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1、(10)申请公布号 CN 103144691 A (43)申请公布日 2013.06.12 CN 103144691 A *CN103144691A* (21)申请号 201310087460.8 (22)申请日 2013.03.19 B62D 57/02(2006.01) (71)申请人 北京交通大学 地址 100044 北京市海淀区西直门外上园村 3 号 (72)发明人 姚燕安 田耀斌 王洁羽 (54) 发明名称 六自由度滚动机构 (57) 摘要 本发明公开一种六自由度滚动机构， 包括第 一至第四接头组件 （A2、 A4、 A6、 A8） 和第一至第四 分叉组件 （A1、 A3、 A5、 。
2、A7） ； 每个接头组件设有三 个连接轴， 每个分叉组件均设有三个连接管 ； 第 一分叉组件 （A1） 还设有三个舵机， 第二、 第三、 第 四分叉组件 （A3、 A5、 A7） 均设有一个舵机 ； 第一接 头组件 （A2） 与第一、 第二、 第三分叉组件 （A1、 A3、 A5）通过销钉固定 ； 第二接头组件 （A4）与第二、 第三、 第四分叉组件 （A3、 A5、 A7） 通过销钉固定 ； 第三接头组件 （A6） 与第一、 第三、 第四分叉组件 （A1、 A5、 A7） 通过销钉固定 ； 第四接头组件 （A8） 与 第一、 第二、 第四分叉组件 （A1、 A2、 A7） 通过销钉 固定， 。
3、通过上述的连接， 该机构由六个舵机控制实 现变形与滚动。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 3 页 附图 7 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书3页 附图7页 (10)申请公布号 CN 103144691 A CN 103144691 A *CN103144691A* 1/2 页 2 1. 六自由度滚动机构， 其特征在于， 由第一至第四接头组件 （A2、 A4、 A6、 A8） 和第一至 第四分叉组件 （A1、 A3、 A5、 A7） 组成 ； 所述的第一接头组件 （A2） 上通过弹性件安装有三个连接轴 （30、 32、 3。
4、4） ； 第二、 三、 四接头组件 （A4、 A6、 A8） 的尺寸与结构与第一接头组件 （A2） 相同 ； 所述的第一分叉组件 （A1） 设有三个连接管 （4、 8、 13） ； 所述的第二分叉组件 （A3） 设有三个连接管 （18、 22、 27） ； 第三、 第四分叉组件 （A5、 A7） 结构与尺寸与第二分叉组件 （A3） 相同 ； 其连接关系如下 ： 第一接头组件 （A2） 上的三个连接轴分别和第一分叉组件 （A1） 上的连接管 （4） 、 第二分 叉组件 （A3） 上的连接管 （18） 、 第三分叉组件 （A5） 上的连接管 （18） 通过销钉固定 ； 第二接头组件 （A4） 上的。
5、三个连接轴分别和第二分叉组件 （A3） 上的连接管 （22） 、 第三 分叉组件 （A5） 上的连接管 （22） 、 第四分叉组件 （A7） 上的连接管 （18） 通过销钉固定 ； 第三接头组件 （A6） 上的三个连接轴分别和第一分叉组件 （A1） 上的连接管 （8） 、 第三分 叉组件 （A5） 上的连接管 （27） 、 第四分叉组件 （A7） 上的连接管 （22） 通过销钉固定 ； 第四接头组件 （A8） 上的三个连接轴分别和第一分叉组件 （A1） 上的连接管 （13） 、 第二 分叉组件 （A3） 上的连接管 （27） 、 第四分叉组件 （A7） 上的连接管 （27） 通过销钉固定 ； 。
6、通过上述连接， 完成六自由度滚动四面体机构组装。 2. 根据权利要求 1 所述的六自由度滚动机构， 其特征在于 ： 第一分叉组件 （A1） 包括三 个舵机 （1、 10、 14） 、 三个 U 件 （2、 6、 11） 、 三个法兰 （3、 7、 12） 、 三个连接管 （4、 8、 13） 、 顶点支 撑盘 （9） 、 电机连接块 （5） ； 所述的电机连接块 （5） 为三叉形状， 三叉的端部为 “ ” 形，“ ” 形侧面开有两组螺纹孔 （5a） 用于和舵机上对应的两组孔固定 ； 所述的电机连接块 （5） 的三个 “ ” 形端部分别和三个舵机 （1、 10、 14） 的一端通过螺钉 连接在一。
7、起 ； 所述的电机连接块 （5） 的中部开有螺纹孔 （5b） ， 通过螺钉和顶点支撑盘 （9） 固定 ； 所述的 U 形件 （2） 的开口端和舵机 （1） 的舵盘通过螺钉固定连接， U 形件 （2） 的封闭端 通过螺钉固定连接法兰 （3） ， 法兰 （3） 通过螺纹固定连接连接管 （4） ,U 形件 （6） 和法兰 （7） 、 舵机 （10） 、 连接管 （8） 之间的连接关系与上述的连接关系相同 ； U 形件 （11） 、 舵机 （14） 、 法 兰 （12） 、 连接管 （13） 之间的连接关系也与上述的连接关系相同 ； 通过上述的连接， 第一分叉组件 （A1） 上的三个舵机 （1、 10。
8、、 14） 可分别驱动三个连接管 （4、 8、 13） 绕舵机轴转动。 3. 根据权利要求 1 所述的六自由度滚动机构， 特征在于 ： 第二分叉组件 （A3） 包括一 个舵机 （15） 、 两个配重 （24、 28） 、 三个 U 件 （16、 20、 25） 、 三个法兰 （17、 21、 26） 、 三个连接管 （18、 22、 27） 、 顶点支撑盘 （23） 、 电机连接块 （19） ； 所述的电机连接块 （19） 的三个 “ ” 形端部分别和一个舵机 （15） 和两个配重块 （24、 28） 的一端通过螺钉连接在一起 ； 所述的电机连接块 （19） 的中部开有螺纹孔， 通过螺钉和顶点。
9、支撑盘 （23） 固定 ； 所述的 U 形件 （20） 的开口端和配重 （24） 的通孔通过转销活动连接， U 形件 （20） 的封 闭端通过螺钉固定连接法兰 （21） ， 法兰 （21） 通过螺纹固定连接连接管 （22） ； U 形件 （25） 和 权 利 要 求 书 CN 103144691 A 2 2/2 页 3 法兰 （26） 、 配重 （28） 、 连接管 （27） 之间的连接关系与上述的连接关系相同， 所述的 U 形件 （16） 的开口端和舵机 （15） 的舵盘通过螺钉固定连接， U 形件 （16） 的封闭端通过螺钉固定 连接法兰 （17） ， 法兰 （17） 通过螺纹固定连接连接。
10、管 （18） ； 通过上述的连接， 第二分叉组件 （A3） 上的舵机 （15） 驱动连接管 （18） 绕舵机轴转动。 所述的第三和第四分叉组件 （A5、 A7） 的连接方式和尺寸与第二分叉组件 （A3） 完全相 同。 4. 根据权利要求 1 所述的六自由度滚动机构， 特征在于 ： 所述的每个接头组件包括一 个连接球， 三个弹性件， 三个连接轴， 所述的三个连接轴分别通过弹性件组装在连接球上。 权 利 要 求 书 CN 103144691 A 3 1/3 页 4 六自由度滚动机构 技术领域 0001 本发明涉及一种滚动步行机构， 具体涉及一种多面体滚动机构。该装置可用于军 事领域中侦查、 监视恐。
11、怖事件及排雷等。 背景技术 0002 中国专利申请 CN2789106Y 公开了一种单动力滚动四杆机构。该机构由 4 根杆组 成， 并由一个电机驱动。它可以实现平面内的滚动前进。但此设计只是在一个方向运动， 不 能实现转向， 从而无法实现在平面内任意运动。 0003 中国专利申请 CN101890714A 公开了一种单自由度连杆移动机器人。该机器人能 够利用机构的重心位置变化以及运动过程中的不稳定状态， 实现机器人的定向移动与转向 功能。但其自由度较少， 灵活性欠佳。 发明内容 0004 本发明所要解决的技术问题 ： 是在已有多面体滚动机构基础上， 拓展出一种多自 由度四面体移动机构， 增强变。
12、形能力， 能够更灵活地实现滚动以及转向功能， 提高机构的移 动性能。 0005 本发明的技术方案 ： 四面体在几何上由四个面和四个顶点组成， 每个顶点上连接 三个面， 根据几何特征， 设计相应的机械结构。 其中机构主要包括四个相同接头组件和四个 分叉组件。四个分叉组件上， 有一分叉组件上有三个舵机， 其余分叉组件上各有一个舵机， ； 接头组件为球副。该机构具有 6 个自由度， 可分别由 6 个舵机控制。 0006 本发明的有益效果 ： 由于机构自由度为 6， 其变形能力强， 灵活度高， 可方便控制 机构实现滚动。此外， 定点组件和支链便于模块化设计。本发明可用于特种变形机器人的 设计， 利用机。
13、构的外形变化， 实现复杂地面上的滚动。 进一步地可设计制造特殊的地面侦查 机器人。 附图说明 0007 图 1 6 自由度四面体机构三维图 0008 图 2 第一分叉组件 （A1） 剖视图 0009 图 3 第一分叉组件 （A1） 剖视局部图 0010 图 4 电机连接块三维图 0011 图 5 第一分叉组件 （A1） 三维图 0012 图 6 第二分叉组件 （A3） 剖视图 0013 图 7 第二分叉组件 （A3） 剖视局部图 0014 图 8 第二分叉组件 （A3） 三维图 0015 图 9 第一顶点组件 （A2） 三维图 0016 图 10 六自由度滚动机构运功过程图 说 明 书 CN 。
14、103144691 A 4 2/3 页 5 具体实施方案 0017 如图 1 所示， 6 自由度滚动机构主要包括第一至第四接头组件 （A2、 A4、 A6、 A8） 和 第一至第四分叉组件 （A1、 A3、 A5、 A7） ； 所述的第一接头组件 （A2） 上通过弹性件固定有三个 连接轴 （30、 32、 34） ； 第二、 三接头组件 （A4、 A6） 尺寸与结构与 （A2） 相同 ； 所述的第一分叉组 件 （A1） 设有连接管 （4、 8、 13） ， 三个舵机 （1、 10、 14） ； 所述的第二分叉组件 （A3） 设有连接管 （18、 22、 27） . 一个舵机 （15） 。 00。
15、18 第三、 第四分叉组件 （A5、 A7） 结构与尺寸与第二分叉组件 （A3） 相同。 0019 第一接头组件 （A2） 上的三个连接轴分别和第一分叉组件 （A1） 上的连接管 （4） 、 第 二分叉组件 （A3） 上的连接管 （18） 、 第三分叉组件 （A5） 上的连接管 （18） 通过销钉固定。 0020 第二接头组件 （A4） 上的三个连接轴分别和第二分叉组件 （A3） 上的连接管 （22） 、 第三分叉组件 （A5） 上的连接管 （22） 、 第四分叉组件 （A7） 上的连接管 （18） 通过销钉固定。 0021 第三接头组件 （A6） 上的三个连接轴分别和第一分叉组件 （A1） 。
16、上的连接管 （8） 、 第 三分叉组件 （A5） 上的连接管 （27） 、 第四分叉组件 （A7） 上的连接管 （22） 通过销钉固定。 0022 第四接头组件 （A8） 上的三个连接轴分别和第一分叉组件 （A1） 上的连接管 （13） 、 第二分叉组件 （A3） 上的连接管 （27） 、 第四分叉组件 （A7） 上的连接管 （27） 通过销钉固定。 0023 如图 2 所示， 所述的第一分叉组件 （A1） ， 包括三个舵机 （1、 10、 14） 、 三个 U 件 （2、 6、 11） 、 三个法兰 （3、 7、 12） 、 三个连接管 （4、 8、 13） 、 顶点支撑盘 （9） 、 电机。
17、连接块 （5） 。 0024 如图 4 所示， 所述的电机连接块 （5） 为三叉形状， 三叉的端部为 “ ” 形，“ ” 形侧面 开有两组螺纹孔 （5a） 用于和舵机上对应的两组孔固定。 0025 如图 2 所示第一分叉组件 （A1） ， 所述的电机连接块 （5） 的三个 “ ” 形端部分别和 三个舵机 （1、 10、 14） 的一端通过螺钉连接在一起 ； 所述的电机连接块 （5） 的中部开有螺纹 孔 （5b） ， 通过螺钉和顶点支撑盘 （9） 固定。 0026 如图 3 所示， U 形件 （2） 的开口端和舵机 （1） 的舵盘通过螺钉固定连接， U 形件 （2） 的封闭端通过螺钉固定连接法兰。
18、 （3） ， 法兰 （3） 通过螺纹固定连接连接管 （4） 侧面的通孔， U 形件 （6） 和法兰 （7） 、 舵机 （10） 、 连接管 （8） 之间的连接关系与上述的连接关系相同 ； U 形件 （11） 、 舵机 （14） 、 法兰 （12） 、 连接管 （13） 之间的连接关系也与上述的连接关系相同。 0027 如图 6 所示， 所述第二分叉组件 （A3） ， 所述的电机连接块 （19） 的三个 “ ” 形端部 分别和一个舵机 （15） 和两个配重块 （24、 28） 的一端通过螺钉连接在一起。 0028 如图 7 所示， U 形件 （20、 25） 的开口端分别和配重 （24、 28）。
19、 的通孔通过转销活动连 接， 其余部件与第一分叉组件 （A1） 的连接方式相同。 0029 所述的第三、 第四分叉组件 （A5、 A7） 的连接方式与尺寸与第二分叉组件 （A3） 完全 相同。 0030 如图 9 所示， 所述的第一接头组件 （A2） 上， 通过弹性件 （29、 31、 33） 柔性连接球 （34） 和连接轴 （30、 32、 34） ， 使其形成球副连接， 连接轴与连接管一侧的通孔固定连接， 第 二、 三、 四接头组件 （A4、 A6、 A8） 与第一接头组件 （A1） 完全相同。 0031 本发明具有 6 个自由度， 通过舵机转动的角度实现整个机构的变形与滚动。为了 便于描。
20、述机构的运动过程， 用如图 10 所示的简化模型展示该机构的运动。如图 10 所示， 将 第一至第四分叉组件的中心分别用点 （P1、 P3、 P5、 P7） 表示， 第一至第四顶点组件中心分别 说 明 书 CN 103144691 A 5 3/3 页 6 用点 （P2、 P4、 P6、 P8） 表示。P1 上的三个电机分别驱动 P1、 P2 之间的杆， P1、 P8 之间的杆， P1、 P6 之间的杆 ； P3 上的一个电机驱动 P3、 P4 之间的杆 ； P5 上的一个电机驱动 P4、 P5 之间 的杆 ； P7 上的一个电机驱动 P4、 P7 之间的杆。 0032 如图 10（a） 所示，。
21、 机构的六个电机处于初始状态， 此时为一四面体， 点 （P1、 P2、 P6、 P8） 支撑在地面上。 0033 如图 10（b） 所示， P3、 P5、 P7 上的电机转动带动相应的杆转过一定角度， 使得机构 重心下降， 点 （P3、 P4、 P5、 P7） 均向下偏移。 0034 如图 10（c） 所示， P7 上的电机转动， 使得动点 P7 继续下降， 落在地面上， 机构重 心移动至左侧。 0035 如图 10（d） 所示， P1 上的电机控制点 P2 抬起， 机构重心上升。 0036 如图 10（e） 所示， 机构处于正方体状态。 0037 如图 10（f） 所示， 控制点 P4 向左。
22、下方落下， 机构重心下降并向左偏移。 0038 经过上述状态反复进行， 使机构滚动前行。 说 明 书 CN 103144691 A 6 1/7 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103144691 A 7 2/7 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103144691 A 8 3/7 页 9 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103144691 A 9 4/7 页 10 图 7 图 8 说 明 书 附 图 CN 103144691 A 10 5/7 页 11 图 9 说 明 书 附 图 CN 103144691 A 11 6/7 页 12 说 明 书 附 图 CN 103144691 A 12 7/7 页 13 图 10 说 明 书 附 图 CN 103144691 A 13 。