爬楼梯车用阿基米德螺线轮及双摇杆机构的制作方法

文档序号:4078782阅读:293来源:国知局
专利名称:爬楼梯车用阿基米德螺线轮及双摇杆机构的制作方法
技术领域
本发明涉及机械设计,具体说就是爬楼梯车用阿基米德螺线轮及 双摇杆一几构。
(二)
背景技术
随着社会的发展,科技的进步, 一系列新科技应用在人们的曰常 生活中。上下楼梯自动化的研究也趋于热门。现有的爬楼机大都是利 用三角形复合轮子、履带或利用专门的升降装置完成爬楼功能,存在 运动不稳定、承载能力差或运动不连续的问题。
(三)

发明内容
本发明的目的在于提出一种体现上下楼梯自动化的全新理念、 运动平稳连续的爬楼梯车用阿基米德螺线轮及双摇杆机构。
本发明的目的是这样实现的它是由阿基米德螺线三叶轮8和双 摇杆机构7组成的;阿基米德螺线三叶轮8连接双摇杆机构7。 本发明还有以下技术特征
(1) 所述的阿基米德螺线三叶轮8的外轮廓形状为阿基米德螺线。
(2) 所述的双摇杆机构7包括第一双摇杆单元4、第二双摇杆 单元5和第三双摇杆单元6;第一双摇杆单元4连接第二双摇杆单元 5,第二双摇杆单元5连接第三双摇杆单元6。
(3 )所述的第一双摇杆单元4包括短连杆1、长圓弧连杆2和 连杆3;短连杆1连接连杆3,连杆3连接长圓弧连杆2。
(4)所述的第二双摇杆单元5、第三双摇杆单元6的结构、连 接方式与第 一双摇杆单元4相同。
本发明爬楼梯车用阿基米德螺线轮及双摇杆机构,所述的阿基米 德螺线轮及双摇杆机构应用于楼梯清扫机器人,楼梯清扫机器人配有 两套传动机构,主电机通过齿轮啮合驱动中轴,再由中轴上的四个链 轮10分别驱动四个阿基米德螺线三叶轮8运动,这是主动力;双摇 杆机构分为前后轴两个电才几15分别驱动,轴的驱动方式也是齿轮啮 合16,同时通过前后轴14两端的三角形轴与双摇杆结构中的短连杆
41的三角形孔配合驱动双摇杆机构,每根轴两端的三角形轴段均连接 三个短连杆,按照圆周均匀分布,进而驱动三套双摇杆机构;
阿基米德螺线三叶轮连接在空心轴9上,二者固连在一起,空心 轴9外径上安装链轮10和轴承12,链轮10实现链传动功能,轴承 12与固定在底板的上轴承座11配合,确定阿基米德螺线三叶轮的位 置,并保证阿基米德螺线三叶轮转动灵活性;空心轴9内径上也配有 轴承13,与驱动摇杆的轴配合。
本发明爬楼梯车用阿基米德螺线轮及双摇杆机构,运动平稳连 续,提供一种爬楼梯的移动工作平台,方便上下楼梯搬运。用于楼梯 清扫工作是本发明的应用方法之一。
(四)


图1为本发明爬楼基本原理图; 图2为本发明阿基米德螺线三叶轮示意图; 图3为本发明双摇杆机构之收缩状态结构图; 图4为本发明双摇杆机构之撑开状态结构图; 图5为本发明双摇杆机构之全轮状态结构图; 图6为本发明阿基米德螺线三叶轮与双摇杆机构连接图; 图7为本发明阿基米德螺线三叶轮及双摇杆机构应用于楼梯清 扫机器人之结构图。
(五)
具体实施例方式
下面结合附图举例对本发明作进一步说明。
实施例1,结合图2、图3、图4、图5,本发明爬楼梯车用阿基 米德螺线轮及双摇杆机构,它是由阿基米德螺线三叶轮(8)和双摇 杆机构(7 )组成的;阿基米德螺线三叶轮(8 )连接双摇杆机构(7 )。
所述的阿基米德螺线三叶轮(8 )的外轮廓形状为阿基米德螺线。
所述的双摇杆机构(7)包括第一双摇杆单元(4)、第二双摇杆 单元(5 )和第三双摇杆单元(6 );第一双摇杆单元(4 )连接第二双 摇杆单元(5 ),第二双摇杆单元(5 )连接第三双摇杆单元(6 )。
所述的第一双摇杆单元(4)包括短连杆(1)、长圆弧连杆(2) 和连杆(3 );短连杆(1 )连接连杆(3 ),连杆(3 )连接长圆弧连杆 (2)。
5所述的第二双摇杆单元(5)、第三双摇杆单元(6)的结构、连 接方式与第一双摇杆单元(4)相同。
实施例2,结合图1-图5,由本发明爬楼梯车用阿基米德螺线轮 及双摇杆机构构成的楼梯清扫机器人,设计方法如下 (1)爬楼方案
如图1所示,线段AB的长度等于楼梯高度,而曲线ACB的长度 等于楼梯面的宽度,自A点开始,沿着曲线ACB方向,与楼梯面接触, 由于长度关系,当B点与楼梯接触时,正好该阶楼梯面的终了点接触, 同时A点开始与下一阶楼梯面的开始点接触,如此循环,完成爬楼过 程。此即基本爬楼原理。基本原理确定以后,剩下的问题是ACB段曲 线的线型选择。在这个问题上,有过两种方案渐开线和阿基米德螺 线。由于一开始受渐开线型齿轮啮合原理启发,才想到这种爬楼原理, 因此计划用渐开线做为轮子的外轮廓。但在后来研究中发现阿基米德 螺线有一个特点是半径的增加与角度的增加成正比关系,用在爬楼过 程中,体现为当轮子匀速转动时,轮子轴线位置匀速上升,即轮子 运动时在竖直方向上实现匀速运动,这无疑增加了爬楼机运动的平稳 性,因此改用阿基米德螺线作为爬楼机轮子的外轮廓。
按照这个方案,轮子每转动一周,爬楼机爬过一阶楼梯,同理, 也可以改为n阶楼梯,即将圆周分为n段,每段对应的拥有直线段 AB和曲线段ACB,第i段分别记作AiBi, Aid此时当第i段的B点 即Bi点与楼梯接触时,第i+l段的A点,即Aw点与下一阶楼梯开始 点接触,继续爬楼过程。以此为基础,综合考虑,进一步改进该方案, 确定方案为n=3,即每转动一周爬过三阶楼梯(如图2)。
(2 )设计计算
阿基米德螺线轮型的尺寸设计
基圆半径p 。确定方法(以n=l为例)曲线AB上任一点C (如 图1 ),计0C的长度为p , 0C与OA夹角为6 ,则可设 p = c x 6 + p 0
c为一与n有关的常数,由B处半径p的值计算得出
C = (p-p。) / 27T = h/ 27T所以
p = hx 6/2丌+ p0 再对曲线AB积分得 J02n(hx 6/2 tt + p 0)dx=a
解方程得
p 。=a/ 2丌-h/2 推广到n>l时可得 c=n x h / 2 tt
p = nxhx 6/2丌+ po
p 0=n x a/ 2丌-h/2 本发明设计尺寸为
a =180mm, h=80mm 代入前边所的公式得 p o=90ii/tt—40
由此式可知p 。是n的一次函数,随着n值的增大而增大,所 以为了方便试验,同时减小对动力的要求,n值应尽量取较小的值, 但p。不可过小,以方便安装其他机构,兼顾平稳性;故取n=3,此 时,
c=3 x 80/2 tt=38. 2 mm/rad, p 0=3 x 180/ 2 71-80/2=45. 9 mm p = hx 6/丌+ p 0=12. 2x6 +45. 9 mm 轮形如图2所示。
(3 )辅助轮形及传动机构设计
考虑到楼梯清扫机器人不可能一直在楼梯上运动,爬完楼梯必然 会走上一个平面,因此考虑还需要给本发明增加可以实现平面运动的 装置。这需要一种在爬楼时可以不起作用,而到平面上以后才出现的 装置。经过试验,釆用双摇杆结构补圆轮的方法实现此目的。为了运 动的平稳,采用双片三叶轮,将双摇杆机构安装在两片三叶轮的中间, 三叶轮的每一叶均需要一套双摇杆机构,因此三叶轮共需要三套双摇 杆结构夹在两片三叶轮之间。每套双摇杆机构都有两种状态l)非工 作状态,如图3所示,此时,双摇杆结构被三叶轮遮挡,三叶轮为工作状态,完成爬楼功能。2)工作状态,如图4和图5所示,短连杆作
为主动件,在轴的带动下,从图3所示位置转动到图4所示位置,长 圆弧连杆此时撑开,三套连杆的圆弧形连杆组合在一起形成一个圆 轮,如图5所示,此时可以完成平面上的运动。此为楼梯清扫机器人 的两种运动状态。两种状态之间的转化通过单片机控制,在现有状态, 手动操作控制变换的时间,进一步研究可以增加传感器,自动控制换 轮的时间。从三叶轮到圆轮换轮的时间为前轮全部运动到平面上以 后,即后轮走完最后一阶楼梯时,此时楼梯清扫机器人停止前行,前 轮开始换轮。待前轮换轮完毕,楼梯清扫机器人继续前行至后轮完全 走上平台,开始后轮的换轮的过程,换轮完毕,楼梯清扫机器人即可 沿着平面继续运动。从圆轮到三叶轮的转换时间为楼梯清扫机器人 /人平面向楼梯运动到合适距离时,停止前行,前4仑换轮,之后前行至 前轮完全在楼梯上,再开始后轮的换轮过程。
实施例3,结合图7,本发明爬楼梯车用阿基米德螺线轮及双摇 杆机构应用于楼梯清扫机器人时配有两套传动机构,如图7所示,主 电机通过齿轮啮合驱动中轴,再由中轴上的四个链轮(10 )分别驱动 四个阿基米德螺线三叶轮(8)运动,这是主动力;双摇杆机构分为 前后轴两个电机(15 )分别驱动,轴的驱动方式也是齿轮啮合(16 ), 同时通过前后轴(14)两端的三角形轴与双摇杆结构中的短连杆(1) 的三角形孔配合驱动双摇杆机构,每根轴两端的三角形轴段均连接三 个短连杆,按照圆周均勻分布,进而驱动三套双摇杆机构;阿基米德 螺线三叶轮连接在空心轴(9)上,二者固连在一起,空心轴(9)外 径上安装链轮(10)和轴承(12),链轮(10)实现链传动功能,轴 承(12 )与固定在底板的上轴承座(11 )配合,确定阿基米德螺线三 叶轮的位置,并保证阿基米德螺线三叶轮转动灵活性;空心轴(9) 内径上也配有轴承(13),与驱动摇杆的轴配合。当双摇杆结构处于 图示两种位置时,短连杆与三叶轮相对静止,即空心轴相对内轴静止, 当双摇杆机构状态变化时,短连杆相对三叶轮转动,此时主电机停止, 前轴、后轴电机分别驱动前后内轴转动,短连杆即可相对三叶轮转动, 实现换轮过程,当换轮结束,空心轴和内轴继续保持同速,完成爬楼 梯或平面运动。同时为了保证两轴之间相对位置的精度,在每一对齿轮的啮合处都添加码盘,反馈对应轴的转动速度和转过的角度,使轴 的转动速度更加稳定,位置更加准确。
权利要求
1. 一种爬楼梯车用阿基米德螺线轮及双摇杆机构,它是由阿基米德螺线三叶轮(8)和双摇杆机构(7)组成的;其特征在于阿基米德螺线三叶轮(8)连接双摇杆机构(7)。
2. 根据权利要求1所述的一种爬楼梯车用阿基米德螺线轮及双 摇杆机构,其特征在于所述的阿基米德螺线三叶轮(8)的外轮廓 形状为阿基米德螺线。
3. 根据权利要求1所述的一种爬楼梯车用阿基米德螺线轮及双 摇杆机构,所述的双摇杆机构(7)包括第一双摇杆单元(4)、第二 双摇杆单元(5)和第三双摇杆单元(6);其特征在于第一双摇杆 单元(4 )连接第二双摇杆单元(5 ),第二双摇杆单元(5 )连接第三 双摇杆单元(6 )。
4. 根据权利要求3所述的一种爬楼梯车用阿基米德螺线轮及双 摇杆机构,所述的第一双摇杆单元(4)包括短连杆(1)、长圆弧连 杆(2 )和连杆(3 );其特征在于短连杆(1)连接连杆(3 ),连杆(3)连接长圆弧连杆(2)。
5. 根据权利要求3所述的一种爬楼梯车用阿基米德螺线轮及双 摇杆机构,其特征在于所述的第二双摇杆单元(5)、第三双摇杆单 元(6)的结构、连接方式与第一双摇杆单元(4)相同。
6. —种爬楼梯车用阿基米德螺线轮及双摇杆机构,所述的阿基 米德螺线轮及双摇杆机构应用于楼梯清扫机器人,其特征在于楼梯 清扫机器人配有两套传动机构,主电机通过齿轮啮合驱动中轴,再由 中轴上的四个链轮(10)分别驱动四个阿基米德螺线三叶轮(8)运 动,这是主动力;双摇杆机构分为前后轴两个电机(15)分别驱动, 轴的驱动方式也是齿轮啮合(16),同时通过前后轴(14)两端的三 角形轴与双摇杆结构中的短连杆(1)的三角形孔配合驱动双摇杆机 构,每根轴两端的三角形轴段均连接三个短连杆,按照圓周均匀分布, 进而驱动三套双摇杆机构;阿基米德螺线三叶轮连接在空心轴(9)上,二者固连在一起, 空心轴(9 )外径上安装链轮(10 )和轴承(12 ),链轮(10 )实现链 传动功能,轴承(12 )与固定在底板的上轴承座(11 )配合,确定阿基米德螺线三叶轮的位置,并保证阿基米德螺线三叶轮转动灵活性; 空心轴(9)内径上也配有轴承(13),与驱动摇杆的轴配合。
全文摘要
本发明的目的在于提出一种体现上下楼梯自动化的全新理念、运动平稳连续的爬楼梯车用阿基米德螺线轮及双摇杆机构。它是由阿基米德螺线三叶轮和双摇杆机构组成的;阿基米德螺线三叶轮连接双摇杆机构。本发明爬楼梯车用阿基米德螺线轮及双摇杆机构,所述的阿基米德螺线轮及双摇杆机构应用于楼梯清扫机器人,楼梯清扫机器人配有两套传动机构,主电机通过齿轮啮合驱动中轴,再由中轴上的四个链轮分别驱动四个阿基米德螺线三叶轮运动,本发明爬楼梯车用阿基米德螺线轮及双摇杆机构,运动平稳连续,承载力强,兼行平地。提供一种爬楼梯的移动工作平台,方便上下楼梯搬运。用于楼梯清扫工作是本发明的应用方法之一。
文档编号B62D57/00GK101462563SQ20091007129
公开日2009年6月24日 申请日期2009年1月16日 优先权日2009年1月16日
发明者佟岳军, 孔凡凯, 李克飞, 哲 谢, 郑大勇 申请人:哲 谢
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