一種基于并聯機構的無人復雜路面自適應小車的制作方法

本發明涉及一種基于并聯機構的無人復雜路面自適應小車。

背景技術：

現代社會對未知事物的探索越來越深，但由于環境和人類的生理條件等限制，在很多復雜的山地情況下，不方便人前往，這時就需要有機器來代替人去進行勘探和探索。在山地地面崎嶇、凹凸不平的情況下，普通勘察車雖然可以做到四輪驅動來避免野外拋錨，但是由于自由度不夠，驅動輪之一被懸置的事件常常發生，因此需要設計一輛多自由度的自適應勘察小車，可以用來代替人在野外地面崎嶇、極端的環境下勘探。

因勘察車主要在崎嶇的道路上行駛，使用條件相當復雜，車架作為全地形車的最重要的承載部件，在越野車行駛過程中需要承受各種載荷，因此，車架在結構的強度、剛度方面就必須要滿足實際要求。同時為減少成本，車身整體的輕量化也是必然的趨勢。全地形車的懸架主要被設計用來傳遞作用在車輪和車架（或車身）之間的各種力和力矩，緩和因路面的不平度而引起的車架（或車身）的沖擊載荷，并對由此引起的振動進行衰減。全地形車主要行駛于相當復雜的道路環境，為確保全地形車在行駛時良好的平順性能、操縱穩定性能和車上裝備的各項勘探設備穩定運行等性能，對懸架系統的各項性能參數都要有相當高的設計要求，以使全地形車適應各種復雜的作業的要求。目前，國內外關于研究遙控山地越野車的研究成果已經很多，經研究該類機器的發展概況，全地形車最早出現于瑞典、蘇聯等少數幾個位于北半球的國家，最大的特點是可以在普通車輛難以機動的地形上行走自如。現已有的無人勘探山地車能夠做到前后四輪由多個電機帶動都能夠被驅動，美國卡內基·梅隆大學的spinner和crusher平臺建立了基于混合動力模式的輪式無人地面勘察車，主要研究的是無人車的動力、結構和維護性的問題，但是并沒有做到輕巧且適應凹凸沙面地形勘察任務，同時自重比太大，無法持續在極端環境下作業。美國h&h公司研制了履帶式基于ripsaw平臺的越野無人車，通過增大動力同時減小自重比來提高時速，但是基于輪轂履帶來適應復雜環境，沒有在對無人車結構上通過增加自由度來調整。國內對于多輪獨立電驅動無人車有較多的研究，同濟大學研究了四輪轂電驅動無人車春暉三號，但是由于其功率較小，無法滿足全地形需求。由此可知將四輪驅動技術與六桿并聯機構結合（球鉸連接、可調彈簧減震器代替兩桿）的多自由度無人的復雜路面自適應的勘察小車技術還剛剛起步。

此外，復雜地形情況下使用的多自由度自適應小車將有很多應用，將改善人類對環境惡劣的山地地區的探索條件。該六桿并聯機構自適應小車，適合在崎嶇不平的山地上行走，可以安裝各種所需的設備包括影像采集設備、環境探測設備、紅外設備、太陽能搜集設備等，根據需要在車上搭載不同設備來增加車的使用功能。

本發明針對無人復雜路面自適應小車進行了總體設計，設計車體前后四輪都可以被驅動，由前后兩個電機帶動，電機為原動件，從電機到車輪轉動，中間設計傳動機構和轉向機構。另外，在復雜的山地路況下行走，如果車體自由度少，容易發生側翻機車輪被懸空狀況，因此，設計車體應具有多自由度。車體車架和動力、運動部分不通過剛性聯接，而是通過多桿機構聯接兩部分，桿與車體通過球形鉸鏈聯接以增大自由度。特別采用一個彈簧減震器代替其中一桿，使得桿的長度可以伸縮變化的同時有減震作用。一個多桿機構能夠使整車自由度增加很多，更適合復雜山地下行走。車體車架上可以安裝供能系統、控制系統、電氣系統和需要的儀器，以增加車的附加實際用途，本發明主要設計車的機械結構和動力傳動部分。在方案設計過程中，考慮到很多現場實際應用時的要求，使得整車具有直接生產并投入使用的優勢。

技術實現要素：

本發明的目的在于針對未知的復雜地形條件的無人勘察車，由于路面崎嶇不平，驅動輪容易被懸置空，且由于穩定性不佳使車上搭載的偵查設備無法正常工作而導致勘察失敗。提供一種基于并聯機構的無人復雜路面自適應小車，前后四輪都可以被驅動，基于六桿并聯機構傳動，非常適合在崎嶇不平的山地上行走，通過無線遙控設計操縱舵機通過連桿控制萬向聯軸器，萬向連軸器連接傳動軸和車輪軸，實現兩軸能夠水平成一定夾角傳動，即車輪可以轉向，整車各零部件適合通過3d打印技術制造。并且可以安裝各種所需的設備包括影像采集設備、環境探測設備、紅外設備、太陽能搜集設備等，根據需要在車上搭載不同設備來增加車的使用功能。

為達到上述目的，本發明的思路如下：

無人復雜路面自適應小車的工作空間是復雜、崎嶇的各種地形，包括坑洼道路、各角度彎道、沙地環境和積水路面等，搭載大功率鋰電池與太陽能電池板，它的運行距離一般也較長，在通過凹凸地面時需要盡可能保持車體自身穩定，在單輪陷入凹陷處通過多自由度傳動系統和彈簧減震系統來盡可能將輪胎貼合地面產生前進摩擦力同時保持車載設備穩定；通過遙控裝置和無線接收裝置控制舵機轉向和前進速度，解決無人復雜路面自適應小車運動情況單一、實用性能不夠好等情況，同時滿足智能化、小型化、自動化的要求。

基于以上思路，本發明采用如下技術方案：

一種基于并聯機構的無人復雜路面自適應小車，由車身支架和動力裝置組成，所述車身支架包括車頂外殼、側板車架結構、底盤車架結構、六桿并聯機構、保險杠與擋泥板結構，所述動力裝置包括舵機轉向系統、電機傳動系統、輪胎連接裝置，所述車頂外殼與側板車架結構的預留孔通過四組螺釘固定連接，側板車架結構與底盤車架結構固定聯接，六桿并聯機構通過球鉸聯接與側板車架結構連接，通過連桿支架與電機傳動系統連接，保險杠與擋泥板結構與電機傳動系統固定聯接；所述舵機轉向系統通過滾動軸承聯接輪胎連接裝置，通過螺釘與電機傳動系統固定聯接，電機傳動系統與輪胎連接裝置通過聯接。

所述車頂外殼由一個頂殼、前后兩個側殼和兩塊太陽能電池板構成，頂殼與側板車架通過四組螺栓連接，頂殼的前后兩側處各設計有兩個銷孔，每個側殼頂部都設計有一個銷孔，頂殼與側殼通過鉸鏈連接，側殼底部均設計有一個球座槽，與連桿支架上的直桿通過球鉸聯接連接；太陽能電池板與側殼通過卡槽連接。

所述側板車架結構由支桿與平型支架構成，采取左右對稱布置，通過四個支桿螺釘固定聯接，12處球鉸聯接通過螺釘固定在側板車架預留孔內外兩側，在左右側板車架上分別通過螺釘連接四個平行支架，在每個側板車架上預先留有22個螺紋孔用于后期安裝車載設備使用，側板車架與電池板采用螺釘固定連接。

所述底盤車架結構由電池板與電池夾構成，兩者通過螺栓連接。

所述六桿并聯機構包括兩個彎桿、避震器、兩個直桿和兩個彈簧減震器組合結構；彈簧減震器組合結構包括減震彈簧、球座、球體、短直桿、螺柱和連桿支架，其中避震器和上下兩個球座通過花鍵連接，球體和球座中間設有螺紋孔，球座和短直桿連接，短直桿中間設計一個螺紋孔；球體在球座內自由轉動，具有3個自由度；六桿并聯機構中包含有兩直桿與兩彎桿，彎桿在桿的1/3處彎曲，彎曲角度為135°；兩直桿與兩彎桿分別與側板車架結構、電機傳動系統通過球鉸聯接相連，四連桿的每個直桿、彎桿與球座通過螺柱聯接，每個直桿通過球鉸聯接與連桿支架相連。

所述保險杠和擋泥板結構由三個連桿、兩個底架和擋泥板構成，連桿與底架通過螺栓固定連接，底架與電機傳動系統的短傳動軸軸套通過螺栓連接；擋泥板與底架采用兩兩一組，共兩組螺栓連接固定。

所述舵機轉向系統由舵機固定板、舵機、長直桿、短直桿、第一連軸萬向節支撐件、第二連軸萬向節支撐件、舵機支撐件構成；第一連軸萬向節支撐件、第二連軸萬向節支撐件前后左右均布置，舵機通過與短直桿球鉸聯接來控制第二連軸萬向節支撐件，第二連軸萬向節支撐件與第一連軸萬向節支撐件通過螺釘聯接，第一連軸萬向節支撐件又與長傳動軸軸套自攻螺釘聯接，第二連軸萬向節支撐件與長直桿球鉸聯接，舵機與舵機固定板聯接，舵機固定板又與長傳動軸軸套聯接，舵機支撐件與舵機固定板螺釘聯接。

所述電機傳動系統包括電機、電機齒輪、減速齒輪、齒輪軸、減速器殼、長傳動軸、短傳動軸、長傳動軸軸套、短傳動軸軸套、夾套；電機與電機齒輪聯接，減速齒輪與齒輪軸通過滾動軸承聯接，電機齒輪與減速齒輪嚙合，減速器殼與連桿支架螺栓固定，又與長傳動軸軸套、短傳動軸軸套螺釘固定，減速齒輪與長傳動軸通過滾動軸承聯接，夾套前后左右分布，與長傳動軸軸套、短傳動軸軸套夾緊聯接。

所述輪胎連接裝置包括輪胎軸、輪胎、輪轂、輪胎固定圈、滾動軸承、輪胎固定螺栓、萬向節軸、固定銷、萬向節緊定螺釘；輪轂通過螺釘與輪胎固定圈聯接，滾動軸承與第一連軸萬向節支撐件、萬向節軸連接，輪胎固定螺栓與輪胎軸固定連接，固定銷與輪胎軸卡槽連接，輪胎軸與輪轂均為六角形卡緊聯接，長傳動軸與萬向接軸卡槽聯接。

與現有技術相比，本發明具有如下突出的實質性特點和顯著的優點：

本發明采用通過六桿機構聯接車體車架和動力、運動部分，桿與車體通過球形鉸鏈聯接而不通過剛性連接，前后四輪都可以被驅動且具有自由度多，穩定性好，空間小，相比人工作業，工作效率可以提高一倍以上，相比大型勘察車而言，價格低廉，維護簡單，適合進行批量生產，經濟效益可觀。

附圖說明

圖1為本發明一種基于并聯機構的無人復雜路面自適應小車整體結構示意圖。

圖2為本發明一種基于并聯機構的無人復雜路面自適應小車車頂外殼示意圖。

圖3為本發明一種基于并聯機構的無人復雜路面自適應小車側板車架示意圖。

圖4為本發明一種基于并聯機構的無人復雜路面自適應小車底盤車架結構示意圖。

圖5為本發明一種基于并聯機構的無人復雜路面自適應小車六桿并聯機構示意圖。

圖6為本發明一種基于并聯機構的無人復雜路面自適應小車保險杠與擋泥板示意圖。

圖7為本發明一種基于并聯機構的無人復雜路面自適應小車舵機轉向系統示意圖。

圖8為本發明一種基于并聯機構的無人復雜路面自適應小車電機傳動系統示意圖。

圖9為本發明一種基于并聯機構的無人復雜路面自適應小車輪胎連接裝置示意圖。

圖10為本發明一種基于并聯機構的無人復雜路面自適應小車球鉸聯接示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖及優選實施例對本發明的技術方案作進一步說明。

如圖1所示，一種基于并聯機構的無人復雜路面自適應小車，由車身支架和動力裝置組成，所述車身支架包括車頂外殼100、側板車架結構200、底盤車架結構300、六桿并聯機構400、保險杠與擋泥板結構500，所述動力裝置包括舵機轉向系統600、電機傳動系統700、輪胎連接裝置800，所述車頂外殼100與側板車架結構200的預留孔通過四組螺釘固定連接，側板車架結構200與底盤車架結構300固定聯接，六桿并聯機構400通過球鉸聯接900與側板車架結構200連接，通過連桿支架407與電機傳動系統700連接，保險杠與擋泥板結構500與電機傳動系統700固定聯接；所述舵機轉向系統600通過滾動軸承804聯接輪胎連接裝置800，通過螺釘與電機傳動系統700固定聯接，電機傳動系統700與輪胎連接裝置通過800聯接。

如圖2所示，所述車頂外殼100由一個頂殼101、前后兩個側殼102和兩塊太陽能電池板105構成，頂殼101與側板車架200通過四組螺栓連接，頂殼101的前后兩側處各設計有兩個銷孔，每個側殼102頂部都設計有一個銷孔，頂殼101與側殼102通過鉸鏈104連接，側殼102底部均設計有一個球座槽103，與連桿支架407上的直桿406通過球鉸聯接900連接；太陽能電池板105與側殼102通過卡槽連接。

如圖3所示，所述側板車架結構200由支桿201與平型支架202構成，采取左右對稱布置，通過四個支桿201螺釘固定聯接，12處球鉸聯接900通過螺釘固定在側板車架200預留孔內外兩側，在左右側板車架200上分別通過螺釘連接四個平行支架202，在每個側板車架200上預先留有22個螺紋孔用于后期安裝車載設備使用，側板車架200與電池板301采用螺釘固定連接。

如圖4所示，所述底盤車架結構300由電池板301與電池夾302構成，兩者通過螺栓連接。

如圖5和圖10所示，所述六桿并聯機構400包括兩個彎桿401、避震器402、兩個直桿406和兩個彈簧減震器組合結構404；彈簧減震器組合結構404包括減震彈簧403、球座902、球體901、短直桿604、螺柱405和連桿支架407，其中避震器402和上下兩個球座902通過花鍵連接，球體901和球座902中間設有螺紋孔，球座902和短直桿604連接，短直桿604中間設計一個螺紋孔；球體901在球座902內自由轉動，具有3個自由度；六桿并聯機構400中包含有兩直桿406與兩彎桿401，彎桿401在桿的1/3處彎曲，彎曲角度為135°；兩直桿406與兩彎桿401分別與側板車架結構200、電機傳動系統700通過球鉸聯接900相連，四連桿的每個直桿406、彎桿401與球座902通過螺柱聯接，每個直桿406通過球鉸聯接900與連桿支架407相連。

如圖6所示，所述保險杠和擋泥板結構500材料均采用abs塑料，由三個連桿501、兩個底架502和擋泥板503構成，連桿501與底架502通過螺栓固定連接，底架502與電機傳動系統700的短傳動軸軸套709通過螺栓連接；擋泥板503與底架502采用兩兩一組，共兩組螺栓連接固定。

如圖7所示，所述舵機轉向系統600由舵機固定板601、舵機602、長直桿603、短直桿604、第一連軸萬向節支撐件605、第二連軸萬向節支撐件606、舵機支撐件607構成；第一連軸萬向節支撐件605、第二連軸萬向節支撐件606前后左右均布置，舵機602通過與短直桿604球鉸聯接來控制第二連軸萬向節支撐件606，第二連軸萬向節支撐件606與第一連軸萬向節支撐件605通過螺釘聯接，第一連軸萬向節支撐件605又與長傳動軸軸套703自攻螺釘聯接，第二連軸萬向節支撐件606與長直桿603球鉸聯接，舵機602與舵機固定板601聯接，舵機固定板601又與長傳動軸軸套703聯接，舵機支撐件607與舵機固定板601螺釘聯接。

如圖8所示，所述電機傳動系統700包括電機701、電機齒輪702、減速齒輪705、齒輪軸706、減速器殼704、長傳動軸707、短傳動軸708、長傳動軸軸套703、短傳動軸軸套709、夾套710；電機701與電機齒輪702聯接，減速齒輪705與齒輪軸706通過滾動軸承804聯接，電機齒輪702與減速齒輪705嚙合，減速器殼704與連桿支架407螺栓固定，又與長傳動軸軸套703、短傳動軸軸套709螺釘固定，減速齒輪705與長傳動軸707通過滾動軸承804聯接，夾套710前后左右分布，與長傳動軸軸套703、短傳動軸軸套709夾緊聯接。

如圖9所示，所述輪胎連接裝置800包括輪胎軸809、輪胎801、輪轂802、輪胎固定圈803、滾動軸承804、輪胎固定螺栓805、萬向節軸806、固定銷808、萬向節緊定螺釘807；輪轂802通過螺釘與輪胎固定圈803聯接，滾動軸承804與第一連軸萬向節支撐件605、萬向節軸806連接，輪胎固定螺栓805與輪胎軸809固定連接，固定銷808與輪胎軸809卡槽連接，輪胎軸809與輪轂802均為六角形卡緊聯接，長傳動軸707與萬向接軸806卡槽聯接。

本發明的工作過程為：以動力裝置為核心，控制系統為中心，通過控制系統使電機轉動輸出轉速，三級齒輪減速器705減速后將轉速傳遞到長傳動軸707上，通過滾動軸承804和輪胎軸809帶動輪胎轉動。舵機602擺動帶動短直桿604實現轉向，當遇到地面凹陷或地表不平時，萬向聯軸器連有六桿并聯機構400和彈簧減震器組合結構404，通過六桿并聯機構400減震傳動，車頂外殼100與電機傳動系統700也有球鉸聯接，采用兩個彈簧減震器組合結構404代替其中兩桿，使得桿的長度可以伸縮變化的同時有減震作用。車頂外殼100前后兩塊面板和車體通過球鉸聯接，在彈簧減震器組合結構404被壓縮后，車頂可以不隨車體運動。

在整個一種基于并聯機構的無人復雜路面自適應小車結構中，有兩個20v大電機701和兩塊太陽能電池板105，利用四個動力源使勘察車完成復雜地形下的勘察作業過程；利用一系列檢測裝置如位移檢測、速度檢測、加速度檢測、壓力檢測等將實時數據反饋到控制單元，控制單元對各模塊機構的運動進行調整，使無人復雜路面自適應小車處于最佳工作狀態。