CN116654139B - 一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构，属于机器人领域。解决传统机器人滑雪时刹车效果不好且关节多故障率高的问题。它包括机架、转向组件和悬架组件，转向组件设置在机架内，悬架组件设置有两个并对称连接在机架的左右两侧，全部悬架组件均与转向组件相连；转向组件包括转向驱动组件、横向滑动架、刹车电机、第二齿轮、第三齿轮、直线驱动组件、上叉臂框架、第二齿条、第三齿条和转向连杆，转向驱动组件与机架相连，转向驱动组件与横向滑动架相连；刹车状态时，转向驱动组件自锁，刹车电机用于驱动两侧转向连杆带动两侧悬架组件内的雪橇板向内旋转刹车。它主要用于雪车的转向和刹车。

Description

一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构

技术领域

本发明属于机器人领域，特别是涉及一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构。

背景技术

现有的滑雪机器人多采用足式结构，采用多自由度多关节的仿生形机械腿，通过双足或多足布置来连接滑雪板。通过改变各个关节的角度模仿人体滑雪动作，进行滑雪。

现有的雪地运输设备，多采用履带式或雪橇式结构，采用陆地汽车改造，或按照汽车结构改进而成。对其转向机构的设计，多采用原有的汽车转向结构，未对雪地的特性进行改良。刹车系统设计也多沿用汽车的刹车设计，采用安装在驱动轮上的盘式、鼓式刹车。

现有设计中的刹车方式直接运用到滑雪机器人中会导致适应性不强的现象出现，同时多关节的滑雪机器人结构复杂故障率高且成本较高。

在滑雪运动中，运动员通常在转向和犁式刹车时，同时进行立刃的动作。指滑雪者在转弯时通过立刃使板刃刻进雪里、在雪面上留下深而细的雪辙的技术动作。该动作可以在雪地中转向时，提供更好的侧向抓地力；在刹车时，提供更大的阻力，现有技术并没有对此种滑雪技术进行良好的利用。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构,以解决传统机器人滑雪时刹车效果不好且关节多故障率高的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构，包括机架、转向组件和悬架组件，所述转向组件设置在机架内，所述悬架组件设置有两个并对称连接在机架的左右两侧，全部悬架组件均与转向组件相连；所述转向组件包括转向驱动组件、横向滑动架、刹车电机、第二齿轮、第三齿轮、直线驱动组件、上叉臂框架、第二齿条、第三齿条和转向连杆，所述转向驱动组件与机架相连，所述横向滑动架沿左右方向滑动连接在机架上，所述转向驱动组件与横向滑动架相连，所述刹车电机定子固定连接在横向滑动架上，所述刹车电机转子上沿轴向间隔布置有第二齿轮和第三齿轮，所述第二齿轮与直线驱动组件相啮合，所述第二齿条和第三齿条均与第三齿轮相啮合，所述第二齿条和第三齿条均滑动连接在横向滑动架上，所述刹车电机转子转动时第二齿条和第三齿条相向运动，所述第二齿条远离刹车电机一端和第三齿条远离刹车电机一端均铰接一个转向连杆，每个转向连杆远离刹车电机一端与对应侧的悬架组件相铰接，所述上叉臂框架沿前后方向滑动连接在横向滑动架上，所述上叉臂框架和横向滑动架均与直线驱动组件相连，所述刹车电机转动端转动时通过直线驱动组件带动上叉臂框架滑动，所述上叉臂框架与悬架组件相连；转向状态时，所述刹车电机自锁，转向驱动组件运转用于驱动横向滑动架和两侧转向连杆同步运动带动两侧悬架组件内的雪橇板同向动作转弯；刹车状态时，所述转向驱动组件自锁，刹车电机用于驱动两侧转向连杆带动两侧悬架组件内的雪橇板向内旋转刹车。

更进一步的，所述直线驱动组件包括第四齿轮、丝杆和丝杆螺母，所述第四齿轮与第二齿轮相啮合，所述丝杆转动连接在横向滑动架上，所述丝杆螺母与丝杆螺纹连接，所述丝杆螺母与上叉臂框架相连。

更进一步的，所述第二齿条通过下齿条连接件与对应侧的转向连杆相铰接。

更进一步的，所述第三齿条通过上齿条连接件与对应侧的转向连杆相铰接。

更进一步的，所述下齿条连接件和上齿条连接件均与横向滑动架滑动连接。

更进一步的，所述悬架组件还包括下叉臂、雪橇立轴和上叉臂，所述下叉臂一端与机架相铰接、另一端与雪橇立轴相铰接，所述上叉臂一端与上叉臂框架相铰接、另一端与雪橇立轴相铰接，所述雪橇立轴下端与雪橇板相连。

更进一步的，所述上叉臂和下叉臂均通过球铰与雪橇立轴相铰接。

更进一步的，所述悬架组件还包括减震器，所述减震器一端与机架相铰接、另一端与下叉臂相铰接。

更进一步的，所述转向驱动组件包括转向电机和第一齿轮，所述转向电机定子固定连接在机架上，所述转向电机的转动端与第一齿轮相连，所述横向滑动架上端面上设置第一齿条，所述第一齿轮与第一齿条相啮合。

更进一步的，所述第二齿条和第三齿条分别与第三齿轮的下边缘和上边缘啮合，所述第二齿条和第三齿条相对于第三齿轮呈中心对称分布。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本机构通过设置转向组件配合悬架组件，能够通过连杆的驱动方式来进行转向，减少了关节数量，转向可靠、故障率低，稳定性更好，所需原动机更少，控制更加简单；

2、本机构通过设置转向组件配合悬架组件，能够通过刹车电机驱动的方式使得两侧雪橇板向内旋转，实现立刃犁式刹车的动作；

3、本机构可以在改变雪橇板与前进方向夹角的同时，改变主销内倾角，实现立刃的动作，该动作可以将雪橇板的刃插入雪中，通过与雪的相互作用，在转向过程中提供更大的抓地力，实现更小的转弯半径；

4、本机构通过将两侧雪橇板向内侧旋转，并改变主销后倾角，实现立刃犁式刹车动作，增加雪橇与地面的阻力，实现减速，有利于减小刹车距离；相比于履带式驱动，该机构可利用雪橇板实现制动，在无需制动时阻力更小。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明所述的一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构的结构示意图；

图2为本发明所述的转向组件的结构示意图；

图3为本发明所述的悬架组件的结构示意图；

图4为本发明所述的一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构直行时的立体结构状态图；

图5为本发明所述的一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构直行时的主视结构状态图；

图6为本发明所述的一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构直行时的俯视结构图；

图7为本发明所述的一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构直行时的侧视结构图；

图8为本发明所述的一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构左转时的立体结构状态图；

图9为本发明所述的一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构左转时的主视结构状态图；

图10为本发明所述的一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构左转时的俯视结构状态图；

图11为本发明所述的一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构左转时的侧视结构状态图；

图12为本发明所述的一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构右转时的立体结构状态图；

图13为本发明所述的一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构右转时的主视结构状态图；

图14为本发明所述的一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构右转时的俯视结构状态图；

图15为本发明所述的一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构右转时的侧视结构状态图；

图16为本发明所述的一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构刹车时的立体结构状态图；

图17为本发明所述的一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构刹车时的主视结构状态图；

图18为本发明所述的一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构刹车时的俯视结构状态图；

图19为本发明所述的一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构刹车时的侧视结构状态图；

图20为本发明所述的一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构直行时的主视结构传动简图；

图21为本发明所述的一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构直行时的侧视结构传动简图；

图22为本发明所述的一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构左转时的主视结构传动简图；

图23为本发明所述的一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构右转时的主视结构传动简图；

图24为本发明所述的一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构刹车状态前的主视结构传动简图；

图25为本发明所述的一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构刹车状态时的主视结构传动简图；

图26为本发明所述的一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构刹车状态时的侧视结构传动简图。

机架1；转向组件2；悬架组件3；转向电机21；横向滑动架22；刹车电机23；第一齿轮24；第一齿条25；第二齿轮26；第三齿轮27；第四齿轮28；丝杆29；丝杆螺母210；上叉臂框架211；第二齿条212；第三齿条213；下齿条连接件214；上齿条连接件215；转向连杆216；下叉臂31；雪橇立轴32；上叉臂33；减震器34；雪橇板35。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参见附图说明本实施方式，一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构，包括机架1、转向组件2和悬架组件3，所述转向组件2设置在机架1内，所述悬架组件3设置有两个并对称连接在机架1的左右两侧，全部悬架组件3均与转向组件2相连；所述转向组件2包括转向驱动组件、横向滑动架22、刹车电机23、第二齿轮26、第三齿轮27、直线驱动组件、上叉臂框架211、第二齿条212、第三齿条213和转向连杆216，所述转向驱动组件与机架1相连，所述横向滑动架22沿左右方向滑动连接在机架1上，所述转向驱动组件与横向滑动架22相连，所述刹车电机23定子固定连接在横向滑动架22上，所述刹车电机23转子上沿轴向间隔布置有第二齿轮26和第三齿轮27，所述第二齿轮26与直线驱动组件相啮合，所述第二齿条212和第三齿条213均与第三齿轮27相啮合，所述第二齿条212和第三齿条213均滑动连接在横向滑动架22上，所述刹车电机23转子转动时第二齿条212和第三齿条213相向运动，所述第二齿条212远离刹车电机23一端和第三齿条213远离刹车电机23一端均铰接一个转向连杆216，每个转向连杆216远离刹车电机23一端与对应侧的悬架组件3相铰接，所述上叉臂框架211沿前后方向滑动连接在横向滑动架22上，所述上叉臂框架211和横向滑动架22均与直线驱动组件相连，所述刹车电机23转动端转动时通过直线驱动组件带动上叉臂框架211滑动，所述上叉臂框架211与悬架组件3相连；转向状态时，所述刹车电机23自锁，转向驱动组件运转用于驱动横向滑动架22和两侧转向连杆216同步运动带动两侧悬架组件3内的雪橇板35同向动作转弯；刹车状态时，所述转向驱动组件自锁，刹车电机23用于驱动两侧转向连杆216带动两侧悬架组件3内的雪橇板35向内旋转刹车。悬架组件3不限于本申请中公开的具体的双叉臂结构外，还可以采用麦佛逊式悬架、多连杆悬架等。

在本实施例中，所述直线驱动组件包括第四齿轮28、丝杆29和丝杆螺母210，所述第四齿轮28与第二齿轮26相啮合，所述丝杆29转动连接在横向滑动架22上，所述丝杆螺母210与丝杆29螺纹连接，所述丝杆螺母210与上叉臂框架211相连。第四齿轮28在转动时会带动丝杆29进行转动，丝杆29转动会带动丝杆螺母210进行运动，运动方向取决于刹车电机23的运转方向。丝杆螺母210运动会带动上叉臂框架211沿前后方向进行运动。

在本实施例中，所述第二齿条212通过下齿条连接件214与对应侧的转向连杆216相铰接。通过转向连杆216来进行运动方向的控制，能够减少关节的数量，起到可靠传动的效果。

在本实施例中，所述第三齿条213通过上齿条连接件215与对应侧的转向连杆216相铰接。通过转向连杆216来进行运动方向的控制，能够减少关节的数量，起到可靠传动的效果。

在本实施例中，所述下齿条连接件214和上齿条连接件215均通过导向元件与横向滑动架22滑动连接。导向元件可以采用导轨滑块机构来进行实现，此处为现有技术，不做赘述。

在本实施例中，所述悬架组件3还包括下叉臂31、雪橇立轴32和上叉臂33，所述下叉臂31一端与机架1相铰接、另一端与雪橇立轴32相铰接，所述上叉臂33一端与上叉臂框架211相铰接、另一端与雪橇立轴32相铰接，所述雪橇立轴32下端与雪橇板35相连。

在本实施例中，所述上叉臂33和下叉臂31均通过球铰与雪橇立轴32相铰接。

在本实施例中，所述悬架组件3还包括减震器34，所述减震器34一端与机架1相铰接、另一端与下叉臂31相铰接。减震器34能够起到减震的作用，减少行进过程中的颠簸。

在本实施例中，所述转向驱动组件包括转向电机21和第一齿轮24，所述转向电机21定子固定连接在机架1上，所述转向电机21的转动端与第一齿轮24相连，所述横向滑动架22上端面上设置第一齿条25，所述第一齿轮24与第一齿条25相啮合。通过转向电机21能够带动第一齿轮24进行转动，第一齿轮24进行转动能够带动第一齿条25进行运动，从而带动横向滑动架22进行横向运动，横向滑动架22的运动方向取决于转向电机21的转子的转动方向，从而为转向提供动力。

在本实施例中，所述第二齿条212和第三齿条213分别与第三齿轮27的下边缘和上边缘啮合，所述第二齿条212和第三齿条213相对于第三齿轮27呈中心对称分布。从而使第三齿轮27在进行转动的时候能够带动第二齿条212和第三齿条213进行相向运动，从而帮助雪橇板35完成刹车动作。

雪橇立轴32与地面在与前进方向平行的平面上的夹角为主销后倾角，雪橇立轴32与地面在与机器人前进方向垂直的平面上的夹角为主销内倾角。

立刃是滑雪运动的技术动作，指滑雪者在转弯时通过立刃使板刃刻进雪里、在雪面上留下深而细的雪辙的转弯技术动作。该动作可以在雪地中转向时，提供更好的侧向抓地力；在犁式刹车时，提供更大的阻力。

使用时，首先本机构安装在雪车或者是其他运动机构上；

转向时，刹车电机23保持锁止，从而使第二齿轮26和第三齿轮27保持锁定，从而锁定了第二齿条212和第三齿条213的位置，继而使得下齿条连接件214和上齿条连接件215之间的相对位置呈现锁定状态，同时第二齿轮26的锁定能够保证丝杆29不会旋转，从而锁定了上叉臂框架211的位置，使得上叉臂框架211与横向滑动架22的相对位置不发生改变，此时运转转向电机21，转向电机21的转子会带动第一齿轮24进行转动，第一齿轮24进行转动会带动第一齿条25进行运动，运动方向向左或者向右，取决于转向电机21转子的转动方向。第一齿条25继而带动横向滑动架22进行运动，横向滑动架22会带动下齿条连接件214、上齿条连接件215以及上叉臂框架211作为一个整体进行整体的左右方向的移动，下齿条连接件214和上齿条连接件215会通过对应侧的转向连杆216带动雪橇立轴32进行转动，两侧雪橇立轴32的转动方向相同，从而实现转向动作，进行左转或者右转取决于转向电机21转子的转动方向。横向滑动架22平动的过程中，上叉臂33与机架1的连接点就会沿左右方向发生改变，即使主销内倾角发生改变。例如左转时，左右两侧的雪橇板35的左侧都会向下转动、右侧向上转动，和滑雪中的立刃动作一致，使雪橇板35的板刃刻进雪里、在雪面上留下深而细的雪辙的转弯技术动作。该动作可以在雪地中转向时，提供更好的侧向抓地力。右转同理。

刹车时，采用复合运动操纵机构，使前部雪橇板35呈犁式刹车状态进行减速。此时，转向电机21保持锁止，这样横向滑动架22也会保持位置锁定。刹车电机23运转使其转子进行转动，从而带动第二齿轮26和第三齿轮27进行同向旋转。与第三齿轮27啮合的第二齿条212和第三齿条213沿左右方向平动且都往内侧进行相向运动。此时，下齿条连接件214和上齿条连接件215会带动两侧的转向连杆216向内侧运动，使得雪橇立轴32向内旋转，从而使两侧雪橇板35呈内八字，即犁式刹车动作。在此过程中与第二齿轮26啮合的第四齿轮28带动丝杆29旋转，丝杆29旋转会带动丝杆螺母210运动，丝杆螺母210会带动整个上叉臂框架211向后运动，这样，上叉臂框架211运动会使上叉臂33与机架1的连接点就会沿前后方向发生改变。由于下叉臂31与机架1的连接点不变，雪橇立轴32与地面在与机器人前进方向平行的平面上的夹角即主销前倾角会发生改变，从而使雪橇板35发生角度变化其板刃刻进雪里。此动作即实现立刃犁式刹车。改变刹车电机23的旋转角度，可改变雪橇向内旋转和主销后倾角的大小，实现对减速度的控制。

以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

Claims (10)

1.一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构，其特征在于：包括机架(1)、转向组件(2)和悬架组件(3)，所述转向组件(2)设置在机架(1)内，所述悬架组件(3)设置有两个并对称连接在机架(1)的左右两侧，全部悬架组件(3)均与转向组件(2)相连；所述转向组件(2)包括转向驱动组件、横向滑动架(22)、刹车电机(23)、第二齿轮(26)、第三齿轮(27)、直线驱动组件、上叉臂框架(211)、第二齿条(212)、第三齿条(213)和转向连杆(216)，所述转向驱动组件与机架(1)相连，所述横向滑动架(22)沿左右方向滑动连接在机架(1)上，所述转向驱动组件与横向滑动架(22)相连，所述刹车电机(23)定子固定连接在横向滑动架(22)上，所述刹车电机(23)转子上沿轴向间隔布置有第二齿轮(26)和第三齿轮(27)，所述第二齿轮(26)与直线驱动组件相啮合，所述第二齿条(212)和第三齿条(213)均与第三齿轮(27)相啮合，所述第二齿条(212)和第三齿条(213)均滑动连接在横向滑动架(22)上，所述刹车电机(23)转子转动时第二齿条(212)和第三齿条(213)相向运动，所述第二齿条(212)远离刹车电机(23)一端和第三齿条(213)远离刹车电机(23)一端均铰接一个转向连杆(216)，每个转向连杆(216)远离刹车电机(23)一端与对应侧的悬架组件(3)相铰接，所述上叉臂框架(211)沿前后方向滑动连接在横向滑动架(22)上，所述上叉臂框架(211)和横向滑动架(22)均与直线驱动组件相连，所述刹车电机(23)转动端转动时通过直线驱动组件带动上叉臂框架(211)滑动，所述上叉臂框架(211)与悬架组件(3)相连；转向状态时，所述刹车电机(23)自锁，转向驱动组件运转用于驱动横向滑动架(22)和两侧转向连杆(216)同步运动带动两侧悬架组件(3)内的雪橇板(35)同向动作转弯；刹车状态时，所述转向驱动组件自锁，刹车电机(23)用于驱动两侧转向连杆(216)带动两侧悬架组件(3)内的雪橇板(35)向内旋转刹车。

2.根据权利要求1所述的一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构，其特征在于：所述直线驱动组件包括第四齿轮(28)、丝杆(29)和丝杆螺母(210)，所述第四齿轮(28)与第二齿轮(26)相啮合，所述丝杆(29)转动连接在横向滑动架(22)上，所述丝杆螺母(210)与丝杆(29)螺纹连接，所述丝杆螺母(210)与上叉臂框架(211)相连。

3.根据权利要求1所述的一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构，其特征在于：所述第二齿条(212)通过下齿条连接件(214)与对应侧的转向连杆(216)相铰接。

4.根据权利要求3所述的一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构，其特征在于：所述第三齿条(213)通过上齿条连接件(215)与对应侧的转向连杆(216)相铰接。

5.根据权利要求4所述的一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构，其特征在于：所述下齿条连接件(214)和上齿条连接件(215)均与横向滑动架(22)滑动连接。

6.根据权利要求1所述的一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构，其特征在于：所述悬架组件(3)还包括下叉臂(31)、雪橇立轴(32)和上叉臂(33)，所述下叉臂(31)一端与机架(1)相铰接、另一端与雪橇立轴(32)相铰接，所述上叉臂(33)一端与上叉臂框架(211)相铰接、另一端与雪橇立轴(32)相铰接，所述雪橇立轴(32)下端与雪橇板(35)相连。

7.根据权利要求6所述的一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构，其特征在于：所述上叉臂(33)和下叉臂(31)均通过球铰与雪橇立轴(32)相铰接。

8.根据权利要求6或7所述的一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构，其特征在于：所述悬架组件(3)还包括减震器(34)，所述减震器(34)一端与机架(1)相铰接、另一端与下叉臂(31)相铰接。

9.根据权利要求1所述的一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构，其特征在于：所述转向驱动组件包括转向电机(21)和第一齿轮(24)，所述转向电机(21)定子固定连接在机架(1)上，所述转向电机(21)的转动端与第一齿轮(24)相连，所述横向滑动架(22)上端面上设置第一齿条(25)，所述第一齿轮(24)与第一齿条(25)相啮合。

10.根据权利要求1所述的一种立刃转向和立刃犁式刹车的复合运动操纵机构，其特征在于：所述第二齿条(212)和第三齿条(213)分别与第三齿轮(27)的下边缘和上边缘啮合，所述第二齿条(212)和第三齿条(213)相对于第三齿轮(27)呈中心对称分布。