CN101462563A - 爬楼梯车用阿基米德螺线轮及双摇杆机构 - Google Patents

Abstract

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。

Description

爬楼梯车用阿基米德螺线轮及双摇杆机构

(一)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机构。

(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日常生活中。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。

(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)附图说明

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)。

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A_iB_i，A_iC_iB_i。此时当第i段的B点即B_i点与楼梯接触时，第i+1段的A点，即A_i+1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ρ₀确定方法(以n＝1为例)：曲线AB上任一点C(如图1)，计OC的长度为ρ，OC与OA夹角为θ，则可设

ρ＝c×θ+ρ₀

c为一与n有关的常数，由B处半径ρ的值计算得出：

c＝(ρ-ρ₀)/2π＝h/2π

所以

ρ＝h×θ/2π+ρ₀

再对曲线AB积分得：

∫₀ ^2π(h×θ/2π+ρ₀)dx＝a

解方程得

ρ₀＝a/2π-h/2

推广到n>1时可得：

c＝n×h/2π

ρ＝n×h×θ/2π+ρ₀

ρ₀＝n×a/2π-h/2

本发明设计尺寸为：

a＝180mm，h＝80mm

代入前边所的公式得：

ρ₀＝90n/π-40

由此式可知：ρ₀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ρ₀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＝3×80/2π＝38.2mm/rad，

ρ₀＝3×180/2π-80/2＝45.9mm

ρ＝h×θ/π+ρ₀＝12.2×θ+45.9mm

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，采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：1)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：楼梯清扫机器人从平面向楼梯运动到合适距离时，停止前行，前轮换轮，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。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。

Claims (6)

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。

6.一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。

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