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基本信息
- 項目名稱：
- 基于可變徑輪的探測器行走越障裝置
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 設(shè)計一種基于可變直徑輪的探測器行走越障裝置，該裝置采用被動式懸架集成六個可變直徑驅(qū)動輪的主體結(jié)構(gòu)方案，單側(cè)懸架由一個杠桿機構(gòu)和導(dǎo)塊機構(gòu)串聯(lián)而成，具有3個自由度，對應(yīng)任意地形都有相應(yīng)的機構(gòu)形態(tài)，因此能被動適應(yīng)地形，平均各個車輪載荷，提高地面附著力，同時自由度數(shù)不過多，增加可靠性。配合可變直徑輪，可通過各種復(fù)雜的障礙。該行走越障裝置可作為各種探測器和運載裝置的移動載體。
- 詳細(xì)介紹：
- 行走越障裝置是探測器移動系統(tǒng)的重要組成部分，起到減輕主車體受地形擾動，協(xié)調(diào)車輪運動和受力的作用。本設(shè)計根據(jù)行走移動裝置運行的主要路況，分析機構(gòu)所需的自由度，提出新型的懸架機構(gòu)，并進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計。對探測器行走越障裝置在針對任務(wù)和作用對象分析的基礎(chǔ)上的詳細(xì)設(shè)計進行了系統(tǒng)的研究。 提出的探測器行走越障裝置由行走機構(gòu)、單側(cè)懸架、單側(cè)搖臂、均角平衡機構(gòu)和車體組成，總體成對稱結(jié)構(gòu)，在聯(lián)接關(guān)系上單側(cè)懸架與搖臂固接，再通過均角平衡機構(gòu)與主車體相聯(lián)，使車體的俯仰角為兩側(cè)的平均值，運行更加平穩(wěn)；單側(cè)懸架是一個無彈簧的自由機構(gòu)，由一個杠桿機構(gòu)和導(dǎo)塊機構(gòu)串聯(lián)而成，具有3個自由度，對應(yīng)任意地形都有相應(yīng)的機構(gòu)形態(tài)，因此能被動適應(yīng)地形，平均各個車輪載荷，提高地面附著能力；懸架桿件末端安裝前、中、后可變徑驅(qū)動輪，各自獨立驅(qū)動，為了提高驅(qū)動力，由車體上的動力經(jīng)過布置在懸架桿件內(nèi)部的傳動裝置傳到輪軸，再由一個邏輯變量控制動力用于擴徑與運行的流向，解決擴徑驅(qū)動的問題。最后將車體上各個部件間的剛性聯(lián)接或剛性構(gòu)件釋放，替代成減振機構(gòu)或減振器，既解決各個部件間的裝配與聯(lián)接問題又起平穩(wěn)減震的效果。 設(shè)計體現(xiàn)總體設(shè)計的思想，將動力裝置、減速機、機構(gòu)和總體布置結(jié)合考慮，在機構(gòu)設(shè)計時處理好整體空間布局和功能實現(xiàn)，然后在機構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上進行力學(xué)分析，得出各運動副受力與運動參數(shù)對性能的影響，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計，而在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，在工藝可行和功能滿足的前提下優(yōu)化結(jié)構(gòu)和減少材料，達到對整體剛度的構(gòu)架，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊的要求。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 行走越障裝置是探測器移動系統(tǒng)的重要組成部分，起到減輕主車體受地形擾動，協(xié)調(diào)車輪運動和受力的作用，廣泛用作各種探測器和運載裝置的移動載體，因此設(shè)計性能優(yōu)越的行走越障裝置顯得非常重要。 本設(shè)計在對國內(nèi)外各種移動系統(tǒng)和行走機構(gòu)方面的研究成果和發(fā)展情況全面分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)移動系統(tǒng)在各種路況下運行所需要的功能和結(jié)合工藝結(jié)構(gòu)上的要求，確定了行走越障裝置的總體方案，并對可變直徑驅(qū)動輪、差速器、后驅(qū)動總成、前驅(qū)動總成、均角平衡機構(gòu)和單側(cè)懸架等部件進行了從機構(gòu)到結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計，并建立了三維實體模型和運動仿真。 設(shè)計創(chuàng)新點： 1、提出的被動式懸架能夠被動變化機構(gòu)形態(tài)以對不同形狀的地面進行仿形，對地面具有自適應(yīng)能力，使每個車輪始終和地面保持良好的接觸，。平均各個車輪載荷，提高地面附著能力。 2、后中驅(qū)動輪采用將車體上電機的動力經(jīng)差速器和懸架分動箱平均分配到后、中四個驅(qū)動輪上的傳動方案，保證后中的四個驅(qū)動輪獲得足夠動力并根據(jù)地形分配載荷和靈活轉(zhuǎn)向。前輪強力驅(qū)動以翻越更高的垂直障礙和引導(dǎo)轉(zhuǎn)向。 3、可變直徑驅(qū)動輪機構(gòu)新穎，結(jié)構(gòu)巧妙，可變化輪徑以適應(yīng)各種地形，變徑過程中外輪片冗余自由度，使車輪有一定的自適應(yīng)地面的特性。 4、設(shè)計置于車體尾部的空間連桿式均角平衡機構(gòu)，解決兩側(cè)懸架相對車體有扭轉(zhuǎn)自由度而鉸接點處又沒有空間安裝齒式差動平衡機構(gòu)時車體的支撐與平衡問題。
科學(xué)性、先進性
- 1、對行走越障裝置的作用對象和工作任務(wù)進行分析，得出總體所需的機構(gòu)自由度，確定以被動式懸架集成六個可變直徑驅(qū)動輪的主體結(jié)構(gòu)方案，并根據(jù)單側(cè)懸架爬越階梯障礙的情況進行了力學(xué)分析，得出可翻越障礙臨界條件。2、根據(jù)車體運行要求，設(shè)計兩路傳動裝置。一路將車體上電機的動力經(jīng)差速器和懸架分動箱平均分配到后、中四個驅(qū)動輪上，懸架分動箱自動分配后、中驅(qū)動輪載荷，保證后中的四個驅(qū)動輪獲得足夠動力并根據(jù)地形分配載荷和靈活轉(zhuǎn)向。另一路作為前驅(qū)裝置，采用大功率以保證在翻越垂直障礙時獲得足夠轉(zhuǎn)矩，通過控制兩側(cè)轉(zhuǎn)速差引導(dǎo)車體轉(zhuǎn)向。3、設(shè)計可變直徑驅(qū)動輪，采用六個并聯(lián)的泛菱形機構(gòu)驅(qū)動輪片展開，組合電磁失電式牙嵌離合器和電磁牙嵌離合器，實現(xiàn)在某一輪徑狀態(tài)下的鎖定和擴徑時的車輪機構(gòu)與懸架機構(gòu)聯(lián)接，通過開關(guān)量控制輪軸動力用于擴徑與運行的流向。4、設(shè)計置于車體尾部的連桿式均角平衡機構(gòu)，解決兩側(cè)懸架相對車體有扭轉(zhuǎn)自由度而鉸接點處又沒有空間安裝齒式差動平衡機構(gòu)時車體的支撐與平衡問題。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 作品的子部件《適應(yīng)性調(diào)整輪徑式越障車輪》由“2009年國家大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃”資助，在第三屆江蘇省大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽中榮獲一等獎第一名。又為全校中唯一被選取參與第三屆全國大學(xué)生創(chuàng)新論壇的作品。
作品所處階段
- 完成包括總體方案的設(shè)計、傳動系統(tǒng)的設(shè)計、變徑輪部件的設(shè)計、驅(qū)動裝置的設(shè)計。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 洽談
作品可展示的形式
- 部分部件的樣機，總裝圖紙，各部裝圖紙，各部件的展示錄像。
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 基于可變徑輪的探測機器人行走越障裝置可用于礦難后井下救援、震后救災(zāi)與災(zāi)區(qū)探測的設(shè)備上，可增大車體的越障能力，節(jié)省空間，增強平穩(wěn)性，提高機械的適應(yīng)性。所使用的變徑機構(gòu)可用于起重機吊頭，很容易實現(xiàn)水泥管的吊裝，尤其是水泥管不易安裝的場合。適應(yīng)性調(diào)整輪徑式車輪緣的柔性，使水泥管吊裝過程中不會因水泥管內(nèi)部的凸起等缺陷而引起應(yīng)力集中，保證了水泥管的安全。
同類課題研究水平概述
- 輪式行走機構(gòu)以其結(jié)構(gòu)簡單可靠、高速穩(wěn)定、能量利用率高、操作性好而被廣泛地應(yīng)用在移動機器人和車輛中。美國航天局利用輪系驅(qū)動的探測機器人“勇氣號”完成了火星的探測，其良好的效果吸引了不少關(guān)于基于輪系驅(qū)動的，以設(shè)計行走機構(gòu)來提升探測器越障性能的課題，并取得不錯的成果。 移動機器人是一種由傳感器、遙控器、和自動控制移動載體組成的機器人系統(tǒng)，其中自動控制移動載體由行走越障裝置，外加自動控制電路組成。研究移動機器人，首先要考慮的是移動方式，可以是輪式（如二輪、四輪、六輪和變幾何輪、全方位輪）、履帶式、足式（二足、四足、六足），還包括各種移動方式的組合（如輪足復(fù)合式、輪履復(fù)合式）。輪式驅(qū)動效率高，控制方式和結(jié)構(gòu)簡單，適用于平坦路面；履帶式越障能力強，抗干擾性能好；足式移動機構(gòu)適于山岳地帶和凹凸不平的環(huán)境；但結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜?，F(xiàn)今移動機器人的移動機構(gòu)己經(jīng)不僅僅限制于輪式或足式，將各種行走機構(gòu)給合而成的越障機構(gòu)現(xiàn)今得到廣泛應(yīng)用，其中輪腿式行走機構(gòu)為最典型的一種，具有速度快、穩(wěn)定性好以及對地面的適應(yīng)能力強的特點，可充分提高移動機器人的機動性能。 行走越障裝置中技術(shù)難度最大的是行走機構(gòu)和懸掛裝置，目前有較多研究行走機構(gòu)以提升控測器越障性能的課題，行走裝置作為探測器的元素，由于使用環(huán)境的不同，其間沒有絕對優(yōu)劣的可比性。為此有必要針對特定的環(huán)境來專門設(shè)計相應(yīng)的探測器，對此分析了幾種典型的地形環(huán)境，對以往的輪式、腿式、和各種綜合的移動系統(tǒng)進行分析和總結(jié)，確定一種切實可加工制作同時又具有較優(yōu)性能的移動機器人結(jié)構(gòu)方案。 六輪搖臂-轉(zhuǎn)向架式移動系統(tǒng)具有較強的適應(yīng)性和越障性能，典型代表有火星探測車勇氣號、美國JP實驗室研制的rocky系列探測車。該車體六個車輪能單獨繞過巖石，而保持車體不完全傾斜。另外變直徑式車輪的設(shè)計與運用有孫鵬等研究的深空探測車可變直徑車輪，并完成了探測車的虛擬模型，但沒有對變徑輪與車體的綜合集成效果進行分析，運用變徑輪車輪的更優(yōu)結(jié)構(gòu)還有待探索。系統(tǒng)工程與控制工程可作為探測器設(shè)計、性能評價、控制和仿真的理論根據(jù)，自主移動機器人技術(shù)的發(fā)展，已提出許多良好的機體結(jié)構(gòu)，可為設(shè)計提供借鑒。
