一种组合式全方位移动履带行走机构及其平台的制作方法

本发明属于移动机械装置技术领域，具体涉及一种组合式全方位移动履带行走机构及其平台。

背景技术：

全方位移动是指在地面上的3自由度运动，即包括纵向运动、横向运动、中心转向以及上述运动的任意复合运动。因此，全方位移动平台具有高度灵活的运动性能，非常适用于空间狭窄、精确定位以及对移动性能要求高的场合。全方位移动平台的核心技术是其行走机构，目前国内外已经研制出多种可实现全方位移动的行走机构，按照结构大体可划分为两类：轮式和履带式全方位行走机构。

国内外早期重点是对轮式全方位行走机构及其平台进行研究，已设计出多种轮式全方位行走机构，主要包括Mecanum wheel(麦克纳姆轮)、Ball wheel(球轮)、Transwheel轮、Alternate wheel连续切换轮)、Orthogonal wheel(正交轮)和Active casterwheel(主动脚轮/万向轮)等，由于轮式全方位移动机构在结构上的共同特点：刚性且接地面积小，路面适应能力差是目前轮式全方位移动平台在工程应用中面临的主要难题。然而，实际路面多为非结构化路面，由平坦路面、斜坡、障碍、壕沟、浅坑等组成，因此轮式全方位移动平台在工程应用中具有很大的局限性。

研究履带式全方位移动平台的目的是结合传统履带式移动平台的性能优点，解决轮式全方位移动平台存在的问题。其意义不仅在于可以克服轮式全方位移动平台在工程应用中的局限性，提高全方位移动平台的实用性，进而拓展其应用领域，还能给传统履带式移动平台的运动模式带来新的变革，对改善其转向性能也具有重要的意义。

发明专利“全方位移动履带”(申请号为201210347201.X)和“履带式全方位移动平台”(申请号为201210347188.8)公开了一种新的履带式全方位移动平台。该全方位移动履带主要由主动轮、履带板、辊子、负重轮、拖带轮和诱导轮等六部分组成，其结构示意图如图1所示。辊子中心轴线与主动轮中心轴线形成一定的偏置角，偏置角范围(-90°，0°)或(0°，90°)，优选±45°。该履带式全方位移动平台的移动机构由多条全方位移动履带构成。要实现平台的全方位运动，一般需要三条或三条以上的全方位移动履带。履带式全方位移动平台通常采用四条全方位移动履带且履带组布局为纵向对称结构，其结构示意图如图2所示。图2中小矩形框代表全方位移动履带，框中一连串的斜线则表示履带上一连串接地辊子的轴线方向,四条虚线则表示主动轮的轴线方向。由于“全方位移动履带”的特殊结构，平台上的履带需要采取正反两种安装方式，所以平台上的辊子偏置角有两种,通常为±45°。图2中1和3号履带的辊子偏置角相同，而2和4号的辊子偏置角则刚好相反。

上述履带式全方位移动平台，虽然具备全方位运动性能且具备良好的越野性能，但是其仍存在一些的缺点：(1)平台采用四条履带纵向对称布局结构，相比传统的履带式移动平台，其总体尺寸会相对增大，因此不太适用于轻型或尺寸较小的移动平台；(2)相对传统的履带式移动平台，在同等总体尺寸条件下，上述平台的履带接地段长度会减小，从而导致其接地面积减小，特别在重载条件下影响明显；(3)由于同侧的前、后履带之间具有一定的间隔，所以当平台越垂直墙和断崖等障碍时，障碍很容易卡在前后履带的间隔中，很可能导致平台无法通过障碍。

Hybrid Tack(混合履带)是由美国南佛罗里达大学Nitin Chhabra和Stuart Wilkison在发明专利(US6179073)中所提出的。混合履带的结构原理图如图3所示，它由两条子履带组合而成，每条子履带具有与传统履带相似的结构，其主要区别在于履带的接地部分为滚轮，滚轮通过滚轮支架固定于履带板上，并可自由转动。两条子履带上的滚轮具有两种不同的偏置角，并且两种偏置角相互对称，故称之为混合履带。其中，滚轮偏置角范围在30°～60°之间。

混合履带虽然在专利文件中有出现，但是目前还未查阅到与其相关的文献、试验平台以及应用方面的资料。混合履带存在一些的缺点：(1)混合履带的滚轮是利用U型支架进行两端固定，这样容易导致U型支架与路面发生磕碰，尤其是在复杂不平路面运动时，从而影响平台的运动效果；(2)混合履带中电机与驱动轮之间的动力传动采用了涡轮蜗杆机构，由于涡轮蜗杆传动存在效率低和磨损大等缺点，所以相比同步带或齿轮传动，平台的运动性能会有所降低。另外，由于涡轮蜗杆机构具有自锁性，所以当涡轮蜗杆机构自锁后(即蜗杆只能带动涡轮传动，而涡轮不能带动蜗杆传动)，平台将处于自我制动状态。

技术实现要素：

为了解决现有履带式移动平台尺寸偏大，不适用于小型移动机器人、履带接地段长度有限、越障能力受限，以及为了解决混合履带U型支架易于路面发生磕碰，涡轮蜗杆传动效率低，磨损大、运动性能差的问题，本发明提供了一种组合式全方位移动履带行走机构及其平台。

本发明提供一种组合式全方位移动履带行走机构及其平台，包括履带组、驱动轮组、主支架、诱导轮组、涨紧机构、负重轮组和托带轮组。所述履带组由两条独立的沿所述履带组的中心轴线呈纵向对称布置的外侧子履带和内侧子履带构成，所述外侧子履带和内侧子履带由若干履带板通过销轴铰接而成，在所述每个履带板上设计有滚轮支架，在所述滚轮支架上安装有两个可自由转动的圆柱形滚轮，所述两个滚轮分别安装于所述滚轮支架的两侧。

所述每个履带板还包括两个“Z”形连接块、销轴以及轴套，所述两个“Z”形连接块平行设置且分别通过螺栓与所述滚轮支架相连，所述每个“Z”形连接块的两端设有销孔，所述销孔的轴线与所述滚轮支架上的滚轮安装孔轴线构成一定的夹角，形成为偏置角α。

所述两个滚轮外侧端面之间的距离l与履带板节距p的关系式如下：

所述外侧子履带和内侧子履带的偏置角大小相等，方向相反，所述两条子履带的偏置角优选为±45°。

所述驱动轮组包括两个独立的内侧驱动轮和外侧驱动轮，所述内侧驱动轮和外侧驱动轮同轴布置，所述内侧驱动轮和外侧驱动轮的齿圈分别与所述内侧子履带和外侧子履带上的轴套相啮合，以实现内侧子履带和外侧子履带的独立运动。

本发明还提供了一种基于组合式全方位移动履带行走机构的移动平台,包括行走机构、车体和电驱动系统，其中所述行走机构由两个上述组合式全方位移动履带行走机构构成，所述两个组合式全方位移动履带行走机构以纵向对称结构排布在所述车体两侧，所述电驱动系统通过4套同步带传动机构作用于车体两侧的内侧子履带和外侧子履带，以实现车体两侧的内侧子履带和外侧子履带的独立驱动。

所述车体两侧的两条内侧子履带的偏置角相同且所述车体两侧的两条外侧子履带的偏置角相同。

所述车体两侧的两条内侧子履带的偏置角相反且所述车体两侧的两条外侧子履带的偏置角相反。

所述外侧子履带中心轴线与所述内侧子履带中心轴线之间的距离小于所述外侧子履带中心轴线与所述车体中心轴线之间距离的1/2。

本发明带来的有益效果：(1)本发明可以适用于小型移动机器人，可以有效解决履带式移动平台总体尺寸偏大，不适用于小型移动机器人的问题；(2)在同等平台总体尺寸下，本发明的技术方案比履带式移动平台中履带的接地面积大，从而减小平台对地压强，对于重载平台，影响更加显著；(3)本发明不存在履带式移动平台中同侧前、后履带机构之间存在间隔从而影响越障性能的问题，进一步提高了全方位移动平台的越野性能；(4)本发明的技术方案跟大多传统履带式移动平台(车辆)具有相同的行走机构布局结构，因此可以快速地在传统履带式移动平台上进行推广应用。

附图说明

图1是现有技术的全方向移动履带结构示意图；

图2是现有技术的履带式全方位移动平台结构示意图；

图3是现有技术的混合履带结构示意图；

图4是根据本发明实施例的组合式全方位移动履带行走机构结构示意图；

图5是根据本发明实施例的履带组结构示意图；

图6是根据本发明实施例的子履带结构示意图；

图7是根据本发明实施例的履带板结构图；

图8是根据本发明实施例的两滚轮外侧端面之间的距离和履带板节距示意图；

图9是根据本发明实施例的驱动轮组结构图；

图10是根据本发明实施例的主支架结构图；

图11是根据本发明实施例的诱导轮组及涨紧机构结构图；

图12是根据本发明实施例的负重轮组结构示意图；

图13是根据本发明实施例的托带轮组结构示意图；

图14是根据本发明实施例的基于组合式全方位移动履带行走机构的移动平台总体结构组成图；

图15是根据本发明实施例的基于组合式全方位移动履带行走机构的移动平台履带组布局结构示意图(同向型布置)；

图16是根据本发明实施例的基于组合式全方位移动履带行走机构的移动平台履带组布局结构示意图(镜向型布置)。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步地详细说明。

本发明提出了一种组合式全方位移动履带行走机构，其结构示意图如图4所示。包括履带组1、驱动轮组2、主支架3、诱导轮组4、涨紧机构5、负重轮组6和托带轮组7。所述履带组1由两条独立的沿所述履带组1的中心轴线呈纵向对称布置的外侧子履带8和内侧子履带9构成，所述外侧子履带8和内侧子履带9由若干履带板10通过销轴16铰接而成，在所述每个履带板10上安装有滚轮支架12，在所述滚轮支架12上安装有两个可自由转动的圆柱形滚轮13，所述两个滚轮13分别安装于所述滚轮支架12的两侧。

(1)履带组结构

履带组结构包括外侧子履带8和内侧子履带9两条子履带，并且它们沿行走机构中心轴线15呈纵向对称布置，如图5所示。

每条外侧子履带8和内侧子履带9则主要是由若干带支架履带板10通过销轴铰接而成，并且在每个履带板10上安装有一对可自由转动的圆柱形滚轮13，子履带的结构如图6所示。

如图7所示，每个带支架履带板10则包括有两个Z形连接块14，1个滚轮支架12、销轴16以及轴套17。其中，所述两个“Z”形连接块14平行设置且分别通过螺栓18与所述滚轮支架12相连，所述每个“Z”形连接块14的两端设有销孔，所述销孔的轴线41与所述滚轮支架上的滚轮安装孔轴线11构成一定的夹角，即定义为偏置角α。偏置角可设计在0°～90°之间，且不可为0°或90°，最优为45°。由于外侧子履带8和内侧子履带9呈纵向对称布置，因此一个组合式全方位移动履带行走机构上同时具有正反两种偏置角，所述外侧子履带和内侧子履带的偏置角大小相同，方向相反。

图8是根据本发明实施例的两滚轮外侧端面之间的距离和履带板节距示意图，两个滚轮13采用中间固定的方式，分别固定于滚轮支架12两侧，这样可以减轻滚轮支架12与地面的磕碰，另外，还为了避免出现滚轮“磕地”而产生振动，两个滚轮13外侧端面之间的距离l与履带板节距p的关系式为例如偏置角为45°时，即为

(2)驱动轮组结构

如图9所示，驱动轮组2主要包括：外侧驱动轮19、内侧驱动轮20、内侧驱动轴21、外侧驱动轴22和固定支座23。本发明中两个驱动轮采用同轴布置方案，外侧驱动轮19与外侧驱动轴22相连，内侧驱动轮20则与内侧驱动轴21相连，再通过固定支座23与车体连接。其中，内侧驱动轴21为中空轴，外侧驱动轴22则穿过于内侧驱动轴内。

内、外侧驱动轴分别与不同的电机连接，即可实现两个驱动轮的独立驱动。同时，内、外侧驱动轮的齿圈分别与两条子履带上的轴套17相啮合，即可实现内、外侧子履带的独立运动。

(3)主支架结构

主支架3的结构如图10所示，它主要用于固定诱导轮组、负重轮组、拖带轮组和涨紧机构，并且通过连接块与车体相连。

(4)诱导轮组及涨紧机构结构

诱导轮组4及涨紧机构5的结构如图11所示。诱导轮组4主要包括外侧诱导轮24和内侧诱导轮25，分别作用于外侧子履带和内侧子履带。涨紧机构主要包括涨紧螺杆26、锁紧螺母27和滑块28，内、外侧诱导轮均固定于滑块28上，滑块28可以沿主支架上的槽轨29来回滑动，从而可以通过调节涨紧螺杆26作用于滑块28实现两条子履带同时进行涨紧，保证两条子履带的松紧程度的一致。

(5)负重轮组结构

负重轮组6主要起到支承车体的作用，本发明中共设计有四个负重轮组6，负重轮组6的数量可以根据实际情况进行调整。每个负重轮组中包括有内侧负重轮30和外侧负重轮31，它们同轴安装于主支架3上，并分别行驶在外侧子履带8和内侧子履带9上，如图12所示。

另外，当根据需求，需要增加悬挂装置时，为了保证每条子履带的独立性，负重轮组中的内侧、外侧负重轮可以独立安装，不必同轴安装。

(6)托带轮组结构

托带轮组7主要起到支撑履带作用，防止履带下垂，从而影响行走机构的行驶。本发明中共设计有四个托带轮组7，托带轮组7的数量也可以根据实际情况进行调整。每个托带轮组7中也包括有内侧托带轮32和外侧托带轮33，它们同轴安装于主支架3上，如图13所示。

本发明还提供了一种基于组合式全方位移动履带行走机构的移动平台，其总体结构如图14所示。

所述基于组合式全方位移动履带行走机构的移动平台包括行走机构、车体和电驱动系统，其中所述行走机构由两个上述组合式全方位移动履带行走机构构成，所述两个组合式全方位移动履带行走机构以纵向对称结构排布在所述车体两侧，所述每个组合式全方位移动履带行走机构的内侧子履带和外侧子履带具有相反的偏置角。所述电驱动系统，主要包括运动控制器、动力电池组以及4套独立的减速器、电机和电机驱动器，所述电驱动系统通过4套同步带传动机构作用于车体两侧的内侧子履带和外侧子履带，以实现车体两侧的内侧子履带和外侧子履带的独立驱动。进一步来说，所述4套同步带传动机构包括2套外侧同步带传动机构34和2套内侧同步带传动机构35，外侧同步带传动机构34与外侧传动轴36连接并通过外侧传动轴36作用于外侧子履带8，内侧同步带传动机构35与内侧传动轴37连接并通过内侧传动轴37作用于内侧子履带9。

两个组合式全方位移动履带行走机构，还可以采用两种布置方式，如图15、16所示。两图中，每个虚线框均表示每个子履带的接地段，框中短实线表示履带上接地滚轮的轴线。图15中车体两侧的两条内侧子履带的偏置角相反且所述车体两侧的两条外侧子履带的偏置角相反，两侧行走机构上的滚轮偏置方向完全相同，则为同向型布置。图16中，车体两侧的两条内侧子履带的偏置角相同且所述车体两侧的两条外侧子履带的偏置角相同，则为镜向型布置。采用上述两种布置方式，平台均可以实现全方位移动。

在本实施例中，外侧子履带中心轴线38与内侧子履带中心轴线39之间的距离小于外侧子履带中心轴线38与车体中心轴线40之间距离的1/2，并且外侧子履带中心轴线38与内侧子履带中心轴线39之间的距离越小则越有利于平台的转向性能。

综上所述，本发明提供的一种基于组合式全方位移动履带行走机构及其平台，通过优化履带组、驱动轮组、平台的总体结构以及优化车体两侧行走机构的布置方式，使得本发明的组合式全方位移动履带行走机构与前述现有技术的移动履带相比具有如下优点：(1)本发明可以适用于小型移动机器人，可以有效解决履带式移动平台总体尺寸偏大，不适用于小型移动机器人的问题；(2)在同等平台总体尺寸下，本发明的技术方案比履带式移动平台中履带的接地面积大，从而减小平台对地压强，对于重载平台，影响更加显著；(3)本发明不存在履带式移动平台中同侧前、后履带机构之间存在间隔从而影响越障性能的问题，进一步提高了全方位移动平台的越野性能；(4)本发明的技术方案跟大多传统履带式移动平台(车辆)具有相同的行走机构布局结构，因此可以快速地在传统履带式移动平台上进行推广应用。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。