行。實施例2 本例結(jié)構(gòu)與實施例1結(jié)構(gòu)相同，不同的是所述的離合機構(gòu)2基體24 兩側(cè)沿小輪盤圓周上各均勻設(shè)有2個內(nèi)設(shè)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(yīng)連接的傳動機構(gòu)3的法蘭盤17和大錐齒輪16上均設(shè)有4個孔。所述直升旋 翼機構(gòu)4上的螺旋槳為4片。所述的輪系1的輪轂上設(shè)有8個漿葉-輥子組。實施例3 本例結(jié)構(gòu)與實施例1結(jié)構(gòu)相同，不同的是所述的離合機構(gòu)2基體24 兩側(cè)沿小輪盤圓周上各均勻設(shè)有6個內(nèi)設(shè)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(yīng)連接的傳動機構(gòu)3的法蘭盤17和大錐齒輪16上均設(shè)有2個孔。所述直升旋 翼機構(gòu)4上的螺旋槳為6片。所述的輪系1的輪轂上設(shè)有10個漿葉-輥子組。
權(quán)利要求
一種水陸空三棲全方位移動機構(gòu)，包括箱體、四組輪系及相對于各輪系設(shè)置的驅(qū)動機構(gòu)，其特征在于所述的驅(qū)動機構(gòu)包括置于箱體內(nèi)的電機、傳動機構(gòu)、離合機構(gòu)和置于箱體頂端的直升旋翼機構(gòu)，電機與傳動機構(gòu)連接，傳動機構(gòu)的輸出端分別連接輪系和直升旋翼機構(gòu)，連接有電磁鐵的離合機構(gòu)安裝在傳動機構(gòu)上，電磁鐵上連接有電源；工作時，離合機構(gòu)與傳動機構(gòu)的輪系連接端或直升旋翼機構(gòu)連接端配合連接。
2.按照權(quán)利要求1所述的水陸空三棲全方位移動機構(gòu)，其特征在于所述的離合機構(gòu) 包括基體、端蓋、鎖定銷、彈簧、撥叉和拉桿，所述基體是中間為大輪盤，兩側(cè)為小輪盤結(jié)構(gòu)， 且沿其軸線上開有帶鍵槽的軸孔，在基體兩側(cè)沿小輪盤圓周上各均勻設(shè)有至少兩個安裝 孔，每個安裝孔內(nèi)均設(shè)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 的拉桿連接，一端插接于基體大輪盤上。
3.按照權(quán)利要求1所述的水陸空三棲全方位移動機構(gòu)，其特征在于所述的撥叉為一 端帶有U型開口的叉型結(jié)構(gòu)，其叉型的一個端面為與基體小輪盤相配合的弧形結(jié)構(gòu)。
4.按照權(quán)利要求1所述的水陸空三棲全方位移動機構(gòu)，其特征在于所述的傳動機構(gòu) 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(gòu)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于小直齒輪內(nèi)孔中，法蘭盤通過第 二傳動代替軸安裝于傳動軸的一端，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(quán)利要求4所述的水陸空三棲全方位移動機構(gòu)，其特征在于在所述的法蘭盤 和大錐齒輪間的傳動軸上設(shè)有長鍵，與離合機構(gòu)基體上軸孔的鍵槽相配合。
6.按照權(quán)利要求4所述的水陸空三棲全方位移動機構(gòu)，其特征在于所述錐齒輪傳動 系的大錐齒輪和法蘭盤的圓周上均開有與離合機構(gòu)兩側(cè)鎖定銷相配合的圓孔。
7.按照權(quán)利要求1所述的水陸空三棲全方位移動機構(gòu)，其特征在于所述的直升旋翼 機構(gòu)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(shè)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(gòu)的輸出軸配合連接的軸向鉸接接頭。
8.按照權(quán)利要求7所述的水陸空三棲全方位移動機構(gòu)，其特征在于所述的螺旋槳鉸 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(jié)構(gòu)，水平鉸接頭截面為一 端開有“U”型口的“Y”型結(jié)構(gòu)，在U型開口的兩側(cè)板上對稱開有與垂直鉸接頭相連接配合 的孔。
9.按照權(quán)利要求1所述的水陸空三棲全方位移動機構(gòu)，其特征在于所述的輪系包括 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(quán)利要求1所述的水陸空三棲全方位移動機構(gòu)，其特征在于所述輥子的軸線 與輪轂軸線間的距離減去輪轂半徑所得的差值大于10mm。
全文摘要
一種水陸空三棲全方位移動機構(gòu)，屬于移動機器人工程技術(shù)領(lǐng)域。包括箱體、四組輪系及相對于各輪系設(shè)置的驅(qū)動機構(gòu)，所述的驅(qū)動機構(gòu)包括置于箱體內(nèi)的電機、傳動機構(gòu)、離合機構(gòu)和置于箱體頂端的直升旋翼機構(gòu)，電機與傳動機構(gòu)連接，傳動機構(gòu)的輸出端分別連接輪系和直升旋翼機構(gòu)，連接有電磁鐵的離合機構(gòu)安裝在傳動機構(gòu)上，電磁鐵上連接有電源；工作時，離合機構(gòu)與傳動機構(gòu)的輪系連接端或直升旋翼機構(gòu)連接端配合連接。本發(fā)明適應(yīng)性強。在使用過程中根據(jù)本發(fā)明所在的不同環(huán)境對應(yīng)選擇不同形式的動力輸出，這樣使機構(gòu)能夠適應(yīng)更廣泛的環(huán)境并在更大的范圍內(nèi)使用。本發(fā)明可方便調(diào)節(jié)運動輸出由地面、水面轉(zhuǎn)換成天空，或者由天空轉(zhuǎn)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(yōu)先權(quán)日2009年7月15日
發(fā)明者張國偉, 李志強, 李斌, 王聰, 龔海里 申請人:中國科學(xué)院沈陽自動化研究所