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      用于機器人履帶車的順應性履帶組件的制作方法

      文檔序號:4093176閱讀:209來源:國知局
      專利名稱:用于機器人履帶車的順應性履帶組件的制作方法
      技術領域
      本發(fā)明涉及一種小型無人駕駛地面機器人車輛/自動車輛。更具體地, 本發(fā)明涉及一種用于安裝柔性履帶以便支承輕型機器人車輛的懸架系統(tǒng)。
      背景技術
      無人駕駛機器人車輛可用于各種應用和環(huán)境中,例如搜索和救援、軍 事活動和工業(yè)操作。無人駕駛機器人車輛可有助于避免需要將人暴露于危 險的環(huán)境中,例如不穩(wěn)定的建筑物、軍事沖突情況、和化學、生物或核污 染的環(huán)境中。
      無人駕駛機器人車輛在試圖實現(xiàn)機動性時會面臨很多挑戰(zhàn)。地形的變 化4艮廣泛,例如包括崎嶇不平的或光滑的表面、堅石更或柔軟的地面、柏散 和易變的材料等。對于小型機器人車輛,挑戰(zhàn)會變得甚至更大。在一種環(huán) 境中運行最佳的車輛可能在另一種環(huán)境中運行不佳。
      已知使用履帶以提供一種較好的折衷,這使得機器人車輛適應地形的 各種變化,同時又保持較好的附著力和可操作性。例如,使用一對平行的 履帶的類似坦克的車輛在某些環(huán)境中可提供較高的穩(wěn)定性。
      履帶式車輛通常使用滑動轉(zhuǎn)向來進行轉(zhuǎn)向。在滑動轉(zhuǎn)向中,在車輛相對側(cè)上的履帶以不同的速率移動?;瑒愚D(zhuǎn)向的效率較低,因為部分履帶垂 直于行進方向運動。會存在與這種側(cè)向運動相對的較大的摩擦力。對于較 長的履帶,必須施加較大的作用力以克服這種摩擦力。對于較小半徑的轉(zhuǎn) 動來說滑動轉(zhuǎn)向的低效率還會增加。當車輛沒有凈的向前的運動,僅有圍 繞中央樞轉(zhuǎn)點的旋轉(zhuǎn)時,滑動轉(zhuǎn)向的低效率處于峰值。較小的轉(zhuǎn)彎半徑也 會使得由于側(cè)向運動在車輛懸架部件上造成較大的應力。因此,對于可用 的驅(qū)動動力有限的輕型機器人車輛來說,急轉(zhuǎn)彎是4艮困難的或不能夠得到 的。

      發(fā)明內(nèi)容
      本發(fā)明包括一種用于柔性履帶的懸架系統(tǒng),該懸架系統(tǒng)有助于克月良現(xiàn) 有技術中的問題和不足。在一個實施例中,該懸架系統(tǒng)包括框架,在該框 架上安裝有向前引導件、向后引導件和至少一個偏轉(zhuǎn)器。履帶可環(huán)繞向前 引導件和向后引導件。偏轉(zhuǎn)器使得履帶的向前引導件和向后引導件之間的 與地面接合的部分向下偏轉(zhuǎn),以形成尖部區(qū)域。偏轉(zhuǎn)器構造成承受全部載 荷的部件,該部件能夠相對于支承表面改變載荷在履帶的與地面接合的部 分上的分布。


      從下文結合附圖的描述和所附權利要求中可以更清楚地看到本發(fā)明。 應當理解,這些附圖僅描述了本發(fā)明的示例性實施例,它們不應當被i人為 是對本發(fā)明的范圍的限制??梢匀菀椎卣J識到,文中一般性地描述以及在 附圖中示出的本發(fā)明的部件可布置成或設計成各種不同的構造。但是下面
      將通過附圖更加詳細和具體地描述和解釋本發(fā)明,其中
      圖1示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的用于安裝柔性履帶的懸架系統(tǒng) 的透^L圖2示出根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的具有懸架系統(tǒng)的輕型機器人車輛 的透^L圖;圖3示出根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例的用于安裝柔性履帶的懸架 系統(tǒng)的側(cè)^L圖4示出根據(jù)本發(fā)明的又一示例性實施例的用于安裝柔性履帶的懸架 系統(tǒng)的側(cè)^L圖;以及
      圖5示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于將輕型機器人車輛支承于履帶上 的方法的流程圖。
      具體實施例方式
      下文對本發(fā)明的示例性實施例的詳細描述參考了附圖,該附圖形成描 述的一部分,在該附圖中作為示例示出了本發(fā)明可實施的示例性實施例。 盡管這些示例性實施例被充分詳細地描述以使得本領域技術人員能夠?qū)嵤?本發(fā)明,但應當理解可實現(xiàn)其他實施例且可在不脫離本發(fā)明的精神和范圍 的情況下對本發(fā)明作各種改變。因此,下文對本發(fā)明的實施例的更詳細的 描述并不用于限制所要求的本發(fā)明的范圍,而僅僅為了進行舉例說明且不 限制對本發(fā)明的特點和特征的描述,以提出執(zhí)行本發(fā)明的最佳方式,并足 以使得本領域技術人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明。從而,本發(fā)明的范圍僅由所附權 利要求來限定。
      下文對本發(fā)明的詳細描述和示例實施例可結合附圖來更好地理解,其 中本發(fā)明的元件和特征由附圖標記標識。
      結合圖1,該附圖示出根據(jù)本發(fā)明的第一個示例性實施例的用于將柔 性履帶安裝于其上以便支承輕型機器人車輛的懸架系統(tǒng)。具體地,圖l示 出懸架系統(tǒng)IO,該懸架系統(tǒng)IO包括框架12,該框架具有與框架相聯(lián)接的 向前引導件14和向后引導件16。履帶18可環(huán)繞向前引導件和向后引導件。 偏轉(zhuǎn)器20在向前引導件和向后引導件之間聯(lián)接于框架。偏轉(zhuǎn)器使得履帶的 與地面接合的部分22向下偏轉(zhuǎn)以形成尖部區(qū)域24。偏轉(zhuǎn)器是承受載荷的 構件,能夠支承輕型機器人車輛。因此,偏轉(zhuǎn)器能夠相對于支承表面改變 載荷在履帶的與地面接合的部分上的分布。換句話說,偏轉(zhuǎn)器可延伸或收 縮,以造成機器人車輛的重量在履帶的與地面接合的部分上的不同分布。例如,偏轉(zhuǎn)器可延伸,以使機器人車輛的重量基本集中在偏轉(zhuǎn)器下面(履 帶的)與地面接合的部分上。作為另一示例,偏轉(zhuǎn)器可收縮,以使自動裝 置的重量基本在履帶的整個與地面接觸的部分上分布。當然,也存在這兩 個極端之間的其它不同的重量分布。重量在履帶的與地面接合的部分上的 實際分布隨著偏轉(zhuǎn)器的偏轉(zhuǎn)量和輕型機器人車輛運行的表面屬性而變化。
      從而,通過偏轉(zhuǎn)器的^Mt可相對于支承表面改變輕型機器人車輛的取向。 下面描述使用根據(jù)本發(fā)明的實施例的懸架系統(tǒng)的輕型機器人車輛的運
      行。圖2示出使用兩個履帶單元28a、 28b的輕型機器人車輛26的示例性 串聯(lián)構型,每個履帶單元具有上述懸架系統(tǒng)10。履帶單元通過鉸接臂30 連結在一起。例如,于2006年11月13日提交的題為"Serpentine Robotic Crawler"的美國臨時專利申請No. 60/858,917描述了 一種蛇形自動履帶車, 在該蛇形自動履帶車中可使用本發(fā)明的懸架系統(tǒng),該專利申請是本申請人 共同擁有的且在此引用其全部內(nèi)容作為參考。
      輕型機器人車輛26在支承表面32上運行。當在支承表面的堅硬的區(qū) 域33上運行時,履帶的尖部區(qū)域24a有助于支承履帶單元28a的基本全部 的重量。相比之下,當在支承表面的柔軟的區(qū)域34上運行時,履帶的尖部 區(qū)域24b將陷入支承表面中,且履帶單元28b的重量分布在履帶的與地面 接合的部分22b上??梢哉J識到,可協(xié)調(diào)履帶18a、 18b和鉸接臂30的操 作,以使輕型機器人車輛在履帶的尖部區(qū)域上保持平衡。
      當使用懸架系統(tǒng)10的輕型機器人車輛在堅硬的表面上運行時,偏轉(zhuǎn)器 將輕型機器人車輛升起使得履帶的大部分離開支承表面。從而,僅僅是履 帶在尖部區(qū)域24附近的較小的區(qū)域與支承表面接觸。這在執(zhí)行滑動轉(zhuǎn)向時 有助于減小摩擦,從而和常規(guī)履帶相比允許較小轉(zhuǎn)彎半徑,所述常規(guī)履帶 設置了平坦的與地面接合的表面。因此,和履帶式車輛相比,轉(zhuǎn)彎性能更 能和輪式車輛相提并論。
      當輕型機器人車輛在柔軟的表面上運行時,履帶的較大的與地面接觸 區(qū)域和支承表面相接觸。這提供了比輪式車輛更好的附著力。但是,轉(zhuǎn)彎 半徑并無較大地減小,因為柔軟的表面給履帶的側(cè)向運動提供較小的摩擦力。這樣,在堅硬的表面上,與常規(guī)履帶相比,所述懸架系統(tǒng)在轉(zhuǎn)彎半徑
      上提供了改進;而在柔軟表面上,所述懸架系統(tǒng)保持了履帶的附著優(yōu)點。
      能夠?qū)壹?0的部件作各種不同布置。又結合圖l,向前引導件14、 向后引導件16和偏轉(zhuǎn)器20可以是可轉(zhuǎn)動地安裝于框架12的滾樹roller )。 向前引導件、向后引導件和偏轉(zhuǎn)器可相對于彼此安裝在框架上的固定的位 置,但是這并不是必要的。或者,向前引導件、向后引導件或偏轉(zhuǎn)器能夠 是可動的,以例如幫助保持履帶中的張拉力不變。
      偏轉(zhuǎn)器20還可包括載荷傳感元件(未示出)。例如,載荷傳感元件可 以是本領域已知的測力儀、應變儀、壓力傳感器等。在輕型機器人車輛運 行期間,偏轉(zhuǎn)器可支承輕型機器人車輛的重量的不同部分,這樣,偏轉(zhuǎn)器 上的載荷傳感元件可提供用于控制輕型機器人車輛的有用的信息。例如, 輕型機器人車輛可以是類似坦克的構造,其中在車輛的每一側(cè)上設置平行 的履帶。每個履帶可包括偏轉(zhuǎn)器和相關聯(lián)的載荷傳感元件。當車輛處于發(fā) 生側(cè)向傾翻的危險中時,在一個偏轉(zhuǎn)器上檢測到的載荷將遠遠超過另 一偏 轉(zhuǎn)器(上檢測到的載荷)。從而可采取調(diào)整措施。
      如圖3所示,根據(jù)本發(fā)明的另一實施例,懸架系統(tǒng)40可包括可動偏轉(zhuǎn) 器組件42。例如,偏轉(zhuǎn)器20可安裝于活塞桿44,該活塞桿44被液壓缸 46向上和向下驅(qū)動。這使得在輕型機器人車輛的運行期間可調(diào)節(jié)履帶的向 下偏轉(zhuǎn)量。例如,當在硬的表面上運行時,偏轉(zhuǎn)器可向下移動以便提供急 劇彎曲的尖部區(qū)域,以使得可急轉(zhuǎn)彎。當在柔軟的表面運行時,偏轉(zhuǎn)器可 向上移動以提供較平坦的與地面接合的區(qū)域,以便使得附著力最大??蛇x 地,可包括履帶張拉部件(未示出),以在偏轉(zhuǎn)器向上或向下移動時,保 持履帶的合適的張拉力。液壓缸能夠產(chǎn)生足夠的作用力以使得能夠支承輕 型機器人車輛的全部重量。例如,對于20磅重(或更輕)的輕型機器人車 輛,20磅(或更大)的向下的偏轉(zhuǎn)器作用力足以使得履帶的尖部區(qū)域承載 輕型機器人車輛的全部重量。由于偏轉(zhuǎn)器能夠支承輕型機器人車輛的全部 重量,可以理解,較重的車輛需要較堅固的偏轉(zhuǎn)器設計。從而,可以預料 輕型機器人車輛比大型、重型車輛更適于本發(fā)明的實施例。更特別地,盡管很多不同的偏轉(zhuǎn)器構造適于支承輕型機器人車輛,但是能夠支承例如大 型坦克的單個偏轉(zhuǎn)器在某種程度上是不可行的。
      如圖4所示,根據(jù)本發(fā)明的另一實施例,懸架系統(tǒng)50可包括多個聯(lián)接 于框架12的偏轉(zhuǎn)器52a、 52b、 52c。多個偏轉(zhuǎn)器使履帶的與地面接合的部 分向下偏轉(zhuǎn),以使得尖部區(qū)域形成彎曲的形狀。多個偏轉(zhuǎn)器可提供各種不 同的輪廓,從而可針對具體的環(huán)境使得尖部區(qū)域的細節(jié)形狀最佳。例如, 在運行過程中,多個可動偏轉(zhuǎn)器可用于動態(tài)地改變尖部區(qū)域的形狀,以及 調(diào)節(jié)輕型機器人車輛的豎直取向或俯仰角(pitch)。多個偏轉(zhuǎn)器還可在使 得輕型機器人車輛的載荷在多個部件上分布的方面提供益處。如上文所述, 偏轉(zhuǎn)器可包括載荷傳感元件。偏轉(zhuǎn)器的運行可根據(jù)從載荷傳感器獲得的測 量值而進行改變。
      如圖5所示,根據(jù)本發(fā)明的另一實施例,以流程圖的形式示出了用于 將輕型機器人車輛支承于履帶上的方法。該方法總體由60表示,包括步驟 62:環(huán)繞輕型機器人車輛的向前引導件和向后引導件設置履帶。例如,具 有向前引導件和向后引導件的懸架系統(tǒng)的各種示例在上文已描述了。該方 法還包括步驟64:使履帶在向前引導件和向后引導件之間的與地面接合的 部分沿向下的方向偏轉(zhuǎn),以形成履帶的尖部區(qū)域。在上文中已經(jīng)描述了偏 轉(zhuǎn)器的各種示例。最后,該方法包括步驟66:由尖部區(qū)域至少部分地支承 輕型機器人車輛,以便能夠相對于支承表面改變載荷在履帶的與地面接合 的部分上的分布。例如,如上所述,輕型機器人車輛可在尖部區(qū)域上被平 衡。作為另一示例,輕型機器人車輛可在尖部區(qū)域上樞轉(zhuǎn),以便提供較小 半徑或零半徑的轉(zhuǎn)彎。
      可選地,如上所述,該方法可包括在堅硬的表面上^^作輕型機器人車 輛,使得履帶的尖部區(qū)域基本支承輕型機器人車輛的全部重量。這可有助 于提供較小半徑的轉(zhuǎn)彎。此外,如上所述,該方法可包括在柔軟的表面上 操作輕型機器人車輛,使得輕型機器人車輛的重量分布到履帶的與地面接 合的部分上。這可有助于提供較大的附著力。
      例如如上所述,該方法可以還包括將所述輕型機器人車輛聯(lián)接于笫二輕型機器人車輛??蓞f(xié)調(diào)相聯(lián)接的輕型機器人車輛的操作,以使輕型機器 人車輛中的一個(或兩個)在尖部區(qū)域上保持平衡。
      最后,該方法可以還包括將偏轉(zhuǎn)器向上或向下移動。例如,向下移動
      偏轉(zhuǎn)器可產(chǎn)生履帶的較急劇(strongly)的尖部區(qū)域,以提供較小的轉(zhuǎn)彎半 徑。向上移動偏轉(zhuǎn)器可產(chǎn)生履帶的較平坦的與地面接合的部分,以便提供 較好的附著力。
      綜上所述,已經(jīng)描述了各種履帶懸架系統(tǒng)構型,這些履帶懸架系統(tǒng)構 型和現(xiàn)有技術相比具有各種優(yōu)點。例如,將履帶的與地面接合的表面的一 部分偏轉(zhuǎn)以形成尖部區(qū)域可為在堅硬的表面上運行的輕型機器人車輛提供 較小的轉(zhuǎn)彎半徑??砂ǘ鄠€和/或可動偏轉(zhuǎn)器,以允許改變尖部區(qū)域的形 狀。使用本發(fā)明的實施例的輕型機器人車輛可提供改進的轉(zhuǎn)彎半徑而不喪 失由較大的履帶與地面接合的部分提供的附著力的優(yōu)點。
      在上文中結合具體的示例性實施例詳細描述了本發(fā)明。但是,應當理 解,可進行各種修改和變型而不脫離由所附權利要求限定的本發(fā)明的范圍。 詳細的描述和附圖應僅被認為是說明性的,而不是限制性的,如果存在任 何這樣的修改和變型,那么它們都將落入在此描述的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
      更具體地,盡管在此已經(jīng)描述了本發(fā)明的示例性實施例,但是本發(fā)明 并不局限于這些實施例,而是包括本領域技術人員根據(jù)前面的詳細描述可 認識到的經(jīng)過修改、省略、(例如各個實施例之間的)組合、適應性改變 和/或替換的任何和全部實施例。權利要求中的限定可根據(jù)權利要求中使用 的語言而進行廣泛的解釋,且不限于在前述詳細描述中或在實施該申請期 間描述的示例,這些示例應被認為是非排他性的。例如,在本發(fā)明中,術 語"優(yōu)選地"不是排他性的,這里它的意思是"優(yōu)選地,但是并不限于"。
      限于權利要求中提出的順序。手^/裝置加功能或步驟加功能的限定僅用在 對于具體的權利要求的限定出現(xiàn)所有以下條件之處a)在此限定中明確地 記載了 "用于…的手段/裝置"或"用于...的步驟";b)在此限定中明確 地記載了對應的功能;和c)在說明書中描述了支持該功能的結構、材料或作用。因此,本發(fā)明的范圍應當僅由所附權利要求及其合法等同物來確 定,而不是由上文給出的說明和示例來確定。
      權利要求
      1.一種用于安裝柔性履帶以便支承輕型機器人車輛的懸架系統(tǒng),該懸架系統(tǒng)包括框架;向前引導件,該向前引導件聯(lián)接于框架并構造成接納圍繞向前引導件的履帶的環(huán)繞部分;向后引導件,該向后引導件聯(lián)接于框架并構造成接納圍繞向后引導件的履帶的環(huán)繞部分;和至少一個偏轉(zhuǎn)器,該偏轉(zhuǎn)器在向前引導件和向后引導件之間聯(lián)接于框架,所述至少一個偏轉(zhuǎn)器構造成將履帶的向前引導件和向后引導件之間的與地面接合的部分向下偏轉(zhuǎn)以便形成尖部區(qū)域,所述偏轉(zhuǎn)器構造成支承全部載荷的部件,該部件能夠相對于支承表面改變載荷在履帶的與地面接合的部分上的分布。
      2. 根據(jù)權利要求1所述的懸架系統(tǒng),其特征在于,所述至少一個偏 轉(zhuǎn)器相對于向前引導件和向后引導件中的至少一個處于固定的位置。
      3. 根據(jù)權利要求1所述的懸架系統(tǒng),其特征在于,所述向前引導件 和向后引導件以固定的相對位置聯(lián)接于框架。
      4. 根據(jù)權利要求1所述的懸架系統(tǒng),其特征在于,所述向前引導件 和向后引導件都是滾輪。
      5. 根據(jù)權利要求1所述的懸架系統(tǒng),其特征在于,所述至少一個偏 轉(zhuǎn)器是滾輪。
      6. 根據(jù)權利要求1所述的懸架系統(tǒng),其特征在于,該懸架系統(tǒng)還包 括多個偏轉(zhuǎn)器,所述多個偏轉(zhuǎn)器聯(lián)接于框架的向前引導件和向后引導件之 間的位置,并構造成將履帶的與地面接合的部分向下偏轉(zhuǎn),以將尖部區(qū)域 形成為彎曲的形狀。
      7. 根據(jù)權利要求1所述的懸架系統(tǒng),其特征在于,所述偏轉(zhuǎn)器構造 成當輕型機器人車輛的重量小于20磅時支承輕型機器人車輛。
      8. —種用于將輕型機器人車輛支承在履帶上的方法,包括 環(huán)繞輕型機器人車輛的向前引導件和向后引導件設置履帶;方向偏轉(zhuǎn),以形成履帶的尖部區(qū)域;及使尖部區(qū)域至少部分地支承輕型機器人車輛,以便能夠相對于支承表 面改變載荷在履帶的與地面接合的部分上的分布。
      9. 根據(jù)權利要求8所述的方法,其特征在于,該方法還包括在堅硬 的表面上操作輕型機器人車輛,使得履帶的尖部區(qū)域支承輕型機器人車輛 的基本全部重量。
      10. 根據(jù)權利要求8所述的方法,其特征在于,該方法還包括在柔軟 的表面上操作輕型機器人車輛,使得輕型機器人車輛的重量基本分布在履 帶的與地面接合的部分。
      11. 根據(jù)權利要求8所述的方法,其特征在于,該方法還包括 將所述輕型機器人車輛聯(lián)接于第二輕型機器人車輛;和 使所述輕型機器人車輛的操作和第二輕型機器人車輛相協(xié)調(diào),以使所述輕型機器人車輛在尖部區(qū)域上保持平衡。
      12. 根據(jù)權利要求8所述的方法,其特征在于,該方法還包括將偏轉(zhuǎn) 器沿向下方向移動,以便產(chǎn)生履帶的急劇的尖部區(qū)域。
      13. 根據(jù)權利要求8所述的方法,其特征在于,該方法還包括將偏轉(zhuǎn) 器沿向上的方向移動,以便產(chǎn)生履帶的平坦的與地面接合的部分。
      全文摘要
      本發(fā)明涉及一種用于輕型自動履帶車的懸架系統(tǒng)(10)。該懸架系統(tǒng)設置成用于安裝柔性履帶(18)。該懸架系統(tǒng)包括履帶可環(huán)繞其上的向前引導件(14)和向后引導件(16)。定位于向前引導件和向后引導件之間的偏轉(zhuǎn)器(20)將履帶的與地面接合的部分向下偏轉(zhuǎn),以形成尖部區(qū)域。該尖部區(qū)域(24)可支承輕型機器人車輛,允許相對于支承表面改變載荷在履帶的與地面接合的部分上的分布。
      文檔編號B62D55/14GK101626946SQ200780046168
      公開日2010年1月13日 申請日期2007年11月13日 優(yōu)先權日2006年11月13日
      發(fā)明者B·J·麥克萊恩, C·R·赫希, R·W·彭澤, S·C·雅各布森 申請人:雷神薩科斯公司
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