专利名称：具有水陆两栖功能的小型变结构式推进装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可在平坦地面、崎岖陆地、滩涂、水面以及水底等多种水陆环境中行进的小型变结构式推进装置。
背景技术：
水陆两栖机器人能够在水陆两种环境下工作，具有很强的环境适应性以及执行多种任务的能力，具有十分重要的研究意义和应用价值。水陆两栖机器人的研究重点之一在于研制能够集水陆行进功能于一体的推进装置。但是，这方面的研究尚不充分。国内外比较成熟的研究成果主要集中在具有水陆两栖功能的大型装备上，如两栖坦克、两栖汽车等。这些装备的推进系统往往由水陆两种推进装置简单叠加而成，体积大、耗能高、结构复杂、切换繁琐。因此，相关技术很难直接移植应用于小型水陆两栖机器人上。近年来，陆续出现了一些小型化的水陆两栖推进装置方案。例如有的在车轮外侧直接安装桨叶，在陆地上利用车轮行进，在水中利用车轮的转动带动桨叶旋转以实现划水行进; 有的把车轮做成不连续的圆形，中间用桨叶代替车轮的辐条以实现拨水前进；有的把车轮与轴用叶片联接在一起，轴上安装有回转关节，在水面漂浮时回转关节转动90度使桨叶实现螺旋桨的功能推动车体前行，需要多个驱动电机；等等。然而，这些方案存在着一定的不足，主要表现为把水陆两种推进装置简单叠加在一起，存在着体积大、结构复杂、切换繁琐的缺点；驱动元件(如电机)的数量过多，存在着能耗大、控制复杂的缺点；为了兼顾水中行进功能而牺牲了陆地行进能力，例如仅能在平坦地面上行驶，而无法在崎岖陆地和凸凹不平的滩涂上行进，缺乏足够的攀爬和越障能力。针对上述问题，本发明设计了一种新颖的、可变结构的、具有水陆两栖功能的小型推进装置。该推进装置集轮、腿、桨的运动功能于一体，可在平坦地面、崎岖陆地、滩涂、水面以及水底等多种水陆环境中实现行进功能，具有结构小巧、切换迅速、控制简单、耗能低、适应性强等优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有水陆两栖功能的小型可变结构式推进装置，通过主动改变自身结构，能够实现轮、腿、桨的运动功能。在平坦地面上，推进装置提供轮的功能，实现平稳、快速地运动；在崎岖地面、近海滩涂和水底行进时，推进装置提供腿的功能， 实现攀爬和越障功能；在水面漂浮时，推进装置提供桨的功能，划水前进。本发明中的具有水陆两栖功能的小型变结构式推进装置，由行进机构、传动与同步装置、切换装置和固定装置等组成，具体如下固定装置，包括外轴轴承支架5、制动器支架15、电机支架11、离合器支架四、壳体17组成，所有支架均固联在壳体17上。行进机构，包括四个可变轮桨，即左前侧可变轮桨30、左后侧可变轮桨31、右前侧可变轮桨32、右后侧可变轮桨33。两个可变轮桨为一组，两组分别左右对称安装在密闭的壳体17的外部。每个可变轮桨均包括一个内侧轮辐16、一个外侧轮辐20、六个圆弧叶片 1。内侧轮辐16通过螺钉固联在外轴3上，外侧轮辐20通过螺钉固联在内轴2上。每两个圆弧叶片1为一组，二者之间用销钉18联接。每组圆弧叶片的两个自由端分别用销钉18 联接在内侧轮辐16和外侧轮辐20上，从而保证六个圆弧叶片1位于同一个平面，内侧轮辐 16和外侧轮辐20分别位于不同的平面。通过改变内轴2、外轴3的相对转角，即可改变圆弧叶片1的位置姿态，从而实现在不同环境中的行进。例如如图1所示，在平坦地面上， 内侧轮辐16和外侧轮辐20在侧面为重合姿态，使可变轮桨呈轮状；如图2所示，在崎岖地面、近海滩涂或水底潜行时，内侧轮辐16和外侧轮辐20在侧面形成60°夹角，使可变轮桨呈三角形的腿状；如图3所示，在水面漂浮时，内侧轮辐16和外侧轮辐20在侧面形成95° 夹角，使可变轮桨呈桨状。四组切换装置，用于配合行进机构的四个可变轮桨，每组切换装置包括内轴2、 外轴3及与之相配合的离合器6、制动器4等。离合器6与内轴2和外轴3相连。当离合器 6断电时，内轴2和外轴3分开，两轴可以相对转动；当离合器6通电吸合后，将内轴2和外轴3锁死。此时，内侧轮辐16，外侧轮辐20和圆弧叶片1作为一个整体运动。制动器4与外轴3和制动器支架15相连。当制动器4通电制动时，外轴3与制动器支架15锁死；当制动器4断电后，外轴3与制动器支架15分开，外轴3可以自由转动。当内轴2和外轴3相对转动特定角度并锁死后，可使可变轮桨30相应在腿、轮、桨之间变化。两组传动与同步装置，分别对应左右两侧的两个可变轮桨，每组传动与同步装置包括主动齿轮12、从动齿轮7、前侧同步带轮8、后侧同步带轮观和同步齿型带10等组成。 位于前侧的两个内轴2分别有四个键槽，通过平键分别和外侧轮辐20、离合器6、从动齿轮 7和位于前侧的同步带轮8相连。从动齿轮7安装在同步带轮8和离合器6之间。两个伺服电机13的输出轴与主动齿轮12相连，主动齿轮12与从动齿轮7啮合。前侧的两个伺服电机13(图5中仅示出左侧电机)分别直接驱动前侧的两个可变轮桨转动。同时前侧的可变轮桨通过同步齿型带10及前侧同步带轮8将运动传递给后侧同步带轮观，后侧同步带轮 28与位于后侧的内轴21相连，进而带动后侧的两个可变轮桨转动，实现前后一致的转动或变换结构。本发明的一种具有水陆两栖功能的小型变结构式推进装置，其优点在于1.本发明的行进机构，集轮、腿、桨的运动功能于一体，可在平坦地面、崎岖陆地、 滩涂、水面以及水底等多种水陆环境中实现行进功能，具有结构小巧、适应性强的优点。2.本发明的切换装置、传动与同步装置，通过内轴2、外轴3，制动器4、离合器6等的简单组合，即可实现行进机构在轮、腿、桨之间的快速切换，并且通过同步结构巧妙地实现前后两个行进机构同时转动或是改变形状，结构简单紧凑、易于控制。3.本发明的每个推进装置仅需一个驱动电机即可实现改变形状和推进的功能，耗能低、体积小、重量轻。
图1是本发明的推进装置在平坦地面上快速行进时的立体示意图。图2是本发明的推进装置在崎岖陆地、滩涂或水底攀爬、越障时的立体示意图。图3是本发明的推进装置在水面上漂浮划水时的立体示意图。
图4是本发明的推进装置的传动原理简图。图5是本发明的推进装置左侧的详细结构示意图。图6是本发明的可变轮桨的立体示意图。图7是本发明的可变轮桨的侧视图；其中，1为圆弧叶片，2为内轴，3为外轴，4为制动器，5为外轴轴承支架，6为离合器，7为从动齿轮，8为同步带轮，9为内轴轴承，10为同步齿形带，11为电机支架，12为主动齿轮，13为伺服电机，14为内轴轴承，15为制动器支架，16为内侧轮辐，17为壳体，18为销钉，19为外轴密封件，20为外侧轮辐，21为后侧内轴，22为后侧外轴，23为内轴密封件，24 为壳体密封件，25为外轴轴承J6为外轴轴承，27为法兰盘，观为后侧同步带轮，29为离合器支架，30为左前侧可变轮桨，31为左后侧可变轮桨，32为右前侧可变轮桨，33为右后侧可变轮桨，34、35为螺钉。
具体实施例方式如图1至图4所示，整套推进装置为左右对称安装在壳体17内。如图4和图5所示，伺服电机13通过电机支架11固定在壳体17上，内轴2通过内轴轴承9和内轴轴承14，可以与外轴3产生相对转动。外轴3通过外轴轴承25和外轴轴承沈可以与外轴轴承支架5产生相对转动。如图4和图5所示，前侧的内侧轮辐16通过螺钉34固定在外轴3上，外侧轮辐20 通过平键和螺钉35固联在内轴2上。后侧的可变轮桨安装在后侧内轴21和后侧外轴22 的输出端上。后侧内轴21的输入端安装有后侧同步带轮观，通过同步齿形带10，与安装在前侧内轴2上的同步带轮8相连。如图5所示，伺服电机13的输出端安装有主动齿轮12，与其啮合的从动齿轮7安装在外轴3上，离合器6转动的一部分通过法兰27和外轴3连接，另一部分通过平键和内轴2共同转动，静止的部分与离合器支架四相连。制动器4转动部分与外轴3相连，制动部分与制动器支架15相连。如图5所示，外轴3和壳体17接触的位置上安装有外轴密封件19，内轴2和外轴 3之间有内轴密封件23。壳体上还安装有壳体密封件M。如图6和图7所示，每个可变轮桨均包括一个内侧轮辐16、一个外侧轮辐20、六个圆弧叶片1。内侧轮辐16和外侧轮辐20分别通过螺钉34和螺钉35固联在外轴3和内轴 2上。每两个圆弧叶片1为一组，二者之间用销钉18联接。每组圆弧叶片的两个自由端分别用销钉18联接在内侧轮辐16和外侧轮辐20上。从而保证六个圆弧叶片1位于同一个平面，内侧轮辐16和外侧轮辐20分别位于不同的平面。本发明的具有水陆两栖功能的小型变结构式推进装置的操作过程如下1.当行进环境为平坦地面时，前、后侧切换装置的离合器6通电吸合把内轴2和外轴3锁死，此时安装在内侧轮辐16和外侧轮辐20上的六个圆弧叶片1组成一个整圆周的轮形；前、后侧切换装置的制动器4断电，前侧外轴3和后侧外轴22和与外轴轴承支架5 固联不转动的制动器部分分开；伺服电机13通过主动齿轮12、从动齿轮7传动，将动力传给前侧行进机构。前侧行进机构通过同步齿形带10带动后侧行进机构一起运动。此时，整个推进装置以轮的方式运动。通过左右侧伺服电机13的正反向运转、差速运转可以实现机器人在平坦地面上的前进、后退、转弯等运动。2.当行进环境由平坦地面变为水面漂浮时，前、后侧切换装置的离合器6断电，内轴2和外轴3分开；前、后侧切换装置的制动器4通电，把外轴3与制动器支架15锁死；伺服电机13通过主动齿轮12、从动齿轮7传动，带动前侧的内轴2相对于外轴3发生转动； 同时，利用内轴2上的同步齿形带，带动后侧的内轴21也相对于外轴22发生转动；此时， 前、后侧可变轮桨的形状一起发生改变。当内轴2和外轴3相对转动95度时，可变轮桨改变到规定的形状，伺服电机13停止转动；然后，前、后侧切换装置的离合器6通电，则前、后侧的内轴与外轴均锁死；接着，前、后侧的制动器4断电，前、后侧的外轴与制动器支架15分开；此时，形状改变完毕。然后，伺服电机13通过齿轮传动，将动力传递给前侧行进机构； 前侧行进机构通过同步齿形带10带动后侧行进机构一起运动。这时，可变轮桨以桨的方式运动。通过左右侧伺服电机13的正反向运转、差速运转可以实现机器人在水面漂浮时的前进、后退、转弯等运动。3.当行进环境由水面漂浮变为崎岖陆地、滩涂或水底时，前、后侧切换装置的离合器6断电，内轴2和外轴3分开；前、后侧切换装置的制动器4通电，把外轴3与制动器支架 15锁死；伺服电机13通过主动齿轮12、从动齿轮7传动，带动前侧的内轴2相对于外轴3发生转动；同时，利用内轴2上的同步齿形带，带动后侧内轴21也相对于外轴22发生转动；此时，前、后侧可变轮桨的形状一起发生改变。当内轴2和外轴3相对转动60度时，可变轮桨改变到规定的形状，伺服电机13停止转动；然后，前、后侧切换装置的离合器6通电，则前、 后侧的内轴与外轴均锁死；接着，前、后侧的制动器4断电，前、后侧的外轴与制动器支架15 分开；此时，形状改变完毕。然后，伺服电机13通过齿轮传动，将动力传递给前侧行进机构； 前侧行进机构通过同步齿形带10带动后侧行进机构一起运动。这时，可变轮桨以腿的方式运动。通过左右侧伺服电机13的正反向运转、差速运转可以实现机器人的攀爬和越障等运动。
权利要求
1.一种具有水陆两栖功能的小型变结构式推进装置，包括进机构、传动与同步装置、切换装置和固定装置，其特征在于具体结构如下固定装置，包括外轴轴承支架(5)、制动器支架(1 、电机支架(11)、离合器支架 ( )、壳体(17)组成，所有支架均固联在壳体(17)上；行进机构，包括四个可变轮桨，即左前侧可变轮桨(30)、左后侧可变轮桨(31)、右前侧可变轮桨(32)、右后侧可变轮桨(3 ；两个可变轮桨为一组，两组分别左右对称安装在密闭的壳体(17)的外部；每个可变轮桨均包括一个内侧轮辐(16)、一个外侧轮辐(20)、六个圆弧叶片(1)；内侧轮辐(16)通过螺钉固联在外轴C3)上，外侧轮辐00)通过螺钉固联在内轴(2)上；每两个圆弧叶片(1)为一组，二者之间用销钉(18)联接；每组圆弧叶片的两个自由端分别用销钉(18)联接在内侧轮辐(16)和外侧轮辐00)上，从而保证六个圆弧叶片(1)位于同一个平面，内侧轮辐(16)和外侧轮辐00)分别位于不同的平面；四组切换装置，用于配合行进机构的四个可变轮桨，每组切换装置包括内轴O)、外轴⑶及与之相配合的离合器(6)、制动器(4)；离合器(6)与内轴⑵和外轴(3)相连；制动器(4)与外轴(3)和制动器支架(15)相连；两组传动与同步装置，每组传动与同步装置包括主动齿轮(12)、从动齿轮(7)、前侧同步带轮(8)、后侧同步带轮08)和同步齿型带(10)；位于前侧的两个内轴( 分别有四个键槽，通过平键分别和外侧轮辐(20)、离合器(6)、从动齿轮(7)和位于前侧的同步带轮 ⑶相连；从动齿轮(7)安装在同步带轮⑶和离合器(6)之间；两个伺服电机(13)的输出轴与主动齿轮(1 相连，主动齿轮(1 与从动齿轮(7)啮合；两个伺服电机(1 分别直接驱动前侧的两个可变轮桨转动；同时前侧的可变轮桨通过同步齿型带(10)及前侧同步带轮(8)将运动传递给后侧同步带轮(观)，后侧同步带轮08)与位于后侧的内轴相连，进而带动后侧可变轮桨转动，实现前后一致的转动或变换结构。
2.根据权利要求1中所述的具有水陆两栖功能的小型变结构式推进装置，其特征在于在平坦地面上，内侧轮辐(16)和外侧轮辐OO)在侧面为重合姿态，使可变轮桨(30) 呈轮状；在崎岖地面、近海滩涂或水底潜行时，内侧轮辐(16)和外侧轮辐OO)在侧面形成60°夹角，使可变轮桨(30)呈三角形的腿状；在水面漂浮时，内侧轮辐(16)和外侧轮辐 (20)在侧面形成95°夹角，使可变轮桨(30)呈桨状。
全文摘要
本发明一种具有水陆两栖功能的小型可变结构式推进装置，可在平坦地面、崎岖陆地、滩涂、水面以及水底等多种水陆环境中实现行进功能。其包括进机构、传动与同步装置、切换装置和固定装置，具体结构如下固定装置，包括外轴轴承支架、制动器支架、电机支架、离合器支架、壳体组成，所有支架均固联在壳体上；行进机构，包括四个可变轮桨，四组切换装置，用于配合行进机构的四个可变轮桨。该装置仅使用一台伺服电机并且无需更换任何零部件即可实现行进机构在轮、腿、桨之间的切换以及前进、后退、转弯等功能。通过同步装置还可实现前后行进机构的同步形状变化以及运动。该推进装置结构小巧、切换迅速、控制简单、耗能低、适应性强。
文档编号B60F3/00GK102303492SQ20111026380
公开日2012年1月4日 申请日期2011年9月7日 优先权日2011年9月7日
发明者单博, 边宇枢, 高志慧 申请人:北京航空航天大学