全文摘要
本实用新型涉及移动机器人领域。技术方案是：一种基于电磁控制与空间反凸轮的轮腿变换装置，其特征在于：该装置包括通过中心轴可转动地定位在轴承座上的旋转架、分别通过安装轴设置在旋转架中的三个叶形展开轮以及用于驱动叶形展开轮转动的轮腿变换机构；所述叶形展开轮包括弧形叶片、可转动地定位在安装轴上的圆柱凸轮以及连接弧形叶片与圆柱凸轮的连接杆；所述轮腿变换机构包括设置在圆柱凸轮上的滑动槽、可滑动地定位在旋转架中的支撑架、可转动地定位在支撑架外圆周面上并分别嵌入各圆柱凸轮滑动槽中的三个随动轮以及用于驱动支撑架滑动的驱动结构。该装置应具有制造成本低、控制简单、动态性能好、所需驱动少的特点。
主设计要求
1.一种基于电磁控制与空间反凸轮的轮腿变换装置，其特征在于：该装置包括通过中心轴(14)可转动地定位在轴承座(3)上的旋转架、分别通过安装轴(6)设置在旋转架中的三个叶形展开轮(1)以及用于驱动叶形展开轮转动的轮腿变换机构；所述叶形展开轮包括弧形叶片(1.1)、可转动地定位在安装轴上的圆柱凸轮(1.2)以及连接弧形叶片与圆柱凸轮的连接杆(1.3)；所述轮腿变换机构包括设置在圆柱凸轮上的滑动槽(1.4)、可滑动地定位在旋转架中的支撑架(9)、可转动地定位在支撑架外圆周面上并分别嵌入各圆柱凸轮滑动槽中的三个随动轮(13)以及用于驱动支撑架滑动的驱动结构；所述旋转架包括相互间隔一定距离地固定在中心轴(14)上的两个侧轮(5)以及两端分别定位在两个侧轮上且平行于中心轴轴线的安装轴；三个安装轴均匀分布在中心轴周围，所述支撑架可滑动地定位在中心轴上；所述旋转架的转动轴线、圆柱凸轮的转动轴线与支撑架的滑动方向互相平行，随动轮的转动轴线垂直于旋转架的转动轴线；所述支撑架滑动时可带动三个圆柱凸轮同步旋转，使得叶形展开轮在轮形结构与腿形结构之间转换；所述驱动结构包括固定在支撑架滑动方向两侧的两个永磁体(8)、对支撑架施加平行于滑动方向的两个相反推力的两个弹簧(7)以及固定在旋转架一端与永磁体配合的电磁铁(2)。
设计方案
1.一种基于电磁控制与空间反凸轮的轮腿变换装置，其特征在于：该装置包括通过中心轴(14)可转动地定位在轴承座(3)上的旋转架、分别通过安装轴(6)设置在旋转架中的三个叶形展开轮(1)以及用于驱动叶形展开轮转动的轮腿变换机构；
所述叶形展开轮包括弧形叶片(1.1)、可转动地定位在安装轴上的圆柱凸轮(1.2)以及连接弧形叶片与圆柱凸轮的连接杆(1.3)；
所述轮腿变换机构包括设置在圆柱凸轮上的滑动槽(1.4)、可滑动地定位在旋转架中的支撑架(9)、可转动地定位在支撑架外圆周面上并分别嵌入各圆柱凸轮滑动槽中的三个随动轮(13)以及用于驱动支撑架滑动的驱动结构；
所述旋转架包括相互间隔一定距离地固定在中心轴(14)上的两个侧轮(5)以及两端分别定位在两个侧轮上且平行于中心轴轴线的安装轴；三个安装轴均匀分布在中心轴周围，所述支撑架可滑动地定位在中心轴上；
所述旋转架的转动轴线、圆柱凸轮的转动轴线与支撑架的滑动方向互相平行，随动轮的转动轴线垂直于旋转架的转动轴线；所述支撑架滑动时可带动三个圆柱凸轮同步旋转，使得叶形展开轮在轮形结构与腿形结构之间转换；
所述驱动结构包括固定在支撑架滑动方向两侧的两个永磁体(8)、对支撑架施加平行于滑动方向的两个相反推力的两个弹簧(7)以及固定在旋转架一端与永磁体配合的电磁铁(2)。
2.根据权利要求1所述的一种基于电磁控制与空间反凸轮的轮腿变换装置，其特征在于：所述安装轴可转动地定位在侧轮中，圆柱凸轮与安装轴同轴固定。
3.根据权利要求2所述的一种基于电磁控制与空间反凸轮的轮腿变换装置，其特征在于：所述电磁铁与其中一个侧轮固定；所述两个弹簧穿套在中心轴上并且分别设置在侧轮与永磁体之间。
4.根据权利要求3所述的一种基于电磁控制与空间反凸轮的轮腿变换装置，其特征在于：所述轮腿变换机构中还设有用于阻止支撑架旋转的限位结构；所述限位结构包括两端分别与两个侧轮固定并且平行于支撑架滑动方向的滑轨(11)以及设置在支撑架上与滑轨配合的滑块(15)。
5.根据权利要求4所述的一种基于电磁控制与空间反凸轮的轮腿变换装置，其特征在于：所述电磁铁不通电时，支撑架位于中心轴的中部，三个叶形展开轮组合成圆形的轮形结构；所述电磁铁通电时，支撑架发生位移从而驱动圆柱凸轮，三个叶形展开轮组合成具有三个支撑腿的腿形结构。
设计说明书
技术领域
本实用新型涉及移动机器人领域，具体是一种基于电磁控制和空间反圆柱凸轮的轮腿变换装置。
背景技术
轮式机器人运动速度快，在平整的环境中通过性好，运行平稳，但对于复杂环境适应性较差。腿式机器人越障性能好，面对未知坏境适应性好，较为灵活且对地面破坏性小，但是腿式机器人结构复杂，控制困难，速度慢。相比一般的移动机器人移动结构，轮腿式移动机器人兼具轮式与腿式的优点越障性能好、环境适应能力强、行进速度快。因此轮腿式机构作为移动机器人的移动结构在移动机器人领域应用与研究越来越广泛。具体应用的领域涉及地震救援、野外探测、管线巡检等。
在非结构化环境中，移动机器人需要一种移动速度快和越障能力好的移动机构。轮腿式结构兼具轮式结构的移动速度快和腿式机器人的环境适应能力强。因此，兼具轮式与腿式优点的轮腿式机构得以研发。其中，轮腿变换机构是其中重要的一类，具有很高的工程应用价值。
现有的轮腿变换机构的实用新型公布专利中(如CN 107323562 A、CN 103142361B等)，均存在结构复杂、制造成本高、需要驱动数过多、控制复杂、动态性能差的特点。因此，提出一种制造成本低、控制简单、动态性能好、所需驱动少的轮腿变换机构很有必要。
实用新型内容
本实用新型的目的是克服上述背景技术中的不足，提供一种基于电磁控制与空间反圆柱凸轮的轮腿变换装置，该装置应具有制造成本低、控制简单、动态性能好、所需驱动少的特点。
本实用新型的技术方案是：
一种基于电磁控制与空间反凸轮的轮腿变换装置，其特征在于：该装置包括通过中心轴可转动地定位在轴承座上的旋转架、分别通过安装轴设置在旋转架中的三个叶形展开轮以及用于驱动叶形展开轮转动的轮腿变换机构；
所述叶形展开轮包括弧形叶片、可转动地定位在安装轴上的圆柱凸轮以及连接弧形叶片与圆柱凸轮的连接杆；
所述轮腿变换机构包括设置在圆柱凸轮上的滑动槽、可滑动地定位在旋转架中的支撑架、可转动地定位在支撑架外圆周面上并分别嵌入各圆柱凸轮滑动槽中的三个随动轮以及用于驱动支撑架滑动的驱动结构；
所述旋转架包括相互间隔一定距离地固定在中心轴(14)上的两个侧轮(5)以及两端分别定位在两个侧轮上且平行于中心轴轴线的安装轴；三个安装轴均匀分布在中心轴周围，所述支撑架可滑动地定位在中心轴上；
所述旋转架的转动轴线、圆柱凸轮的转动轴线与支撑架的滑动方向互相平行，随动轮的转动轴线垂直于旋转架的转动轴线；所述支撑架滑动时可带动三个圆柱凸轮同步旋转，使得叶形展开轮在轮形结构与腿形结构之间转换。
所述驱动结构包括固定在支撑架滑动方向两侧的两个永磁体、对支撑架施加平行于滑动方向的两个相反推力的两个弹簧以及固定在旋转架一端与永磁体配合的电磁铁。
所述安装轴可转动地定位在侧轮中，圆柱凸轮与安装轴同轴固定。
所述电磁铁与其中一个侧轮固定；所述两个弹簧穿套在中心轴上并且分别设置在侧轮与永磁体之间。
所述轮腿变换机构中还设有用于阻止支撑架旋转的限位结构；所述限位结构包括两端分别与两个侧轮固定并且平行于支撑架滑动方向的滑轨以及设置在支撑架上与滑轨配合的滑块。
所述电磁铁不通电时，支撑架位于中心轴的中部，三个叶形展开轮组合成圆形的轮形结构；所述电磁铁通电时，支撑架发生位移从而驱动圆柱凸轮，三个叶形展开轮组合成具有三个支撑腿的腿形结构。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型提出的一种轮腿变换装置，能够实现轮形结构与腿形结构的变换，兼具了轮式机器人平地通过性能好、速度快、运行平稳和腿式机器人的越障性能好的优点；利用可调电磁铁进行轮腿变换控制，与传统变换方式相比减少了电机的使用，并且远程非接触式的控制变换可以保证控制部分完全可装于机体，大大降低了轮腿变换装置的质量，对动态特性有较大改善，提高了负载能力；采用反圆柱凸轮的结构，将支撑架的直线位移转化为叶形展开轮的角位移，且直线位移与角位移存在线性对应的关系，大大简化了控制难度。
附图说明
图1是本实用新型的轴测图之一。
图2是本实用新型的轴测图之二。
图3是本实用新型的轴测图之三(省略一个叶形展开轮)。
图4是本实用新型的主视结构示意图(省略一个叶形展开轮)。
图5是本实用新型的左视结构示意图之一(轮形结构)。
图6是本实用新型的左视结构示意图之二(腿形结构)。
图7是本实用新型中驱动结构与限位结构的示意图。
图8是本实用新型中叶形展开轮的立体结构示意图。
图9是本实用新型中限位结构的立体放大结构示意图。
图10是本实用新型中侧轮的立体结构示意图。
图11是本实用新型部分零件的装配示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图，对本实用新型作进一步说明，但本实用新型并不局限于以下实施例。
一种基于电磁控制与空间反凸轮的轮腿变换装置，包括轴承座3、旋转架、三个叶形展开轮1以及轮腿变换机构。
所述旋转架包括可转动地定位在轴承座上的中心轴14、相互间隔一定距离地固定在中心轴上两个侧轮5以及两端分别定位在两个侧轮上的三个安装轴6；所述中心轴与安装轴均平行于侧轮的转动轴线(侧轮的转动轴线为中心轴的转动轴线)，中心轴与侧轮同轴固定，安装轴均匀分布在中心轴周围；安装轴的两端还分别通过轴承16可转动地定位在侧轮中，轴承端部还配有轴承挡圈12。
所述侧轮通过其中部的轴套2.1固定(通过径向穿越轴套的螺钉固定)在中心轴上；其中一个侧轮的轴套还轴向延伸到轴承座的外部，并且制作有键槽2.2，用于连接(通过联轴器)外部动力进行扭矩传递，驱动整个旋转架转动。所述中心轴为两端设有螺纹的阶梯轴，中心轴端部的外径小于中心轴中部的外径，中心轴的两端还穿过侧轮并通过锁紧螺母4将侧轮固定。
所述三个叶形展开轮1设置在旋转架中，每个叶形展开轮包括弧形叶片1.1、圆柱凸轮1.2与连接杆1.3。所述圆柱凸轮上设有供安装轴穿插的轴孔(图中省略)，圆柱凸轮与安装轴同轴固定(优选通过键连接)，使得圆柱凸轮可转动地定位在两个侧轮中，圆柱凸轮的外圆周面上还制有滑动槽1.4。所述连接杆的一端与圆柱凸轮固定，另一端与弧形叶片内弧面的中部固定。
所述轮腿变换机构用于驱动叶形展开轮旋转，使得叶形展开轮在轮形结构与腿形结构之间转换。所述轮腿变换机构包括设置在圆柱凸轮上的滑动槽、可滑动地定位在旋转架(具体是在旋转架中心轴)上的支撑架9、可转动地定位在支撑架外圆周面上的三个随动轮13、用于驱动支撑架沿中心轴滑动的驱动结构以及用于阻止支撑架绕中心轴旋转的限位结构。
所述随动轮通过轴承可转动地定位在随动轮轮轴的一端，并且一嵌入圆柱凸轮滑动槽中，随动轮的转动轴线垂直于旋转架的转动轴线；随动轮轮轴的另一端制作有外螺纹，旋紧在支撑架外圆周面的螺孔中(由图可知：共有三个随动轮轮轴，两两随动轮轮轴轴线在支撑架的横截面上呈180度布置)。所述随动轮与圆柱凸轮的配合关系为空间反圆柱凸轮副，当驱动结构推动支撑架滑动时，可带动圆柱凸轮进而使三个叶形展开轮同步旋转。
所述驱动结构包括固定在支撑架两侧的永磁体8、对支撑架施加推力的两个弹簧7以及与其中一个侧轮固定的电磁铁2。
两个永磁体设置在支撑架滑动方向的两侧(两个永磁体通过螺钉固定在支撑架滑动轴线方向的两个端面上)，永磁体安装时应保证磁极在空间上的对应，以使磁感线闭合，避免磁力相消。所述弹簧穿套在中心轴上并且分别设置在侧轮与永磁体之间，弹簧对支撑架施加了平行于滑动方向且方向相反的两个推力。所述电磁铁为由外部供电的环形电磁铁，可以提供大小可变的磁场，电磁铁通过永磁体配合调整支撑架在中心轴上的位置。
所述限位结构包括固定在两个侧轮中并且平行于中心轴的滑轨11以及设置在支撑架上与滑轨配合的滑块15；由图可知：滑块固定在支撑架外圆周面上，位于两个随动轮轮轴之间部位。
本实用新型的工作原理是：
外部动力通过侧轮驱动旋转架与叶形展开轮转动，带动机器人运动；当需要在平整地面运行时，本实用新型转换为轮形结构；此时电磁铁不通电，支撑架在两侧弹簧的顶压下位于中心轴的中部位置(支撑架在磁场作用力与弹簧作用力下保持平衡位置)，三个叶形展开轮组合成圆形的轮形结构(如图5所示，叶片围合成圆形的轮廓)，保证机器人具有良好的通过性；当遇到障碍物时，如果继续保持轮形结构可能无法越障，使电磁铁通电产生磁场从而推动支撑架沿着中心轴位移一段距离(支撑架的移动打破了在磁场作用力与弹簧作用力的平衡)，从而迫使叶形展开轮旋转一定角度(如图6所示)，叶片的一个端部向外展开作为与地面接触的支撑腿，三个叶形展开轮组合成具有三个支撑腿的腿形结构，从而保证了在复杂地面通行的能力。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920091531.4
申请日:2019-01-21
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:86(杭州)
授权编号:CN209852458U
授权时间:20191227
主分类号:B62D57/028
专利分类号:B62D57/028
范畴分类:32B;27C;
申请人:浙江理工大学
第一申请人:浙江理工大学
申请人地址:310018 浙江省杭州市下沙高教园区白杨街道2号大街928号
发明人:谢镇涛;毛明;叶伟;李秦川
第一发明人:谢镇涛
当前权利人:浙江理工大学
代理人:王之怀;王洪新
代理机构:33101
代理机构编号:杭州九洲专利事务所有限公司 33101
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计