专利名称：一种水陆空三栖全方位移动机构的制作方法
技术领域：
本发明属于移动机器人工程技术领域，具体是一种用于探测的水陆空三栖全方位 移动机构。
背景技术：
目前，世界上能够在水陆空三种环境下使用的工具都是以汽车的形式出现的，包 括瑞士汽车生产商Rinspeed在2006年三月推出的Splash是第一款水陆空三栖跑车；俄罗 斯著名的发明家、飞行家亚力山大.比加克于2008年发明的水陆空三栖机“进化”它采用 碳素纤维和凯夫拉尔纤维为原料，十分轻巧，重量仅为60公斤。它的外壳由高强度的特殊 材料制成，十分坚固。比较常见的全方位移动机构有空气悬浮式、球履带式、轮式等。轮式全方位移动机 构又可分为球轮驱动式、全轮转向式、麦克纳姆轮式等等。球轮(ball wheel)驱动式全方 位移动机构是由日本电通大的越山等人研制成功的。它由一个滚动球体、一组支撑滚子和 一组驱动滚子组成，其中支撑滚子固定在车底盘上，驱动滚子固定在一个可以绕球体中心 转动的支架上。每个球轮上的驱动滚子由一个电机驱动，使球轮绕驱动滚子所构成平面的 法线转动，同时可以绕垂直的轴线自由转动。轮子的驱动力是滚子和轮子的摩擦力，使得轮 子的驱动力和速度受到限制，这也是球轮的缺点。同时，轮子在地面滚动过程中吸附的一些 灰尘，会在轮子和滚子的接触点积累，影响二者之间的摩擦力，使轮子打滑。全轮转向式移动机构理论上可行，但由于每个轮上均需要复杂的转向机构，实际 中也很少有人采用。目前应用于实际的全向轮种类繁多，样式各异大多为组合全向轮。组 合全向轮一般由多个轮子组合，通过运动合成，达到全向运动的效果。组合全向轮主要类型 有麦克纳姆轮、瑞士轮、正交全方位轮、全向盘等，根据功能特点分别应用在不同的场合。但 是麦克纳姆轮也有一些固有的缺点，如设计和加工比较困难；仅适用于比较平坦的地面，而 且行走过程中会产生不可避免的振动；承载能力不强。
发明内容
为了解决上述存在的技术问题，本发明提供一种水陆空全方位移动机构。它能够 在水陆空三种不同的环境下进行全方位自由移动。机构本身机动灵活，具有一定的负载能 力。本发明的技术方案是本发明包括箱体、四组轮系及相对于各轮系设置的驱动机构，其特征在于所述的 驱动机构包括置于箱体内的电机、传动机构、离合机构和置于箱体顶端的直升旋翼机构，电 机与传动机构连接，传动机构的输出端分别连接轮系和直升旋翼机构，连接有电磁铁的离 合机构安装在传动机构上，电磁铁上连接有电源；工作时，离合机构与传动机构的轮系连接 端或直升旋翼机构连接端配合连接。本发明所述的离合机构包括基体、端盖、锁定销、弹簧、拨叉和拉杆，所述基体是中间为大轮盘，两侧为小轮盘结构，且沿其轴线上开有带键槽的轴孔，在基体两侧沿小轮盘圆 周上各均勻设有至少两个安装孔，每个安装孔内均设有弹簧、锁定销及与锁定销相配合的 端盖，拨叉一端与安装在箱体上的拉杆连接，一端插接于基体大轮盘上。所述的拨叉为一端 带有U型开口的叉型结构，其叉型的一个端面为与基体小轮盘相配合的弧形结构。所述的传动机构包括传动轴、第一传动代替轴、第二传动代替轴、法兰盘、锥齿轮 传动系、直齿轮传动系及输出轴，与直升旋翼机构连接的输出轴端安装有直齿轮传动系，大 锥齿轮通过第一传动代替轴安装在传动轴上，与其啮合的小锥齿轮的固定轴安装于小直齿 轮内孔中，法兰盘通过第二传动代替轴安装于传动轴的一端，第二传动代替轴与轮系连接， 传动轴另一端与电机连接。在所述的法兰盘和大锥齿轮间的传动轴上设有长键，与离合机 构基体上轴孔的键槽相配合。所述锥齿轮传动系的大 锥齿轮和法兰盘的圆周上均开有与离 合机构两侧锁定销相配合的圆孔。所述的直升旋翼机构包括旋翼基座、轴向铰接接头、固定座和至少两片螺旋桨，旋 翼基座固定在箱体上，在其顶端面设有固定座，沿固定座圆周通过螺旋桨铰接接头均勻连 接有螺旋桨，在固定座上连接有与传动机构的输出轴配合连接的轴向铰接接头。所述的螺 旋桨铰接接头包括垂直铰接头和水平铰接头，垂直铰接头为“十”字型结构，水平铰接头截 面为一端开有“U”型口的“Y”型结构，在U型开口的两侧板上对称开有与垂直铰接头相连 接配合的孔。所述的轮系包括轮毂和至少6个浆叶-辊子组，每组的辊子与浆叶一端通过固定 销轴连接在一起，且桨叶另一端向心均勻分布在轮毂圆周上。所述辊子的轴线与轮毂轴线 间的距离减去轮毂半径所得的差值大于10mm。本发明的有益效果如下本发明适应性强。其结构主要由传动机构、离合机构、轮系和直升旋翼机构四部分 组成，在使用过程中根据本发明所在的不同环境对应选择不同形式的动力输出，这样使机 构能够适应更广泛的环境并在更大的范围内使用。本发明的离合机构与传动机构通过键配合连接，使其可沿传动机构的传动轴作轴 向移动，且离合机构上设有分别与输出至轮系端的法兰盘和输出至直升旋翼机构的大锥齿 轮相配合连接的结构，当需要将本发明的运动输出由地面、水面转换成天空，或者由天空转 换到地面、水面时，可以通过离合机构使电机传动轴连接到轮系或者直升旋翼机构。在离合 机构上设有可沿箱体移动的拉杆，拉杆一端连接的拨叉插接于离合机构的基体上，另一端 连接电磁铁，通过电磁铁控制离合机构的拉杆及基体的运动。由于离合机构上安装有由锁 定销和弹簧构成的弹性压缩装置，避免了离合机构与传动机构中的传动代替轴之间的刚性 摩擦，减少了离合机构的磨损，同时使本发明中的离合机构使用起来更加顺畅。本发明传动机构一方面通过其上设有的锥齿轮传动系和直齿轮传动系，将水平轴 向运动转为垂直运动，给本发明提供上升动力；另一方面通过传动轴上的第二传动代替轴 与轮系连接，将动力传递给轮系。
图1为本发明的外形结构示意图。图2为图1去除箱体端盖的结构示意图。
图3为图1的侧剖示意图。
图4为本发明中离合机构示意图，其中的锁定销为6个。图5为图4安装的侧视示意图，其中锁定销为4个。图6为图4的剖视示意图。图7为本发明中传动机构示意图。图8为图1中直升旋翼机构剖视示意图。图9为本发明轮系结构示意图。图10为图9去除轮毂侧板的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。实施例1 如图1所示，本发明包括箱体29、四组轮系1及相对于各轮系1设置的 驱动机构，四组轮系1对称分布在箱体29的两侧，如图2所示，所述的各组驱动机构结构相 同，均包括电机5、传动机构3、离合机构2和直升旋翼机构4，其中电机5、传动机构3、离合 机构2置于箱体29内，直升旋翼机构4置于箱体29顶端，电机5与传动机构3连接，传动 机构3的输出端分别连接轮系1和直升旋翼机构4，连接有电磁铁6的离合机构2安装在传 动机构3上，电磁铁6与箱体29内的蓄电池或高能效电池连接；工作时，离合机构2与传动 机构3的轮系1连接端或直升旋翼机构4连接端配合连接。如图3——图6所示，离合机构2包括基体24、端盖25、锁定销26、弹簧34、拨叉27 和拉杆28 ；如图5所示，所述基体24是中间为大轮盘，两侧为小轮盘结构，且沿其轴线上开 有带键槽23的轴孔，在基体24两侧沿小轮盘圆周上各均勻设有至少两个安装孔35，本例设 4个安装孔35 ；如图6所示，每个安装孔35内均设有压力弹簧34、锁定销26及与锁定销26 相配合的端盖25，端盖25将锁定销26限制在基体24的安装孔35中；如图4、图5所示，拨 叉27为一端带有U型开口的叉型结构，其叉型的一个端面为与基体24小轮盘相配合的弧 形结构；拨叉27 —端与通过直线轴承安装在箱体29上的拉杆28连接，一端插接于基体24 大轮盘上，拉杆28可沿箱体29移动。如图7所示，传动机构3包括传动轴36、第一传动代替轴22、第二传动代替轴18、 法兰盘17、锥齿轮传动系、直齿轮传动系及输出轴19，与直升旋翼机构4连接的输出轴19 端安装有直齿轮传动系，锥齿轮传动系的大锥齿轮16通过第一传动代替轴22安装在传动 轴36上，与其啮合的小锥齿轮21的固定轴安装于小直齿轮20内孔中，法兰盘17通过第二 传动代替轴18安装于传动轴36的一端，第二传动代替轴18与轮系1连接，传动轴36另一 端通过联轴器12与电机5连接，两传动代替轴均通过轴承安装在传动轴36上。如图2——图7所示，离合机构2安装在两个传动代替轴之间的传动轴36上，该段 传动轴36上设有长键，与离合机构2基体24上轴孔的键槽23相配合。在锥齿轮传动系的 大锥齿轮16和法兰盘17的圆周上均开有与离合机构2两侧锁定销26相配合的圆孔，工作 过程中，通过锁定销26与传动机构3中的大锥齿轮16或法兰盘17连接。通过电磁铁6控 制拉杆28的位置来控制离合机构2与传动机构3之间的连接位置，从而控制传动机构3是 与轮系1联通还是与直升旋翼机构4联通。如图1、图8所示，直升旋翼机构4安装在箱体29顶端的上盖30上，包括旋翼基座8、轴向铰接接头14、固定座31和4片螺旋桨7，旋翼基座8固定在箱体29上，在其顶端面 设有固定座31，沿固定座31圆周通过螺旋桨铰接接头均勻连接有螺旋桨7，在固定座31上 连接有与传动机构3的输出轴19配合连接的轴向铰接接头14，使输出轴19带动固定座31 转动。所述的轴向铰接接头14为普通铰接头，能够使螺旋桨7具有一定的偏转角度。如图 8所示，所述的螺旋桨铰接接头14包括垂直铰接头33和水平铰接头32，垂直铰接头33为 “十”字型结构，水平铰接头32截面为一端开有“U”型口的“Y”型结构，在U型开口的两侧 板上对称开有与垂直铰接头33相连接配合的孔。动力通过传动机构3传递到直升旋翼机 构4，使其螺旋桨叶7旋转运 动，产生升力使本发明飞起到一定的高度。如图9、图10所示，所述的轮系1通过轴承、挡圈安装在传动机构3的第二传动代 替轴18上。其包括轮毂11轮毂和6个浆叶-辊子组，每组的辊子9与浆叶10 —端通过固 定销轴13连接在一起，且桨叶10另一端向心均勻分布在轮毂11圆周上，通过桨叶10上的 叶轴安装在轮毂11的两侧板上，辊子9的轴线与浆叶10所在平面法向垂直，与轮毂11的 轴线间有一夹角，该夹角的大小根据电机输出功率来调整，本例该夹角为45°，使本发明的 移动机构向前、后、左、右移动速度相等；所述辊子的轴线与轮毂轴线间的距离减去轮毂半 径所得的差值大于10mm。本发明在地面、水面的运动主要依靠轮系1上辊子9和浆叶10来运动，通过控制 四个轮系1的运动方向和速度可以控制本发明的运动方向和速度。在地面运动是依靠控制 辊子9与地面产生的摩擦力的合力方向和大小使本发明向各个方向运动，在水面运动则是 通过控制浆叶10产生的水流反作用力的方向和大小来控制本发明在水面上向各个方向的 运动。本发明对应于每个电机5的动力传递路线有两条一条是由电机5通过联轴器12 输出动力至传动机构3，通过传动轴36将动力输出，通过离合机构2与法兰盘17连接，将 动力传递到第二传动代替轴18，第二传动代替轴18带动其上安装的轮系1转动，该动力传 递路线适于本发明在地面或水面上的运动状况。另一条是由电机5通过联轴器12输出动 力至传动机构3，传动机构3的大锥齿轮16与小锥齿轮21配合传动，改变电机5输出运动 的方向，将运动从水平方向改变为垂直方向上，小锥齿轮21输出的运功向上通过小直齿轮 20和大直齿轮15，将转速改变后输出到直升旋翼机构4中，从而使旋翼桨叶7旋转提供本 发明所需的升力，该动力传递路线适用于本发明在天空中的运动状况。上述两条动力传递路线由离合机构2控制，具体为电磁铁6复位时(不通电)，离 合机构2的锁定销26与法兰盘17上的对应孔连接，与大锥齿轮16上的对应孔脱离，使电 机5输出端与轮系1相连通，使本发明在地面或水中行驶。当电磁铁6通电时，离合机构2 的锁定销26与法兰盘17上的对应孔脱离，与大锥齿轮16上的对应孔连接，使电机输出端 与直升旋翼机构4相连通，使本发明能够在空中飞行。实施例2 本例结构与实施例1结构相同，不同的是所述的离合机构2基体24 两侧沿小轮盘圆周上各均勻设有2个内设有弹簧、锁定销及与锁定销相配合的端盖安装孔 35，与其对应连接的传动机构3的法兰盘17和大锥齿轮16上均设有4个孔。所述直升旋 翼机构4上的螺旋桨为4片。所述的轮系1的轮毂上设有8个浆叶-辊子组。实施例3 本例结构与实施例1结构相同，不同的是所述的离合机构2基体24 两侧沿小轮盘圆周上各均勻设有6个内设有弹簧、锁定销及与锁定销相配合的端盖安装孔
35，与其对应连接的传动机构3的法兰盘17和大锥齿轮16上均设有2个孔。所述直升旋 翼机构4上的螺旋桨为6片。所述的轮系1的轮毂上设有10个浆叶-辊子组。
权利要求
一种水陆空三栖全方位移动机构，包括箱体、四组轮系及相对于各轮系设置的驱动机构，其特征在于所述的驱动机构包括置于箱体内的电机、传动机构、离合机构和置于箱体顶端的直升旋翼机构，电机与传动机构连接，传动机构的输出端分别连接轮系和直升旋翼机构，连接有电磁铁的离合机构安装在传动机构上，电磁铁上连接有电源；工作时，离合机构与传动机构的轮系连接端或直升旋翼机构连接端配合连接。
2.按照权利要求1所述的水陆空三栖全方位移动机构，其特征在于所述的离合机构 包括基体、端盖、锁定销、弹簧、拨叉和拉杆，所述基体是中间为大轮盘，两侧为小轮盘结构， 且沿其轴线上开有带键槽的轴孔，在基体两侧沿小轮盘圆周上各均勻设有至少两个安装 孔，每个安装孔内均设有弹簧、锁定销及与锁定销相配合的端盖，拨叉一端与安装在箱体上 的拉杆连接，一端插接于基体大轮盘上。
3.按照权利要求1所述的水陆空三栖全方位移动机构，其特征在于所述的拨叉为一 端带有U型开口的叉型结构，其叉型的一个端面为与基体小轮盘相配合的弧形结构。
4.按照权利要求1所述的水陆空三栖全方位移动机构，其特征在于所述的传动机构 包括传动轴、第一传动代替轴、第二传动代替轴、法兰盘、锥齿轮传动系、直齿轮传动系及输 出轴，与直升旋翼机构连接的输出轴端安装有直齿轮传动系，大锥齿轮通过第一传动代替 轴安装在传动轴上，与其啮合的小锥齿轮的固定轴安装于小直齿轮内孔中，法兰盘通过第 二传动代替轴安装于传动轴的一端，第二传动代替轴与轮系连接，传动轴另一端与电机连 接。
5.按照权利要求4所述的水陆空三栖全方位移动机构，其特征在于在所述的法兰盘 和大锥齿轮间的传动轴上设有长键，与离合机构基体上轴孔的键槽相配合。
6.按照权利要求4所述的水陆空三栖全方位移动机构，其特征在于所述锥齿轮传动 系的大锥齿轮和法兰盘的圆周上均开有与离合机构两侧锁定销相配合的圆孔。
7.按照权利要求1所述的水陆空三栖全方位移动机构，其特征在于所述的直升旋翼 机构包括旋翼基座、轴向铰接接头、固定座和至少两片螺旋桨，旋翼基座固定在箱体上，在 其顶端面设有固定座，沿固定座圆周通过螺旋桨铰接接头均勻连接有螺旋桨，在固定座上 连接有与传动机构的输出轴配合连接的轴向铰接接头。
8.按照权利要求7所述的水陆空三栖全方位移动机构，其特征在于所述的螺旋桨铰 接接头包括垂直铰接头和水平铰接头，垂直铰接头为“十”字型结构，水平铰接头截面为一 端开有“U”型口的“Y”型结构，在U型开口的两侧板上对称开有与垂直铰接头相连接配合 的孔。
9.按照权利要求1所述的水陆空三栖全方位移动机构，其特征在于所述的轮系包括 轮毂和至少6个浆叶-辊子组，每组的辊子与浆叶一端通过固定销轴连接在一起，且桨叶另 一端向心均勻分布在轮毂圆周上。
10.按照权利要求1所述的水陆空三栖全方位移动机构，其特征在于所述辊子的轴线 与轮毂轴线间的距离减去轮毂半径所得的差值大于10mm。
全文摘要
一种水陆空三栖全方位移动机构，属于移动机器人工程技术领域。包括箱体、四组轮系及相对于各轮系设置的驱动机构，所述的驱动机构包括置于箱体内的电机、传动机构、离合机构和置于箱体顶端的直升旋翼机构，电机与传动机构连接，传动机构的输出端分别连接轮系和直升旋翼机构，连接有电磁铁的离合机构安装在传动机构上，电磁铁上连接有电源；工作时，离合机构与传动机构的轮系连接端或直升旋翼机构连接端配合连接。本发明适应性强。在使用过程中根据本发明所在的不同环境对应选择不同形式的动力输出，这样使机构能够适应更广泛的环境并在更大的范围内使用。本发明可方便调节运动输出由地面、水面转换成天空，或者由天空转换到地面、水面。
文档编号B60F5/00GK101954844SQ20091001254
公开日2011年1月26日 申请日期2009年7月15日 优先权日2009年7月15日
发明者张国伟, 李志强, 李斌, 王聪, 龚海里 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所