CN101844483B - 一种可变直径轮腿复合式轮结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变直径轮腿复合式轮结构，所述的轮结构包括一对轮毂，两轮毂的结构相同，轮毂中心圆盘上周向设置辐条，轮毂所在的两个平面平行，轮毂之间通过轮轴连接保证同步运动，所述轮毂上具有至少四根辐条，每个辐条末端，驱动舵机的输出轴或传动轴通过固定螺钉与轮缘连接，轮缘首尾顺次相连，形成一个圆轮型结构的有缘轮结构，轮缘通过驱动舵机控制实现轮缘绕驱动舵机的输出轴或传动轴、并在轮毂平面内的0～120°的转动，使轮结构在整体或者局部实现在有缘轮和无缘轮车轮之间转换。本发明的轮腿复合式轮结构结合了轮式和腿式机构的优势，移动速度快，行动平稳，越障能力强；可在整体或者局部实现有轮缘和无轮缘轮结构之间转换，更易于适应各种地形。

Description

一种可变直径轮腿复合式轮结构

技术领域

本发明属于机器人应用技术领域，涉及一种轮结构，具体地说，是指一种可变直径轮腿复合式轮结构。

背景技术

轮式机器人因其具有结构简单、速度高和能耗低的优点，受到广泛的应用。但由于轮式机器人的传统驱动轮外形只是简单的圆环，并不适合于跨越像沟壑、台阶、楼梯等障碍，使整体移动机器人的越障能力差。当遇到松软的沙地环境或者多障碍的砾石环境，传统轮子的种种设计思路已经面临巨大挑战。为了适应复杂的地形环境和特殊的应用场合，各种区别于常规圆形结构的驱动轮应运而生。

可变直径轮作为一种区别于常规圆形结构的驱动轮，是一种通过控制轮构件的张开或合拢可实现在无轮缘和有轮缘车轮间变换的轮子。在松软地面上，可变直径轮呈张开状，成为无轮缘车轮，能够提高通过性，减少滚动阻力，增加驱动力；在硬质地面上，可变直径轮呈合拢状，成为有轮缘车轮，能够提高车轮的平顺性和行驶速度。

可变直径轮是一种能够适应多种不同地面环境(如沼泽、滩涂、沙地、等松软地面和沥青路、水泥路等硬质路面)、且具有高通过性的多栖行走轮子。可变直径轮可广泛应用于军、民用全地域车辆、移动机器人和各种特殊装备移动平台的行走机构，如沙漠车、救灾机器人、太空探测车等。

发明内容

本发明的目的是提供一种可变直径轮腿复合式轮结构，使之既具有轮式结构的优点，速度高和能耗低，又具有腿式结构的优点，较高的机动能力，可适应各种复杂地面环境。

本发明是一种可变直径轮腿复合式轮结构，包括一对轮毂，两轮毂的结构相同，轮毂中心圆盘上周向设置辐条，轮毂所在的两个平面平行，轮毂之间通过轮轴连接保证同步运动，所述轮毂上具有至少四根辐条，每个辐条末端，驱动舵机的输出轴或传动轴通过固定螺钉与轮缘连接，轮缘首尾顺次相连，形成一个圆轮型结构的有缘轮结构，轮缘通过驱动舵机控制实现轮缘绕驱动舵机的输出轴或传动轴、并在轮毂平面内的0～120°的转动，使轮结构在整体或者局部实现在有缘轮和无缘轮车轮之间转换。

所述的驱动舵机通过上下两个固定夹板安装在两个轮毂之间，所述固定夹板的两端通过螺钉固定在一对轮毂上相应的一对辐条上。驱动舵机具有两个输出轴，一个是主动轴，一个是从动轴，所述的主动轴与从动轴分别穿过安装在一对轮毂辐条上的一对轴承，并与相对应的一对轮缘的固定端通过固定螺钉连接，用以控制相对应的一对轮缘的转动；在所述的主动轴上连接有主动旋转盘，主动旋转盘上连接传动连杆，传动连杆的另一端连接有传动旋转盘。

相位角相差180°的两对轮缘由一个驱动舵机控制，两对轮缘分别为主动轮缘对和从动轮缘对，其中主动轮缘对直接由驱动舵机的主动轴和从动轴驱动，与之相对应的从动轮缘对通过驱动舵机的传动机构来驱动，所述的传动机构包括连接在驱动舵机主动轴上的主动旋转盘、传动连杆、传动旋转盘和连接在从动轮缘对之间的传动轴，所述的传动轴两端分别与该从动轮缘对的固定端通过固定螺钉连接；驱动舵机的主动轴输出，通过主动旋转盘-传动连杆-传动旋转盘，传递给传动轴，使得传动轴带动相应从动轮缘对的转动，主动轮缘对与从动轮缘对同步转动。

本发明可变直径轮辐复合式轮结构与现有技术相比有以下优点：

(1)轮腿复合式轮结构结合了轮式和腿式机构的优势，移动速度快，行动平稳，越障能力强；

(2)可在整体或者局部实现有轮缘和无轮缘轮结构之间转换，更易于适应各种地形。

附图说明

图1是本发明可变直径轮腿复合式轮结构的有缘轮结构示意图；

图2是图1的主视图；

图3是本发明可变直径轮腿复合式轮结构的一个轮缘的结构示意图；

图4是本发明中驱动舵机结构示意图；

图5是本发明可变直径轮腿复合式轮结构未装配轮缘的结构示意图；

图6是本发明可变直径轮腿复合式轮结构中两个轮缘之间连接件的结构示意图；

图7是本发明可变直径轮腿复合式轮结构的轮缘不完全张开轮结构的示意图；

图8是本发明可变直径轮腿复合式轮结构的轮缘完全张开轮结构的示意图；

图9是本发明可变直径轮腿复合式轮结构具有四轮缘的轮结构示意图。

图中：

1.轮毂          2.轮缘            3.驱动舵机     4.固定夹板    5.传动轴

6.连接件        101.轮轴固定孔    102.辐条       201.固定端    202.自由端

203.固定螺钉    204.减重孔        205.螺钉孔     301.主动轴    302.从动轴

303.主动旋转盘  304.传动连杆      305.传动旋转盘

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，是具有一对同轴轮毂的轮结构示意图，每个轮结构包括有一对轮毂1，轮毂1之间通过轮轴连接，轮毂1上设置至少四根辐条，每根辐条的末端连接轮缘2，轮缘2通过驱动舵机3的控制，在轮毂1平面内的0～120°的旋转，进而实现轮结构在有轮缘和无轮缘之间的转换。所述驱动舵机3通过固定夹板4连接在两个轮毂1之间。下面以每个轮毂1上具有六个轮缘2的情况介绍具体连接关系如下：

每个轮结构上具有一对同轴轮毂1，所述的两个轮毂1结构相同，两个轮毂1中心圆盘上分别设置有三个均布的轮轴固定孔101，两个轮毂1之间通过三根轮轴连接，如图1所示，两个轮毂1所在的平面相互平行，三根轮轴分别固定在相应的三个轮轴固定孔101上，保证一对轮毂1同轴、同步转动。所述的每个轮毂1上连接有六个轮缘2，如图2所示，六个轮缘2首尾顺次相连，形成一个圆轮型结构的有缘轮结构。如图3，所述轮缘2的一端为固定端201，另一端为自由端202，固定端201上设有螺钉孔205。如图1、图2所示，固定螺钉203穿过螺钉孔205将轮缘2的固定端201与驱动舵机3的输出轴(包括主动轴301和从动轴302)或传动轴5相连接，固定端201随驱动舵机3输出轴或传动轴5的转动，带动相应的轮缘2相对轮毂1的辐条102转动相应的角度，通过驱动舵机3控制，可以实现轮缘2在0～120°角度范围内的旋转。所述轮缘2的自由端202搭在下一个与其相邻的轮缘2的固定端201上，每个轮毂1上的六个轮缘2顺次搭接相连，轮缘2的外缘刚好可以形成圆形。在所述轮缘2上，如图3，为了减轻轮缘2的自重，在轮缘2上可以设置若干个减重孔204。

所述的辐条102均匀布置在每个轮毂1中心圆盘上，如图2，轮毂1上辐条102的数目可以是四根或四根以上的偶数根，每个辐条102的末端通过固定螺钉203连接一个轮缘2。当上述辐条102为六根时，辐条102间相距60°相位角；当辐条102为四根时，辐条102间相距90°相位角。

所述的轮缘2布局如图2所示，当每个轮毂1上辐条102数目为六根时，则轮结构中由六对轮缘2构成结构相同的三组同步运动轮缘组，其中一对轮毂1上与驱动舵机3驱动轴相连的轮缘2作为第一对轮缘，或者叫主动轮缘对；与主动轮缘对相位差为180°的两个辐条102上固定的两个轮缘2为第四对轮缘，也叫从动轮缘对，相应的，将第一对轮缘和第四对轮缘为第一组，第二对轮缘和第五对轮缘为第二组，第三对轮缘和第六对轮缘为第三组，每组中都有主动轮缘对和从动轮缘对，并且主动轮缘对和从对轮缘对由一个驱动舵机3控制同步旋转。

当每个轮毂1上辐条数目为6根时，需要三个驱动舵机3即可实现对六对轮缘2转动的控制。如图4所示，所述驱动舵机3具有两个同轴的输出轴，即主动轴301和从动轴302，其中主动轴301上固定有主动旋转盘303，主动旋转盘303上连接有传动连杆304，传动连杆304自由端连接传动旋转盘305。驱动舵机3通过固定夹板4固定在的两个轮毂1之间，如图5所示，所述固定夹板4的长度刚好为一对轮毂1上相对应的两个辐条102之间的宽度，上下两个固定夹板4将驱动舵机3夹持在中间，同时固定夹板4的两端通过螺钉固定在一对轮毂1上相应的一对辐条102上，驱动舵机3的主动轴301和从动轴302分别穿过安装在一对轮毂1上的主动轮缘对所对应的轴承，并与相对应的主动轮缘对中两个轮缘的固定端201通过固定螺钉203固定，用以控制相对应的主动轮缘对的转动。与该主动轮缘对相隔180°相位角的为从动轮缘对，从动轮缘对的两个轮缘2之间连接有传动轴5，传动轴5一端与轮缘2的固定端201通过固定螺钉203连接，另一端与从动旋转盘305连接后，连接在轮缘2的固定螺钉203上。驱动舵机3工作可以通过驱动传动机构(主动轴-主动旋转盘-传动连杆-传动旋转盘-传动轴)传递给传动轴5，使得传动轴5带动相应从动轮缘对的转动，从动轮缘对与主动轮缘对同步转动，实现一个驱动舵机3驱动两对轮缘(即四个轮缘2)的转动。同理，可实现分别对第二对轮缘和第五对轮缘、第三对轮缘和第六对轮缘组成的另两组同步运动轮缘组的运动控制。即将三个驱动舵机3间隔固定在一对轮毂1之间的三对相间隔的辐条102上，通过三个驱动舵机3控制轮结构中六对轮缘2的运动，就可以在整体或者局部实现无缘轮与有缘轮之间的相互转变。

在所述的轮结构中任意一对轮缘2之间连接有连接件，如图6所示，该连接件为连接杆6结构，可以保证一对轮缘2之间的同步稳定运转。

上述的轮结构在驱动舵机3的控制下，可以根据路面状况的不同，实现有轮缘和无轮缘车轮之间的转换，即轮式-腿式车轮之间的转换，具体控制过程如下：当可变直径轮腿复合式轮结构处于合拢状态时，为附图2所示的有缘轮结构，第一对轮缘在受到由驱动舵机3传递出来的逆时针方向转矩作用下，由于一对轮毂1相对静止不动，则第一对轮缘中的两个轮缘2将绕一对轮毂1的辐条102末端按逆时针方向转动，同时驱动传动机构(主动轴-主动旋转盘-传动连杆-传动旋转盘-传动轴)作用下，第四对轮缘将绕一对轮毂1的辐条102末端按逆时针方向转动，这样便实现了车轮的一组轮缘张开，由有缘轮转变为无缘轮结构，如图7所示。顺次通过其余两个驱动舵机3的控制，可以实现另外两组轮缘的张开，如图8所示，轮缘全部张开，成为完全的无缘轮的轮结构。

当可变直径轮腿复合式轮结构处于张开状态时，第一对轮缘在受到由驱动舵机3传递出来的顺时针方向转矩作用下，由于一对轮毂1相对静止不动，则两个轮缘2将绕一对轮毂1的辐条末端按顺时针方向转动，同时驱动传动机构(主动轴-主动旋转盘-传动连杆-传动旋转盘-传动轴)作用下，第四对轮缘将绕一对轮毂1的辐条末端按顺时针方向转动，这样便实现了车轮的闭合，由无缘轮转变为有缘轮的轮结构。

同理，可实现分别对第二对轮缘和第五对轮缘、第三对轮缘和第六对轮缘组成的另两组同步运动轮缘组的运动控制，使得轮结构为全部或者部分的有缘轮或者无缘轮结构。

如图9所示，当每个轮毂1上具有四个辐条102或者四个轮缘2时，在轮毂之间连接两个驱动舵机3就可以实现对两组轮缘的控制。其具体连接结构与每个轮毂上具有六个轮缘的情况相同。

本发明提供的轮结构，在驱动舵机3的控制下完成在有缘轮与无缘轮之间的相互转变，从而可使整个轮结构在整体或者局部实现有缘轮与无缘轮结构，同时实现车轮直径的可变，增强轮子对不同地面环境的适应能力，提高轮子的通过性和行驶平顺性，从而使安装有采用本发明的可变直径轮腿复合式轮结构的行走机构的机动性、通过性和行驶平顺性等得以改进和提高。

Claims (6)

1.一种可变直径轮腿复合式轮结构，其特征在于：所述的轮结构包括一对轮毂，两轮毂的结构相同，轮毂中心圆盘上周向设置辐条，轮毂所在的两个平面平行，轮毂之间通过轮轴连接保证同步运动，所述轮毂上具有至少四根辐条，每个辐条末端连接轮缘，驱动舵机的输出轴或传动轴通过固定螺钉与轮缘连接，轮缘首尾顺次相连，形成一个圆轮型结构的有缘轮结构，轮缘通过驱动舵机控制实现轮缘绕驱动舵机的输出轴或传动轴、并在轮毂平面内的0～120°的转动，使轮结构在整体或者局部实现在有缘轮和无缘轮车轮之间转换；

所述的驱动舵机具有两个输出轴，一个是主动轴，一个是从动轴，所述的主动轴与从动轴分别穿过安装在一对轮毂辐条上的一对轴承，并与相对应的一对轮缘的固定端通过固定螺钉固定，用以控制相对应的一对轮缘的转动；在所述的主动轴上连接有主动旋转盘，主动旋转盘上连接传动连杆，传动连杆的另一端连接有传动旋转盘；

相位角相差180°的两对轮缘由一个驱动舵机控制，两对轮缘分别为主动轮缘对和从动轮缘对，其中主动轮缘对直接由驱动舵机的主动轴和从动轴驱动，与之相对应的从动轮缘对通过驱动舵机的传动机构来驱动，所述的传动机构包括连接在驱动舵机主动轴上的主动旋转盘、传动连杆、传动旋转盘和连接在从动轮缘对之间的传动轴，所述的传动轴两端分别与该从动轮缘对的固定端通过固定螺钉连接；驱动舵机的主动轴输出，通过主动旋转盘-传动连杆-传动旋转盘，传递给传动轴，使得传动轴带动相应从动轮缘对的转动，主动轮缘对与从动轮缘对同步转动。

2.根据权利要求1所述的可变直径轮腿复合式轮结构，其特征在于：所述的驱动舵机通过两个固定夹板安装在两个轮毂之间，所述固定夹板的两端通过螺钉固定在一对轮毂上相应的一对辐条上。

3.根据权利要求1或2所述的可变直径轮腿复合式轮结构，其特征在于：所述轮缘的一端为固定端，另一端为自由端，每对轮缘的固定端之间通过固定螺钉连接驱动舵机的主动轴和从动轴，或者连接两轮缘之间的传动轴；自由端搭在下一个与其相邻的轮缘的固定端上。

4.根据权利要求1或2所述的可变直径轮腿复合式轮结构，其特征在于：所述轮缘上设置若干个减重孔。

5.根据权利要求1或2所述的可变直径轮腿复合式轮结构，其特征在于：在所述的轮结构中相对应的一对轮缘之间连接有连接件。

6.根据权利要求1所述的可变直径轮腿复合式轮结构，其特征在于：所述轮毂上轮缘的数目为偶数个。

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