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CN102642577A - 立方体滚动机构 - Google Patents

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田耀斌
翟美丽
秦俊杰
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Beijing Jiaotong University
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Abstract

立方体滚动机构包括：第一至第八半球连接头（A、B、C、D、E、F、G、H），第一至第十二I形杆（1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12），电机（13），配重（14），八个半球形杆和十二个I形杆通过转动副连接起来自成一个立方体机构。电机驱动第一I形杆1，使立方体形状放生改变，使此机构不满足稳定性原理，进而发生翻转，实现滚动。

Description

立方体滚动机构
技术领域
本发明涉及一种单动力的滚动机构，通过在某些确定的位置机构不满足零力矩（ZMP）稳定性原理，进而发生概率翻转，实现单动力滚动行进的机械装置 ，可用于野外探查。
背景技术
移动机器人是机器人学中的一个重要分支，早在60年代就已经开始了关于移动机器人的研究，移动机器人可以在复杂的工作环境下具有自规划、自组织、自适应的能力。但移动机器人要实现在平面内任意运动，一般至少需要两个动力来控制其移动和转向，与动力机数目相对应，即移动机构一般具有二自由度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，只需控制一个动力机的正反转即可实现空间的移动和转向的移动机构。
本发明的技术方案
此立方体滚动机构包括：第一至第八半球形连接头，第一至第十二I形杆，电机，配重，驱动轴；
第一半球形连接头的A1端和第一I形杆的一端通过顶丝连接在一起，A2、A3端和第四、八I形杆的一端通过转动副连接在一起；
第二半球形连接头的B1、B3端和第二、五I形杆的一端通过转动副连接在一起， B2端和第一I形杆的另一端通过转动副连接在一起；
第三半球形连接头的C1端和第二形杆的另一端通过转动副连接在一起，C2、C3端和第三、六I形杆的一端通过转动副连接在一起；
第四半球形连接头的D1、D2端和第四、三I形杆的另一端通过转动副连接在一起， D3端和第七I形杆的一端通过转动副连接在一起；
第五半球形连接头的E1、E2端和第十二、九I形杆的一端通过转动副连接在一起，E3端和第八I形杆的另一端通过转动副连接在一起；
第六半球形连接头的F1端和第十I形杆的一端通过转动副连接在一起，F2、F3端和第九、五I形杆的另一端通过转动副连接在一起；
第七半球形连接头的G1端和第十一I形杆的一端通过转动副连接在一起，G2、G3端和第十、六I形杆的另一端通过转动副连接在一起；
第八半球形连接头的H1、H2、H3端和第十二、十一、七I形杆的另一端通过转动副连接在一起；
第二至八半球形连接头（B、C、D、E、F、G、H）结构和尺寸相同；第二至第十二I形杆（2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12）结构和尺寸相同；
通过上述步骤完成立方体滚动机构的组装，机构具有二十个杆件和二十四个转动副，其自由度为一，通过对机构一个杆件的电机驱动，可使得某些确定的位置上机构不满足稳定性原理，进而发生概率翻转，实现滚动。
本发明具有以下优点：
本发明是完全由转动副连接构成的二十杆机构，由八个三副杆和十二个二副杆通过转动副巧妙地连接在一起，其自由度为一；通过对机构一个杆件的电机驱动，可使得某些确定的位置上机构不满足稳定性原理，进而发生概率翻转，实现滚动；由此该机构可以实现只需控制一个动力机的正反转就可完成空间移动和转向的功能。
附图说明
图1立方体滚动机构整体示意图
图2第一半球形连接头
图3第二半球形连接头
图4第一I形杆结构图
图5第二至第十二I形杆结构图
图6（a）立方体滚动机构的运动初始状态图
图6（b）立方体滚动机构的运动翻滚临界状态图
图6（c）立方体滚动机构的概率翻滚状态图
图6（d）立方体滚动机构的概率翻滚中间状态图
图6（e）立方体滚动机构的概率翻滚后状态图
具体实施方式
结合附图对本发明作进一步说明。
立方体滚动机构，如图1包括：第一至第八半球形连接头（A、B、C、D、E、F、G、H），第一至第十二I形杆（1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12），电机（13），配重（14），驱动轴（15），锥齿轮（16），锥齿轮（17）；零件的结构及连接方式如下：
第一半球形连接头（A）的A1端和第一I形杆（1）的一端通过顶丝连接在一起，A2、A3端和第四、八I形杆（4、8）的一端通过转动副连接在一起；
第二半球形连接头（B）的B1、B3端和第二、五I形杆（2、5）的一端通过转动副连接在一起， B2端和第一I形杆（1）的另一端通过转动副连接在一起；
第三半球形连接头（C）的C1端和第二形杆（2）的另一端通过转动副连接在一起，C2、C3端和第三、六I形杆（3、6）的一端通过转动副连接在一起；
第四半球形连接头（D）的D1、D2端和第四、三I形杆（4、3）的另一端通过转动副连接在一起， D3端和第七I形杆（7）的一端通过转动副连接在一起；
第五半球形连接头（E）的E1、E2端和第十二、九I形杆（12、9）的一端通过转动副连接在一起，E3端和第八I形杆（8）的另一端通过转动副连接在一起；
第六半球形连接头（F）的F1端和第十I形杆（10）的一端通过转动副连接在一起，F2、F3端和第九、五I形杆（9、5）的另一端通过转动副连接在一起；
第七半球形连接头（G）的G1端和第十一I形杆（11）的一端通过转动副连接在一起，G2、G3端和第十、六I形杆（10、6）的令一端通过转动副连接在一起；
第八半球形连接头（H）的H1、H2、H3端和第十二、十一、七I形杆（12、11、7）的另一端通过转动副连接在一起；
第一半球形连接头（A）的凹糟位置固定电机（13），通过一组锥齿轮(16、17)传动到驱动轴（15），如图2；
第二半球形连接头（B）的凹糟位置固定配重（14）
第二至八半球形连接头（B、C、D、E、F、G、H）结构和尺寸相同；第二至第十二I形杆（2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12）结构和尺寸相同；
通过上述步骤完成立方体滚动机构的组装。
所述的第一半球形连接头（A）由半球形杆A’，电机（13），驱动轴（15），锥齿轮对（16，17）组成；
半球形杆A’ 的中间有一凹槽，固定电机（13）； 外端均布三个突起，其A1设置一个宽槽，两端分别设一个通孔，两个通孔同轴，用以安装驱动轴（15），A2、A3端开分别设置一个宽度与等于第I形杆的宽度相同的槽，槽的分别设两个通孔，两个通孔同轴；电机轴连接锥齿轮（16），锥齿轮（16）与安装在驱动轴（15）上的锥齿轮（17）啮合，组成传动部分；如图2；
所述的第二半球形连接头（B）由半球形杆B’，配重（14）组成；
半球形杆B’的中间有一凹槽，用来安装配重（14），其外端均布三个突起，每个凸起部分设置一个宽度与等于I形杆的宽度相同的槽，槽的分别设两个通孔，两个通孔同轴；如图3；
所述的第一至第十二I形杆的两端分别设有两个通孔，其中第一I形杆的一端有一个小顶丝孔，如图4和图5；
图6为立方体滚动机构运动状态图；
图6（a）为立方体滚动机构的运动初始状态，是一正立方体状态，A、B、C、D四点与地面接触，电机安装在顶点A处，电机正转驱动机构，使B，D两点离开地面达到图8（b）的立方体滚动机构的运动翻滚临界状态；
图6（c）立方体滚动机构的概率翻滚状态，机构靠惯性滚动，A、D、H三点与地面接触；
图6（d）立方体滚动机构的概率翻滚中间状态，电机反转驱动机构，达到图6（e）的立方体滚动机构的概率翻滚后状态；
通过上述三个步骤完成一个运动周期，机构完成一次翻转运动，如此进行下去就完成了立方体滚动结构的连续滚动。

Claims (4)

1.一种立方体滚动机构，其特征在于：该立方体滚动机构包括：第一至第八半球形连接头（A、B、C、D、E、F、G、H），第一至第十二I形杆（1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12），电机（13），配重（14），驱动轴（15），锥齿轮（16），锥齿轮（17）；
第二至八半球形连接头（B、C、D、E、F、G、H）结构和尺寸相同；第二至第十二I形杆（2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12）结构和尺寸相同；
所述的第一至第八半球形连接头（A、B、C、D、E、F、G、H）上均布三个连接端；
第一半球形连接头（A）的A1端和第一I形杆（1）的一端通过顶丝连接在一起，A2、A3端和第四、八I形杆（4、8）的一端通过转动副连接在一起；
第二半球形连接头（B）的B1、B3端和第二、五I形杆（2、5）的一端通过转动副连接在一起， B2端和第一I形杆（1）的另一端通过转动副连接在一起；
第三半球形连接头（C）的C1端和第二I形杆（2）的另一端通过转动副连接在一起，C2、C3端和第三、六I形杆（3、6）的一端通过转动副连接在一起；
第四半球形连接头（D）的D1、D2端和第四、三I形杆（4、3）的另一端通过转动副连接在一起， D3端和第七I形杆（7）的一端通过转动副连接在一起；
第五半球形连接头（E）的E1、E2端和第十二、九I形杆（12、9）的一端通过转动副连接在一起，E3端和第八I形杆（8）的另一端通过转动副连接在一起；
第六半球形连接头（F）的F1端和第十I形杆（10）的一端通过转动副连接在一起，F2、F3端和第九、五I形杆（9、5）的另一端通过转动副连接在一起；
第七半球形连接头（G）的G1端和第十一I形杆（11）的一端通过转动副连接在一起，G2、G3端和第十、六I形杆（10、6）的另一端通过转动副连接在一起；
第八半球形连接头（H）的H1、H2、H3端和第十二、十一、七I形杆（12、11、7）的另一端通过转动副连接在一起；
通过上述步骤完成立方体滚动机构的组装。
2.根据权利要求1所述的第一半球形连接头A，其特征在于：
所述的第一半球形连接头（A）由半球形杆A’，电机（13），驱动轴（15），一组锥齿轮（16，17）组成；
半球形杆A’ 的中间有一凹槽，固定电机（13）； 外端均布三个突起，其A1设置一个宽槽，两端分别设一个通孔，两个通孔同轴，用以安装驱动轴（15），A2、A3端开分别设置一个宽度与等于第I形杆的宽度相同的槽，槽的分别设两个通孔，两个通孔同轴；电机轴连接锥齿轮（16），锥齿轮（16）与安装在驱动轴（15）上的锥齿轮（17）啮合，组成传动部分。
3.根据权权利要求1所述的第二至八半球形连接头，以第二半球形连接头为例，其特征在于：
所述的第二半球形连接头（B）由半球形杆B’，配重（14）组成；
半球形杆B’的中间有一凹槽，用来安装配重（14），其外端均布三个突起，每个凸起部分设置一个宽度与等于I形杆的宽度相同的槽，槽的分别设两个通孔，两个通孔同轴。
4.根据权利要求1所述的第一I形杆，其特征在于：
第一I形杆（1）的宽度两端分别设有通孔，其中一端有一个顶丝孔，用来与驱动轴（15）相连接。
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