CN103434332A - 一种能在悬壁面上行走的车轮及装置 - Google Patents

Abstract

传统的车轮，无论是辐条式车轮还是辐板式车轮，无一例外，只能行走在地面上，一旦坡度较大就会造成翻车事故。本发明一种能在悬壁面上行走的车轮及装置，属于机械设计与制造技术领域，可以应用于智能机器人，适合于楼宇的清洗、消防等方面。本发明车轮不但适合爬行坡度较大的路面，还可实现垂直壁面、悬空壁面的行走。其主要部件由主轴、轴承、轮盘、吸盘、偏心轮、齿盘、拉杆、弹簧等构成。主轴、轴承及轮盘构成车轮的主体，为车轮的行走机构。吸盘、拉杆、弹簧、偏心轮、齿盘构成本发明车轮的吸附调节系统，为悬壁面行走的保障机构，同时也是本发明的核心构件。

Description

一种能在悬壁面上行走的车轮及装置

技术领域

本发明属于机械设计与制造技术领域，涉及一种车轮的制作方法，特别是涉及一种能在悬壁面上行走的车轮及其装置的制作方法。该发明可应用于智能机器人，适合于楼宇的清洗、消防等方面。

背景技术

羡慕空中自由飞翔的小鸟，人们发明了飞机；仰慕水中自如沉浮的鱼儿，人们发明了潜艇；佩服准确预测风暴的水母，人们又发明了风暴预测仪。仿生学就是如此的神奇,它使人们的生活发生了、并将继续发生着日新月异的变化。看到墙壁上灵活爬行的壁虎，不由人生联翩浮想：给手掌装上能吸附墙壁的“吸爪”，飞檐走壁不就变成了人人即可实现的梦想？给行走的机器人装上能“抓住”悬壁的车轮，险象环生的玻璃幕墙清洗不就变得轻松简单？ 给汽车装上能“拔住”地面的车轮，飞驰的汽车将戛然而止，如此将挽救多少无辜的生命。

车轮的发明彻底地改变了人们的古老出行方式。已有的车轮，无论是辐条式车轮还是辐板式车轮，无一例外，只能行走在地面上，一旦坡度较大就会造成翻车事故。传统的车轮对悬壁面更是望尘莫及。现代建筑越建越高，随之而来的楼宇的清洗、消防等又成为棘手的问题，如果能有一种能爬楼的机器人，上述问题就会迎刃而解。要想使机器人具备能爬楼的功能，首先得有一种在行进过程中能吸附在墙上的轮子，可见发明一种能在墙上爬行的轮子尤为迫切。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种能在悬壁面上行走的车轮及装置的制作方法。

本发明所采用的技术方案：一种能在悬壁面上行走的车轮及装置，其主要部件由主轴、轴承、轮盘、吸盘、偏心轮、齿盘、拉杆、弹簧等构成。主轴、轴承及轮盘构成车轮的主体，轮盘通过轴承与主轴相连。齿盘固定在主轴上，主轴固定在车体上。工作时轮盘沿悬壁面滚动，主轴、齿盘相对车体不动。吸盘、拉杆、弹簧、偏心轮、齿盘构成本发明车轮的吸附调节系统。轮盘滚动时带动偏心轮绕主轴旋转，吸盘旋转角减小，当其减小到一定的角度时，一方面吸盘与悬壁面完全接触，另一方面，偏心轮与齿盘上齿顶啮合。随吸盘旋转角的进一步减小、直至为零、以至增大，在齿盘上齿顶的作用下，偏心轮绕连接轴旋转，与偏心轮相连的拉杆向主轴方向移动，吸盘与悬壁面间形成空腔，随拉杆的移动空腔空间逐渐增大，继而形成负压，于是车轮被吸附在悬壁面上。由于吸盘为柔性材料制造，因而在吸盘的不同位置，有些地方能承受压缩变形，有些地方能承受拉伸变形。这样随轮盘的滚动，能保证其具有一定的吸附时间，为车轮的行进提供吸附保证。

一种能在悬壁面上行走的车轮及装置其主要部件由主轴、轴承、轮盘、吸盘、偏心轮、齿盘、拉杆、弹簧等构成。

主轴、轴承及轮盘构成车轮的主体。轮盘圆心处开孔，该孔为轴承的安装孔。在轮盘板厚中面上、沿径向等角度放射状设有台阶孔，根据功能不同台阶孔分为：拉杆孔、弹簧孔、吸盘孔；轮盘通过轴承与主轴相连。主轴固定在车体上，齿盘固定在主轴上，也可直接固定在车体上。

吸盘、拉杆、弹簧、齿盘、偏心轮及台阶孔构成本发明车轮的吸附调节系统。吸附调节系统根据台阶孔的数量分为若干组，吸附调节系统通过台阶孔安装在轮盘上。吸盘为柔性材料制造，能自由伸张，为了保证气密性要求，吸盘不含有任何孔洞、夹杂及裂纹等缺陷。吸盘侧环粘结在吸盘孔内，一端面与拉杆固定连结；拉杆的另一端与偏心轮相连；弹簧套在拉杆上后置于弹簧孔内，弹簧的一端顶在吸盘上，另一端置于弹簧孔与拉杆孔相交的台阶面上；偏心轮与轮盘台阶面相切。

吸盘旋转角为悬壁面法线与拉杆轴线间的夹角。

本发明车轮及装置的工作过程为：轮盘沿悬壁面滚动，主轴、齿盘相对车体不动。轮盘滚动时带动偏心轮绕主轴旋转，吸盘旋转角减小，当其减小到一定的角度时，一方面吸盘与悬壁面完全接触，另一方面，偏心轮与齿盘上齿顶啮合，弹簧被压缩。随吸盘旋转角的进一步减小、直至为零、以至增大，在齿盘上齿顶的作用下，偏心轮绕连接轴旋转，与偏心轮相连的拉杆向主轴方向移动，由于吸盘侧环固定在吸盘孔内，因而在吸盘与悬壁面间形成空腔，随拉杆的移动空腔空间逐渐增大，继而形成负压，于是车轮被吸附在悬壁面上。由于吸盘为柔性材料制造，因而在吸盘的不同位置，有些地方能承受压缩变形，有些地方能承受拉伸变形。这样随轮盘的滚动，能保证其具有一定的吸附时间，为车轮的行进提供吸附保证。

随轮盘的滚动，拉杆轴线越过悬壁面法线，吸盘旋转角反向逐渐增大，当其增大到一定程度时，齿盘上的齿顶脱离偏心轮，弹簧在弹性力的作用下伸长，拉杆向背离主轴方向移动，吸盘与悬壁面间的空腔减小，吸附力随之减小，当其减小到一定程度或减小到为零时，吸盘完全脱离悬壁面，紧接着下一组吸附调节装置被启动。由于前一组吸附调节装置与下一组吸附调节装置间存在时间差，为了消除由于时间差而造成的吸附空当，如图6所示，本发明将另一幅车轮与之并在一起，即沿车轮厚度方向，一个车轮的台阶孔位于另一车轮的两个台阶孔之间。如此即可实现车轮的滚动和吸附同步进行。为了进一步增强车轮的吸附能力，还可在同一主轴上安装多幅车轮。

为保证偏心轮的自由旋转，本发明所述的偏心轮，从齿盘之齿顶的啮合开始，到齿盘之齿顶的脱离，其离心半径逐渐增大，齿盘之齿顶脱离偏心轮瞬间达到最大值，此最大值不超过偏心轮的最大半径。为了保证偏心轮的正确复位，还可在偏心轮的连接轴上安装复位弹簧。随偏心轮的旋转复位弹簧被拉紧，当偏心轮脱离齿盘之齿顶的啮合时，由于受弹性力的作用，复位弹簧要恢复原状，于是偏心轮被带动反方向旋转。

为了进一步保证吸附系统的贯通性、灵活性、可靠性，本发明将偏心轮改造为L型杠杆结构。.拉杆孔与拉杆相连，轴孔与轮盘上的轴相连，工作时齿盘之齿顶与凸轮啮合，随着凸轮的旋转，L型杠杆绕与轴孔相连的轴旋转，于是实现了拉杆的移动。

为了适应高温环境，可以用橡胶制造吸盘；为了吸附粗糙表面，可以用硅橡胶聚制造吸盘；为了提高吸盘的耐用性能，可以用聚氨酯制造吸盘；为了避免悬壁面被划伤，可以用聚氨酯制造吸盘；为了提高吸盘的耐油性，用聚氨酯、丁腈橡胶或含乙烯基的聚合物等材料来制造吸盘。

本发明所取得的有益效果：本发明所述的一种能在悬壁面上行走的车轮及装置，由于吸附系统为齿轮、偏心轮、弹簧、连杆机构，所以结构紧凑，运行灵活可靠。轮盘用铝合金、钛合金、树脂等制造，因而重量轻。尤其是车轮被吸附在悬壁面的同时，能保持行走状态，吸附功能的实现完全借助车体的惯性，无须额外动能的支持。

附图说明

图1 为本发明制造的能在悬壁面上行走的车轮及装置图

图2为本发明制造的能在悬壁面上行走的单幅车轮及装置图

图3为本发明制造的能在悬壁面上行走的车轮及装置局部刨视图

图4为本发明制造的吸盘

图5为本发明制造的轮盘局部刨视图

图6 为本发明制造的能在悬壁面上行走的车轮侧视图

图7 为本发明制造的L型杠杆示意图

图中: 

1. 主轴  2. 轴承  3. 轮盘  4. 吸盘  5. 偏心轮  6. 齿盘  7. 拉杆  8. 弹簧  9. 连接轴  10. 台阶孔  11. 悬壁面法线  12. 悬壁面  13. 吸盘旋转角  14. 凸轮  15.轴孔  16. 拉杆孔 101. 拉杆孔  102. 弹簧孔  103. 吸盘孔  104. 轮盘台阶面  401. 吸盘侧环  411. 吸附状态吸盘组  412. 偏离壁面吸盘组。

具体实施方式

下面结合附图对本发明及其有益效果作进一步详细说明。

实施例1：参照图1至图6，所述的一种能在悬壁面上行走的车轮及装置其主要部件由主轴1、轴承2、轮盘3、吸盘4、偏心轮5、齿盘6、拉杆7、弹簧8等构成。

主轴1、轴承2及轮盘3构成车轮的主体。轮盘3在中心开孔，在板厚中面上、沿径向等角度放射状分布台阶孔10，根据功能不同台阶孔10分为：拉杆孔101、弹簧孔102、吸盘孔103；轮盘3通过轴承2与主轴1相连。主轴1固定在车体上，齿盘6固定在主轴1上，也可直接固定在车体上。

吸盘4、拉杆7、弹簧8、齿盘6、偏心轮5及台阶孔10构成本发明车轮的吸附调节系统。吸附调节系统根据台阶孔10的数量分为若干组，吸附调节系统通过台阶孔10安装在轮盘3上。吸盘4为柔性材料制造，能自由伸张，为了保证气密性要求，吸盘4不含有任何孔洞、夹杂及裂纹等缺陷。吸盘侧环401粘合在吸盘孔103内，一端面与拉杆7固定连结；拉杆7的另一端与偏心轮5相连；弹簧8套在拉杆7上后置于弹簧孔102内，弹簧8的一端顶在吸盘4上，另一端置于弹簧孔102与拉杆孔101相交的台阶面上；偏心轮5与轮盘台阶面104相切。

本发明的工作过程为：轮盘3沿悬壁面12滚动，主轴1、齿盘6相对车体不动。轮盘3滚动时带动偏心轮5绕主轴1旋转，吸盘旋转角13减小，当其减小到一定的角度时，一方面吸盘4与悬壁面12完全接触，另一方面，偏心轮5与齿盘6上齿顶啮合，弹簧8被压缩。随吸盘旋转角13的进一步减小、直至为零、甚至增大，在齿盘6上齿顶的作用下，偏心轮5绕连接轴9旋转，与偏心轮5相连的拉杆7向主轴1方向移动，由于吸盘侧环401固定在吸盘孔103内，因而在吸盘4与悬壁面12间形成空腔，随拉杆7的移动空腔空间逐渐增大，继而形成负压，于是车轮被吸附在悬壁面12上。

吸盘旋转角13为悬壁面法线11与拉杆7轴线间的夹角。

随轮盘3的滚动，拉杆轴线越过悬壁面法线11，吸吸盘旋转角13继而逐渐增大，当其增大到一定程度时，齿盘6上的齿顶脱离偏心轮5，弹簧8在弹性力的作用下伸长，拉杆7向背离主轴1方向移动，吸盘4与悬壁面12间的空腔减小，吸附力随之减小，当其减小到一定程度或减小到为零时，吸盘4完全脱离悬壁面12，紧接着启动下一组吸附调节装置。由于前一组吸附调节装置与下一组吸附调节装置间存在时间差，为了消除由于时间差而造成的吸附空当，如图6所示，本发明将另一幅车轮与之并在一起，即沿车轮厚度方向，一个车轮的台阶孔10位于另一车轮的两个台阶孔10之间。如此即可实现车轮的滚动和吸附同步进行。为了进一步增强车轮的吸附能力，还可在同一主轴1上安装多幅车轮。

为保证偏心轮5的自由旋转，本发明所述的偏心轮5，从齿盘6之齿顶的啮合开始，到齿盘6之齿顶的脱离，其离心半径逐渐增大，齿盘6之齿顶脱离瞬间达到最大值，此最大值不超过偏心轮5的最大半径。为了保证偏心轮5的正确复位，还可在偏心轮5的连接轴9上安装复位弹簧。随偏心轮5的旋转复位弹簧被拉紧，当偏心轮5脱离齿盘6之齿顶的啮合时，由于受弹性力的作用，复位弹簧要恢复原状，于是偏心轮5被带动反方向旋转。

为了适应高温环境，可以用橡胶制造吸盘；为了吸附粗糙表面，可以用硅橡胶聚制造吸盘；为了提高吸盘的耐用性能，可以用聚氨酯制造吸盘；为了避免悬壁面被划伤，可以用聚氨酯制造吸盘；为了提高吸盘的耐油性，用聚氨酯、丁腈橡胶或含乙烯基的聚合物等材料来制造吸盘。

实施例2：制造步骤同于步骤1，不同之处在实施例2将偏心轮5改变成如图7所示的L型杠杆结构，轮盘3上设有与轴孔15相对应的轴。.拉杆孔16与拉杆7相连。工作时齿盘6之齿顶与凸轮14 啮合，随着凸轮14的旋转，L型杠杆绕与轴孔15相连的轴旋转，于是实现了拉杆7的移动。通过L型杠杆结构的改造，进一步保证了吸附系统的连贯性、灵活性。

Claims (7)

1.一种能在悬壁面上行走的车轮及装置，其主要部件由主轴、轴承、轮盘、吸盘、拉杆、弹簧、偏心轮、齿盘等构成；主轴、轴承及轮盘等构成车轮的主体；吸盘、拉杆、弹簧、偏心轮、齿盘及台阶孔等构成本发明车轮的吸附调节系统。

2.根据权利要求1所述的一种能在悬壁面上行走的车轮及装置, 其特征在于主轴固定在车体上，齿盘固定在主轴上，也可直接固定在车体上。

3.根据权利要求1所述的一种能在悬壁面上行走的车轮及装置, 其特征在于台阶孔位于轮盘中面、沿径向等角度放射状分布，轮盘通过轴承与主轴相连，轮盘能绕主轴转动。

4.根据权利要求1所述的一种能在悬壁面上行走的车轮及装置, 其特征在于吸附调节系统与台阶孔存在一一对应的关系，吸附调节系统通过台阶孔安装在轮盘上。

5.根据权利要求1所述的一种能在悬壁面上行走的车轮及装置, 其特征在于吸盘为柔性材料制造，能自由伸张，吸盘不含有任何孔洞、夹杂及裂纹等缺陷，吸盘侧环粘合在吸盘孔内，一端面与拉杆固定连结；拉杆的另一端与偏心轮相连；弹簧套在拉杆上后置于弹簧孔内，弹簧的一端顶在吸盘上，另一端置于弹簧孔与拉杆孔相交的台阶面上；偏心轮与轮盘台阶面相切。

6.根据权利要求1所述的一种能在悬壁面上行走的车轮及装置, 其特征在于：为保证偏心轮的自由旋转，本发明所涉及的偏心轮，从齿盘齿顶的啮合开始，到齿盘齿顶的脱离，其离心半径逐渐增大，齿盘之齿顶脱离瞬间达到最大值，此最大值不超过偏心轮的最大半径；为了保证偏心轮的正确复位，还可在偏心轮的连接轴上安装复位弹簧；随偏心轮的旋转复位弹簧被拉紧，当偏心轮脱离齿盘齿顶的啮合时，由于受弹性力的作用，复位弹簧要恢复原状，于是偏心轮被带动反方向旋转。

7.根据权利要求1所述的一种能在悬壁面上行走的车轮及装置, 其特征在于：为了进一步保证吸附系统的连贯性、灵活性、可靠性，本发明的偏心轮还可以为L型杠杆结构；L型杠杆上拉杆孔与拉杆相连，轴孔与轮盘上相应的轴相连，工作时齿盘之齿顶与凸轮啮合，随着凸轮的旋转，L型杠杆绕与轴孔相连的轴旋转，于是实现了拉杆的往复移动。

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