專利名稱：具有水陸兩棲功能的小型變結(jié)構(gòu)式推進裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可在平坦地面、崎嶇陸地、灘涂、水面以及水底等多種水陸環(huán)境中行進的小型變結(jié)構(gòu)式推進裝置。
背景技術(shù)：
水陸兩棲機器人能夠在水陸兩種環(huán)境下工作，具有很強的環(huán)境適應(yīng)性以及執(zhí)行多種任務(wù)的能力，具有十分重要的研究意義和應(yīng)用價值。水陸兩棲機器人的研究重點之一在于研制能夠集水陸行進功能于一體的推進裝置。但是，這方面的研究尚不充分。國內(nèi)外比較成熟的研究成果主要集中在具有水陸兩棲功能的大型裝備上，如兩棲坦克、兩棲汽車等。這些裝備的推進系統(tǒng)往往由水陸兩種推進裝置簡單疊加而成，體積大、耗能高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、切換繁瑣。因此，相關(guān)技術(shù)很難直接移植應(yīng)用于小型水陸兩棲機器人上。近年來，陸續(xù)出現(xiàn)了一些小型化的水陸兩棲推進裝置方案。例如有的在車輪外側(cè)直接安裝槳葉，在陸地上利用車輪行進，在水中利用車輪的轉(zhuǎn)動帶動槳葉旋轉(zhuǎn)以實現(xiàn)劃水行進; 有的把車輪做成不連續(xù)的圓形，中間用槳葉代替車輪的輻條以實現(xiàn)撥水前進；有的把車輪與軸用葉片聯(lián)接在一起，軸上安裝有回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，在水面漂浮時回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動90度使槳葉實現(xiàn)螺旋槳的功能推動車體前行，需要多個驅(qū)動電機；等等。然而，這些方案存在著一定的不足，主要表現(xiàn)為把水陸兩種推進裝置簡單疊加在一起，存在著體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、切換繁瑣的缺點；驅(qū)動元件(如電機)的數(shù)量過多，存在著能耗大、控制復(fù)雜的缺點；為了兼顧水中行進功能而犧牲了陸地行進能力，例如僅能在平坦地面上行駛，而無法在崎嶇陸地和凸凹不平的灘涂上行進，缺乏足夠的攀爬和越障能力。針對上述問題，本發(fā)明設(shè)計了一種新穎的、可變結(jié)構(gòu)的、具有水陸兩棲功能的小型推進裝置。該推進裝置集輪、腿、槳的運動功能于一體，可在平坦地面、崎嶇陸地、灘涂、水面以及水底等多種水陸環(huán)境中實現(xiàn)行進功能，具有結(jié)構(gòu)小巧、切換迅速、控制簡單、耗能低、適應(yīng)性強等優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有水陸兩棲功能的小型可變結(jié)構(gòu)式推進裝置，通過主動改變自身結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)輪、腿、槳的運動功能。在平坦地面上，推進裝置提供輪的功能，實現(xiàn)平穩(wěn)、快速地運動；在崎嶇地面、近海灘涂和水底行進時，推進裝置提供腿的功能， 實現(xiàn)攀爬和越障功能；在水面漂浮時，推進裝置提供槳的功能，劃水前進。本發(fā)明中的具有水陸兩棲功能的小型變結(jié)構(gòu)式推進裝置，由行進機構(gòu)、傳動與同步裝置、切換裝置和固定裝置等組成，具體如下固定裝置，包括外軸軸承支架5、制動器支架15、電機支架11、離合器支架四、殼體17組成，所有支架均固聯(lián)在殼體17上。行進機構(gòu)，包括四個可變輪槳，即左前側(cè)可變輪槳30、左后側(cè)可變輪槳31、右前側(cè)可變輪槳32、右后側(cè)可變輪槳33。兩個可變輪槳為一組，兩組分別左右對稱安裝在密閉的殼體17的外部。每個可變輪槳均包括一個內(nèi)側(cè)輪輻16、一個外側(cè)輪輻20、六個圓弧葉片 1。內(nèi)側(cè)輪輻16通過螺釘固聯(lián)在外軸3上，外側(cè)輪輻20通過螺釘固聯(lián)在內(nèi)軸2上。每兩個圓弧葉片1為一組，二者之間用銷釘18聯(lián)接。每組圓弧葉片的兩個自由端分別用銷釘18 聯(lián)接在內(nèi)側(cè)輪輻16和外側(cè)輪輻20上，從而保證六個圓弧葉片1位于同一個平面，內(nèi)側(cè)輪輻 16和外側(cè)輪輻20分別位于不同的平面。通過改變內(nèi)軸2、外軸3的相對轉(zhuǎn)角，即可改變圓弧葉片1的位置姿態(tài)，從而實現(xiàn)在不同環(huán)境中的行進。例如如圖1所示，在平坦地面上， 內(nèi)側(cè)輪輻16和外側(cè)輪輻20在側(cè)面為重合姿態(tài)，使可變輪槳呈輪狀；如圖2所示，在崎嶇地面、近海灘涂或水底潛行時，內(nèi)側(cè)輪輻16和外側(cè)輪輻20在側(cè)面形成60°夾角，使可變輪槳呈三角形的腿狀；如圖3所示，在水面漂浮時，內(nèi)側(cè)輪輻16和外側(cè)輪輻20在側(cè)面形成95° 夾角，使可變輪槳呈槳狀。四組切換裝置，用于配合行進機構(gòu)的四個可變輪槳，每組切換裝置包括內(nèi)軸2、 外軸3及與之相配合的離合器6、制動器4等。離合器6與內(nèi)軸2和外軸3相連。當(dāng)離合器 6斷電時，內(nèi)軸2和外軸3分開，兩軸可以相對轉(zhuǎn)動；當(dāng)離合器6通電吸合后，將內(nèi)軸2和外軸3鎖死。此時，內(nèi)側(cè)輪輻16，外側(cè)輪輻20和圓弧葉片1作為一個整體運動。制動器4與外軸3和制動器支架15相連。當(dāng)制動器4通電制動時，外軸3與制動器支架15鎖死；當(dāng)制動器4斷電后，外軸3與制動器支架15分開，外軸3可以自由轉(zhuǎn)動。當(dāng)內(nèi)軸2和外軸3相對轉(zhuǎn)動特定角度并鎖死后，可使可變輪槳30相應(yīng)在腿、輪、槳之間變化。兩組傳動與同步裝置，分別對應(yīng)左右兩側(cè)的兩個可變輪槳，每組傳動與同步裝置包括主動齒輪12、從動齒輪7、前側(cè)同步帶輪8、后側(cè)同步帶輪觀和同步齒型帶10等組成。 位于前側(cè)的兩個內(nèi)軸2分別有四個鍵槽，通過平鍵分別和外側(cè)輪輻20、離合器6、從動齒輪 7和位于前側(cè)的同步帶輪8相連。從動齒輪7安裝在同步帶輪8和離合器6之間。兩個伺服電機13的輸出軸與主動齒輪12相連，主動齒輪12與從動齒輪7嚙合。前側(cè)的兩個伺服電機13(圖5中僅示出左側(cè)電機)分別直接驅(qū)動前側(cè)的兩個可變輪槳轉(zhuǎn)動。同時前側(cè)的可變輪槳通過同步齒型帶10及前側(cè)同步帶輪8將運動傳遞給后側(cè)同步帶輪觀，后側(cè)同步帶輪 28與位于后側(cè)的內(nèi)軸21相連，進而帶動后側(cè)的兩個可變輪槳轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)前后一致的轉(zhuǎn)動或變換結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的一種具有水陸兩棲功能的小型變結(jié)構(gòu)式推進裝置，其優(yōu)點在于1.本發(fā)明的行進機構(gòu)，集輪、腿、槳的運動功能于一體，可在平坦地面、崎嶇陸地、 灘涂、水面以及水底等多種水陸環(huán)境中實現(xiàn)行進功能，具有結(jié)構(gòu)小巧、適應(yīng)性強的優(yōu)點。2.本發(fā)明的切換裝置、傳動與同步裝置，通過內(nèi)軸2、外軸3，制動器4、離合器6等的簡單組合，即可實現(xiàn)行進機構(gòu)在輪、腿、槳之間的快速切換，并且通過同步結(jié)構(gòu)巧妙地實現(xiàn)前后兩個行進機構(gòu)同時轉(zhuǎn)動或是改變形狀，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、易于控制。3.本發(fā)明的每個推進裝置僅需一個驅(qū)動電機即可實現(xiàn)改變形狀和推進的功能，耗能低、體積小、重量輕。


圖1是本發(fā)明的推進裝置在平坦地面上快速行進時的立體示意圖。圖2是本發(fā)明的推進裝置在崎嶇陸地、灘涂或水底攀爬、越障時的立體示意圖。圖3是本發(fā)明的推進裝置在水面上漂浮劃水時的立體示意圖。
圖4是本發(fā)明的推進裝置的傳動原理簡圖。圖5是本發(fā)明的推進裝置左側(cè)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是本發(fā)明的可變輪槳的立體示意圖。圖7是本發(fā)明的可變輪槳的側(cè)視圖；其中，1為圓弧葉片，2為內(nèi)軸，3為外軸，4為制動器，5為外軸軸承支架，6為離合器，7為從動齒輪，8為同步帶輪，9為內(nèi)軸軸承，10為同步齒形帶，11為電機支架，12為主動齒輪，13為伺服電機，14為內(nèi)軸軸承，15為制動器支架，16為內(nèi)側(cè)輪輻，17為殼體，18為銷釘，19為外軸密封件，20為外側(cè)輪輻，21為后側(cè)內(nèi)軸，22為后側(cè)外軸，23為內(nèi)軸密封件，24 為殼體密封件，25為外軸軸承J6為外軸軸承，27為法蘭盤，觀為后側(cè)同步帶輪，29為離合器支架，30為左前側(cè)可變輪槳，31為左后側(cè)可變輪槳，32為右前側(cè)可變輪槳，33為右后側(cè)可變輪槳，34、35為螺釘。
具體實施例方式如圖1至圖4所示，整套推進裝置為左右對稱安裝在殼體17內(nèi)。如圖4和圖5所示，伺服電機13通過電機支架11固定在殼體17上，內(nèi)軸2通過內(nèi)軸軸承9和內(nèi)軸軸承14，可以與外軸3產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動。外軸3通過外軸軸承25和外軸軸承沈可以與外軸軸承支架5產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動。如圖4和圖5所示，前側(cè)的內(nèi)側(cè)輪輻16通過螺釘34固定在外軸3上，外側(cè)輪輻20 通過平鍵和螺釘35固聯(lián)在內(nèi)軸2上。后側(cè)的可變輪槳安裝在后側(cè)內(nèi)軸21和后側(cè)外軸22 的輸出端上。后側(cè)內(nèi)軸21的輸入端安裝有后側(cè)同步帶輪觀，通過同步齒形帶10，與安裝在前側(cè)內(nèi)軸2上的同步帶輪8相連。如圖5所示，伺服電機13的輸出端安裝有主動齒輪12，與其嚙合的從動齒輪7安裝在外軸3上，離合器6轉(zhuǎn)動的一部分通過法蘭27和外軸3連接，另一部分通過平鍵和內(nèi)軸2共同轉(zhuǎn)動，靜止的部分與離合器支架四相連。制動器4轉(zhuǎn)動部分與外軸3相連，制動部分與制動器支架15相連。如圖5所示，外軸3和殼體17接觸的位置上安裝有外軸密封件19，內(nèi)軸2和外軸 3之間有內(nèi)軸密封件23。殼體上還安裝有殼體密封件M。如圖6和圖7所示，每個可變輪槳均包括一個內(nèi)側(cè)輪輻16、一個外側(cè)輪輻20、六個圓弧葉片1。內(nèi)側(cè)輪輻16和外側(cè)輪輻20分別通過螺釘34和螺釘35固聯(lián)在外軸3和內(nèi)軸 2上。每兩個圓弧葉片1為一組，二者之間用銷釘18聯(lián)接。每組圓弧葉片的兩個自由端分別用銷釘18聯(lián)接在內(nèi)側(cè)輪輻16和外側(cè)輪輻20上。從而保證六個圓弧葉片1位于同一個平面，內(nèi)側(cè)輪輻16和外側(cè)輪輻20分別位于不同的平面。本發(fā)明的具有水陸兩棲功能的小型變結(jié)構(gòu)式推進裝置的操作過程如下1.當(dāng)行進環(huán)境為平坦地面時，前、后側(cè)切換裝置的離合器6通電吸合把內(nèi)軸2和外軸3鎖死，此時安裝在內(nèi)側(cè)輪輻16和外側(cè)輪輻20上的六個圓弧葉片1組成一個整圓周的輪形；前、后側(cè)切換裝置的制動器4斷電，前側(cè)外軸3和后側(cè)外軸22和與外軸軸承支架5 固聯(lián)不轉(zhuǎn)動的制動器部分分開；伺服電機13通過主動齒輪12、從動齒輪7傳動，將動力傳給前側(cè)行進機構(gòu)。前側(cè)行進機構(gòu)通過同步齒形帶10帶動后側(cè)行進機構(gòu)一起運動。此時，整個推進裝置以輪的方式運動。通過左右側(cè)伺服電機13的正反向運轉(zhuǎn)、差速運轉(zhuǎn)可以實現(xiàn)機器人在平坦地面上的前進、后退、轉(zhuǎn)彎等運動。2.當(dāng)行進環(huán)境由平坦地面變?yōu)樗嫫r，前、后側(cè)切換裝置的離合器6斷電，內(nèi)軸2和外軸3分開；前、后側(cè)切換裝置的制動器4通電，把外軸3與制動器支架15鎖死；伺服電機13通過主動齒輪12、從動齒輪7傳動，帶動前側(cè)的內(nèi)軸2相對于外軸3發(fā)生轉(zhuǎn)動； 同時，利用內(nèi)軸2上的同步齒形帶，帶動后側(cè)的內(nèi)軸21也相對于外軸22發(fā)生轉(zhuǎn)動；此時， 前、后側(cè)可變輪槳的形狀一起發(fā)生改變。當(dāng)內(nèi)軸2和外軸3相對轉(zhuǎn)動95度時，可變輪槳改變到規(guī)定的形狀，伺服電機13停止轉(zhuǎn)動；然后，前、后側(cè)切換裝置的離合器6通電，則前、后側(cè)的內(nèi)軸與外軸均鎖死；接著，前、后側(cè)的制動器4斷電，前、后側(cè)的外軸與制動器支架15分開；此時，形狀改變完畢。然后，伺服電機13通過齒輪傳動，將動力傳遞給前側(cè)行進機構(gòu)； 前側(cè)行進機構(gòu)通過同步齒形帶10帶動后側(cè)行進機構(gòu)一起運動。這時，可變輪槳以槳的方式運動。通過左右側(cè)伺服電機13的正反向運轉(zhuǎn)、差速運轉(zhuǎn)可以實現(xiàn)機器人在水面漂浮時的前進、后退、轉(zhuǎn)彎等運動。3.當(dāng)行進環(huán)境由水面漂浮變?yōu)槠閸珀懙亍┩炕蛩讜r，前、后側(cè)切換裝置的離合器6斷電，內(nèi)軸2和外軸3分開；前、后側(cè)切換裝置的制動器4通電，把外軸3與制動器支架 15鎖死；伺服電機13通過主動齒輪12、從動齒輪7傳動，帶動前側(cè)的內(nèi)軸2相對于外軸3發(fā)生轉(zhuǎn)動；同時，利用內(nèi)軸2上的同步齒形帶，帶動后側(cè)內(nèi)軸21也相對于外軸22發(fā)生轉(zhuǎn)動；此時，前、后側(cè)可變輪槳的形狀一起發(fā)生改變。當(dāng)內(nèi)軸2和外軸3相對轉(zhuǎn)動60度時，可變輪槳改變到規(guī)定的形狀，伺服電機13停止轉(zhuǎn)動；然后，前、后側(cè)切換裝置的離合器6通電，則前、 后側(cè)的內(nèi)軸與外軸均鎖死；接著，前、后側(cè)的制動器4斷電，前、后側(cè)的外軸與制動器支架15 分開；此時，形狀改變完畢。然后，伺服電機13通過齒輪傳動，將動力傳遞給前側(cè)行進機構(gòu)； 前側(cè)行進機構(gòu)通過同步齒形帶10帶動后側(cè)行進機構(gòu)一起運動。這時，可變輪槳以腿的方式運動。通過左右側(cè)伺服電機13的正反向運轉(zhuǎn)、差速運轉(zhuǎn)可以實現(xiàn)機器人的攀爬和越障等運動。
權(quán)利要求
1.一種具有水陸兩棲功能的小型變結(jié)構(gòu)式推進裝置，包括進機構(gòu)、傳動與同步裝置、切換裝置和固定裝置，其特征在于具體結(jié)構(gòu)如下固定裝置，包括外軸軸承支架(5)、制動器支架(1 、電機支架(11)、離合器支架 ( )、殼體(17)組成，所有支架均固聯(lián)在殼體(17)上；行進機構(gòu)，包括四個可變輪槳，即左前側(cè)可變輪槳(30)、左后側(cè)可變輪槳(31)、右前側(cè)可變輪槳(32)、右后側(cè)可變輪槳(3 ；兩個可變輪槳為一組，兩組分別左右對稱安裝在密閉的殼體(17)的外部；每個可變輪槳均包括一個內(nèi)側(cè)輪輻(16)、一個外側(cè)輪輻(20)、六個圓弧葉片(1)；內(nèi)側(cè)輪輻(16)通過螺釘固聯(lián)在外軸C3)上，外側(cè)輪輻00)通過螺釘固聯(lián)在內(nèi)軸(2)上；每兩個圓弧葉片(1)為一組，二者之間用銷釘(18)聯(lián)接；每組圓弧葉片的兩個自由端分別用銷釘(18)聯(lián)接在內(nèi)側(cè)輪輻(16)和外側(cè)輪輻00)上，從而保證六個圓弧葉片(1)位于同一個平面，內(nèi)側(cè)輪輻(16)和外側(cè)輪輻00)分別位于不同的平面；四組切換裝置，用于配合行進機構(gòu)的四個可變輪槳，每組切換裝置包括內(nèi)軸O)、外軸⑶及與之相配合的離合器(6)、制動器(4)；離合器(6)與內(nèi)軸⑵和外軸(3)相連；制動器(4)與外軸(3)和制動器支架(15)相連；兩組傳動與同步裝置，每組傳動與同步裝置包括主動齒輪(12)、從動齒輪(7)、前側(cè)同步帶輪(8)、后側(cè)同步帶輪08)和同步齒型帶(10)；位于前側(cè)的兩個內(nèi)軸( 分別有四個鍵槽，通過平鍵分別和外側(cè)輪輻(20)、離合器(6)、從動齒輪(7)和位于前側(cè)的同步帶輪 ⑶相連；從動齒輪(7)安裝在同步帶輪⑶和離合器(6)之間；兩個伺服電機(13)的輸出軸與主動齒輪(1 相連，主動齒輪(1 與從動齒輪(7)嚙合；兩個伺服電機(1 分別直接驅(qū)動前側(cè)的兩個可變輪槳轉(zhuǎn)動；同時前側(cè)的可變輪槳通過同步齒型帶(10)及前側(cè)同步帶輪(8)將運動傳遞給后側(cè)同步帶輪(觀)，后側(cè)同步帶輪08)與位于后側(cè)的內(nèi)軸相連，進而帶動后側(cè)可變輪槳轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)前后一致的轉(zhuǎn)動或變換結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的具有水陸兩棲功能的小型變結(jié)構(gòu)式推進裝置，其特征在于在平坦地面上，內(nèi)側(cè)輪輻(16)和外側(cè)輪輻OO)在側(cè)面為重合姿態(tài)，使可變輪槳(30) 呈輪狀；在崎嶇地面、近海灘涂或水底潛行時，內(nèi)側(cè)輪輻(16)和外側(cè)輪輻OO)在側(cè)面形成60°夾角，使可變輪槳(30)呈三角形的腿狀；在水面漂浮時，內(nèi)側(cè)輪輻(16)和外側(cè)輪輻 (20)在側(cè)面形成95°夾角，使可變輪槳(30)呈槳狀。
全文摘要
本發(fā)明一種具有水陸兩棲功能的小型可變結(jié)構(gòu)式推進裝置，可在平坦地面、崎嶇陸地、灘涂、水面以及水底等多種水陸環(huán)境中實現(xiàn)行進功能。其包括進機構(gòu)、傳動與同步裝置、切換裝置和固定裝置，具體結(jié)構(gòu)如下固定裝置，包括外軸軸承支架、制動器支架、電機支架、離合器支架、殼體組成，所有支架均固聯(lián)在殼體上；行進機構(gòu)，包括四個可變輪槳，四組切換裝置，用于配合行進機構(gòu)的四個可變輪槳。該裝置僅使用一臺伺服電機并且無需更換任何零部件即可實現(xiàn)行進機構(gòu)在輪、腿、槳之間的切換以及前進、后退、轉(zhuǎn)彎等功能。通過同步裝置還可實現(xiàn)前后行進機構(gòu)的同步形狀變化以及運動。該推進裝置結(jié)構(gòu)小巧、切換迅速、控制簡單、耗能低、適應(yīng)性強。
文檔編號B60F3/00GK102303492SQ20111026380
公開日2012年1月4日 申請日期2011年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月7日
發(fā)明者單博, 邊宇樞, 高志慧 申請人:北京航空航天大學(xué)