[发明专利]全方位移动履带

说明书

技术领域

本发明属于移动机械装置技术领域，具体涉及一种具有全方位运动特性的移动履带。

背景技术

对于移动机构而言，全方位运动是指在空间坐标系XYZ下，物体在XY平面上同时具有三个自由度的运动，即沿X轴、Y轴的平动和绕Z轴的转动。因此，可实现全方位运动的移动机构也称之为全方位移动机构。移动机构按其结构通常可分为轮式、履带式和腿足式，此外还有适用于特定场合的步进式、蠕动式和蛇形式。目前，绝大多数全方位移动机构都是轮式的，主要有麦克纳姆轮(Mecanum wheel)、连续切换轮(Alternate wheel)、正交轮(Orthogonal wheel)、球轮(ball wheel)和Rover轮等。其中麦克纳姆轮是工程上应用最广泛的一种结构之一。

然而，对履带式全方位移动机构的研究则相对滞后，直到上世纪90年代初才开始有这方面的研究成果出现。现有的履带式全方位移动机构都是由国外设计研制的，主要有Omnidirectional Spherical Tire Mechanism、“VUTON”Crawler、Crawler-Roller Running Mechanism和Omni-Crawler with Circular Cross-Section等，但它们目前还未在工程上得到广泛应用。而国内对履带式全方位移动机构的研究还处于空白。

上世纪90年代初，美国工程师Mark West和Haruhiko Asada发明了Omnidirectional Spherical Tire Mechanism。其结构主要由两条平行的圆棒和若干个球形轮组成，圆棒与球形轮之间保持点接触，球形轮可以沿平行于圆棒轴线的方向运动，同时圆棒的转动又可带动球形轮沿垂直于圆棒轴线的方向运动。因此，该履带机构具有在平面上的两个运动自由度，即沿x轴、y轴的平动。

“VUTON”Crawler是由日本的Shigeo Hirose教授发明，他的发明灵感来源于某全方位轮。Hirose教授想通过一连串的自由辊子代替了原有的全方位轮，从而将其演变成一种履带式全方位移动机构。如图1所示，它的结构主要是由一对链条2、3和若干个圆柱形的自由辊子6构成，两条链条之间保持固定的间距，它们之间用矩形框5连接，自由辊子则固定在矩形框上，它们可绕自身轴线转动，但保持始终水平姿态。这种机构的特点是结构平坦、紧凑；相比原有的全方位轮，接地面积增大，载重能力也增强；同时由于与地面之间不发生滑移现象且接地面积较大，所以对地面的破坏程度较小。“VUTON”移动履带(crawler)是与本发明相近似的一种方案，在前文中已对其有所介绍，它的实物结构如图2所示，其主要由主动轮轴1、内侧链条2、外侧链条3、调速带4、矩形框5、框支架6、辊子7及张紧装置8构成，其中辊子轴线与主动轮轴线的夹角为90°，即辊子的偏置角为90°(1)越障能力差。“VUTON”移动履带中的部分结构设计，例如采用90°偏置角辊子和矩形框等，导致其通过具有台阶、槽沟等障碍的路面的能力较差，从而降低了其通过性。

日本三重大学(Mie university)的Peng Chen等人针对当前大多数全方位移动机构只能适用于平坦路面而不能用于复杂不平路面的问题，设计了Crawler-Roller Running Mechanism。该机构是在一个链传动机构上增加了若干的自由轮，每两个自由轮为一组，它们的安装方向与链条的传动方向垂直。这些自由轮使得该机构不仅具有横向运动的自由度，还能攀爬台阶等障碍物，因此它不仅可以实现全方位运动，还具备了一定的越障能力。

日本工程师Kenjiro Tadakuma、Riichiro Tadakuma和Hiroaki Kinoshita等人发明了一种具有圆形横截面的履带式全方位移动机构。该机构的横截面为圆形，它除了可以实现纵向运动外，还具备了一个沿纵轴方向的主动旋转轴，从而又可实现横向运动。前文所述的几种履带式全方位移动机构，都利用了自由辊子，由于自由辊子是被动驱动的，且其尺寸相对于整个履带较小，所以会造成履带克服台阶和不连续路面等障碍的能力差。而该履带机构没有了自由辊子，所以能有效克服上述几种结构的缺点，但其结构设计较为复杂。

Mecanum轮是一种典型的轮式全方位移动机构，如图3所示，它主要由轮毂9和固定在轮毂上的一系列均匀分布的鼓形辊子11组成，辊子的外廓包络线10与轮子的理论圆周线相重合，辊子可以绕其轴线自由旋转，辊子轴线和轮毂轴线的夹角为辊子的偏置角，通常为±45°。