CN105539006A - 一种具有轮爪切换功能的越障车轮 - Google Patents

Abstract

一种具有轮爪切换功能的越障车轮，属于车轮技术领域。现有发明的越障机器人，多是以对机器人车轮悬挂装置的改进，没有较好的可替换性，并且对于机器人自身结构也有一定的限制。本发明提供一种具有两种模式的车轮，即轮式模式和爪式模式，其特征是它具有通用性，可以匹配市面上现有的车架；它可以根据颠簸程度，自主切换轮式模型和爪式模式；它的爪子机构及驱动爪子的动力全部置于车轮内部。此外它具有重量轻、结构简单特点，可靠性高的特点。

Description

一种具有轮爪切换功能的越障车轮

技术领域

本发明涉及一种具有两种模式的车轮，即轮式模式和爪式模式，属于车轮技术领域。

技术背景

越障机器人最重要的两个应用是地震的搜索救援和行星探测。据相关研究我国的青藏高原及相邻的西北西南山地，以及华北地区，多处于地震高频区域。这些地区活跃的地质构成及其运动特点、复杂的地貌造成我国开展地震救援行动工作难度巨大。这就需要具有良好运动能力和越障能力的机器人代替人进入灾区的危险地段进行探测搜索。随着空间科学技术的发展，许多国家推出了行星探测计划。行星表面充满了不确定性，需采用行星探测车代替人类完成探测任务。又由于行星表面的凹凸不平的地形和广袤的面积，需要探测车具有良好的越障能力，同时要具备快速移动的能力。

现已有发明的一类越障机器人，主要以对机器人车轮悬挂装置的改进，没有较好的可替换性，并且对于机器人自身结构也有一定的限制。

例如CN20150272175.2公开了一种新型楼宇环境下的作业机器人，运用双曲柄与弹簧耦合组成的越障结构，使得机器人可以翻越较高的障碍。

还有一类越障机器人，将其运动结构由传统的轮式结构转变为履带式或复合式结构，在增强了越障能力的同时，也带来了速度较慢、机动性较差、功耗较大等问题。

例如CN201510221657.5公开了双丝杠结构可伸缩的越障支臂及越障机器人，采用的双丝杠机构巧妙的达到了控制伸缩支臂伸出及保持链轮组链条涨紧的目的，性能牢固可靠；所设计的支臂可伸缩变换长度，灵活性大，可适用性更强，增加了此类越障机器人的适应性。

所以我们提出一种具有轮爪切换功能的越障车轮，并可以匹配市面上现有的车架。轮式状态时可在较为平坦的地形上快速移动，爪式状态时可在崎岖复杂的地形中行进，两种状态可根据地形自动切换。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种具有变形功能的通用性车轮。与对于传统移动平台的改进相比，通用性车轮实现了在不改变移动平台主体结构的情况下，只改变车轮模式以适应不同路面的运动要求。进一步通过无线模块控制舵机转角。驱动车轮进行变形，改变车轮的半径和形状，来调整其越障能力。

本发明为可变形通用性车轮，分为车轮框架、控制结构和变形机构三个部分。整体尺寸为：轮模式下直径180mm，爪模式下直径307mm。有效越障高度230mm，相比传统轮越障能力提升150％。

车轮框架由车轮内盘、车轮外盘、盘间连接柱、内六角连接块等零件组成，起到连接固定车轮结构，连接车轮与车架的作用。内外盘通过盘间连接柱连接，同时对连接柱进行设计使其作为变形机构的铰接点，减少整体零件数量。各固定架设计成单独零件，通过螺栓螺母固定在内外盘上，减少加工成本。连接块设计成通用内六角孔结构，可以传递较大的扭矩，采用通用尺寸设计，可以配合各种平台进行安装。本发明的控制结构和变形机构均安装在车轮框架上。

控制结构由无线接收机、舵机控制器、舵机、电池、减速齿轮组和动力输出轴等零件组成。控制结构位于车轮框架内侧，舵机与电池有专门的固定位置和支架，控制电路板位于车轮内侧，无具体位置要求，安装位置不与机构运动轨迹发生干涉即可。控制结构通过无线接收外部控制信号，控制变形机构变形。当本发明需要进行模式转换时，外部控制设备将舵机的转动角度通过无线通信板发送给舵机控制器，舵机控制器产生与之相应的模拟控制信号，控制舵机旋转120°，舵机额定扭矩为38kg·cm。通过减速齿轮组(减速比为2:1)，增大输出扭矩，使输出额定扭矩为76kg·cm，通过主轴将动力传送到变形机构部分。

变形机构由十字驱动盘，连杆中杆，爪子，随动爪子，爪间固定柱等零件组成。十字驱动盘，连杆中杆，爪子组成双摇杆机构，其中十字驱动盘为主动杆，连杆中杆为连杆，爪子为从动杆。控制结构通过主轴将扭矩传递到十字驱动盘上，使之产生转动位移，十字驱动盘转动通过连杆中杆带动爪子运动，控制爪子相对于车轮额定开合角度，以达到车轮模式转换的目的。

一种具有轮爪切换功能的越障车轮，其特征在于，包括车轮框架、控制结构和变形机构三个部分，其中车轮框架主要由车轮内盘(22)、车轮外盘(23)、盘间连接柱(17)、内六角连接块(6)等零件组成，起到连接固定车轮结构，连接车轮与车架的作用。平行的车轮内盘(22)和车轮外盘(23)之间采用多个盘间连接柱(17)支撑固定，盘间连接柱(17)均匀分布在车轮内盘(22)和车轮外盘(23)的边缘处，进行固定支撑；内六角连接块(6)固定在车轮内盘(22)的外侧面(与车体相邻一侧)，车轮框架通过内六角连接块(6)与车体相连；盘间支撑柱(17)的两端采用螺纹连接与车轮内盘(22)、车轮外盘(23)连接，盘间支撑柱(17)相对车轮内盘(22)、车轮外盘(23)固定。

控制结构主要由无线接收机(13)、舵机控制器(14)、舵机(20)、电池(16)、减速齿轮组和中轴(7)等零件组成；车轮外盘(23)上固定有舵机(20)和电池(16)，舵机(20)和电池(16)分别布在相对车轮外盘(23)中心对称的位置上；舵机(20)输出端配置一组减速齿轮组，小齿轮(12)与舵机(20)的输出轴紧固连接；大齿轮(9)通过销孔连接与中轴(7)紧固连接，小齿轮(12)与大齿轮(9)啮合；中轴轴承(11)通过中轴轴承座(10)与外盘(23)紧固连接且位于外盘(23)中轴线上，中轴(7)与中轴轴承(11)配合，中轴(7)可沿中轴轴承(11)周向转动，同时中轴(7)限位，使得中轴(7)相对外盘(23)只能做旋转运动；中轴(7)与外盘(23)同轴；无线接收机(13)通过无线信号接收上位机发来的控制信号，并根据信号内容控制舵机控制器(14)驱动舵机(20)进行运动；

变形机构主要由主动爪子(1)、从动爪子(19)、连杆(3)和十字驱动盘(4)构成，十字驱动盘(4)位于车轮外盘(23)的外侧面，十字驱动盘(4)通过驱动盘销钉(5)与中轴(7)固定连接，主动爪子(1)和从动爪子(19)均通过转动轴承(2)和卡簧(8)与盘间支撑柱(17)连接，主动爪子(1)安装在车轮外盘(23)的外侧，从动爪子(19)安装在车轮内盘(22)的外侧；盘间支撑柱(17)的两端分别各有一个主动爪子(1)和对应的一个从动爪子(19)；主动爪子(1)的一端通过连杆(3)与十字驱动盘(4)的一个端连接，连杆(3)与主动爪子(1)的连接和十字驱动盘(4)的连接均为铰链连接；同时在每一组主动爪子(1)和对应的一个从动爪子之间还有一个爪间连接柱(18)，爪间连接柱(18)平行于盘间连接柱(17)，在车轮内盘(22)的边缘和车轮外盘(23)的边缘均设有凹槽，使得主动爪子(1)和从动爪子(19)收拢时，爪间连接柱(18)落入对应的凹槽内；

同时在主动爪子(1)或十字驱动盘(4)一端固定有电磁铁衔铁(24)，同时在车轮外盘(23)上还固定有电磁铁(25)，电磁铁(25)通过电磁铁支座(26)安装在车轮外盘(23)内侧(即靠近车体一侧)；电磁铁(25)通电，能够吸附住电磁铁衔铁(24)，产生保持力矩，将主动爪子(1)锁死，减少舵机(20)输出扭矩。

电池为无线接收机(13)、舵机控制器(14)、电磁铁等提供电源。

上述具有轮爪切换功能的越障车轮转换模式方法：

当需要变形为爪模式时，上位机发送无线信号，无线接收机(13)接收信号并控制舵机控制器(14)驱动舵机(20)正向转动；舵机(20)通过减速齿轮组(9大齿轮，12小齿轮)驱动中轴(7)旋转，中轴(7)带动十字驱动盘(4)转动；由于主动爪子(1)、连杆(3)和十字驱动盘(4)构成四连杆机构，主动爪子(1)受连杆(3)带动打开；主动爪子(1)通过爪间连接柱(18)带动从动爪子(19)旋转打开；当主动爪子(1)打开到预定位置时，固定在主动爪子(1)或十字驱动盘(4)一端上的电磁铁衔铁(24)接触到电磁铁(25)，此时电磁铁(25)通电，吸附住电磁铁衔铁(24)，产生保持力矩，将主动爪子(1)锁死，减少舵机(20)输出扭矩，此时整体车轮为爪模式；

当需变形为轮模式时，上位机发送无线信号，无线接收机(13)接收信号，先使电磁铁(25)断路，使保持力矩消失，然后控制舵机控制器(14)驱动舵机(20)反向转动；通过大齿轮(9)、小齿轮(12)、中轴(7)、十字驱动盘(4)和连杆(3)零件驱动主动爪子(1)收拢，同时通过爪间连接柱(18)带动从动爪子(19)收拢；收拢时爪间连接柱(18)位于凹槽内；此时整体车轮为轮模式。

主动爪子(1)和从动爪子(19)的结构均是一端为直的，另一端为弧形的。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比具有以下优点：

1)本发明注重对车轮的改进，将整体机构集中在车轮中，可以与已有机器人平台进行搭接，更换简单。

2)本发明可根据颠簸程度，自主切换轮式模型和爪式模式。

3)本发明重量轻、结构简单特点，可靠性高。

附图说明

图1为本发明轮模式下的外形；

图2为本发明爪模式下的外形；

图3为本发明变形机构的曲柄摇杆机构原理图；

图4为本发明轮外盘内侧结构正视图；

图5为本发明轮外盘内侧结构立体图；

图6为本发爪模式下的轴测图

图中：

1、主动爪子，2、转动轴承，3、连杆，4、十字驱动盘，5、驱动盘销钉，6、内六角连接块，7、中轴，8、卡簧，9、大齿轮，10、中轴轴承座，11、中轴轴承，12、小齿轮，13、无线通讯板，14、舵机控制器，15、电池支座，16、电池，17、盘间支撑柱，18、爪间连接柱，19、从动爪，20、舵机，21、舵机支座，22、内盘，23、外盘，24电磁铁衔铁，25、电磁铁，26电磁铁支座。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

如图1到图6所示，一种具有轮爪切换功能的越障车轮，包括车轮框架、控制电路和变形机构三个部分。车轮框架保证了控制结构，变形机构的安装位置，并起到与机器人连接的作用；控制电路起到了接收控制信号，驱动变形机构变形的功能。

车轮整体框架主要由22内盘，23外盘和17盘间支撑柱构成：22内盘与23外盘分别固定在17盘间支撑柱的两侧，通过螺母与17盘间连接柱上的螺纹配合的方式紧固。17盘间支撑住的长度根据内部结构的尺寸综合得到。车轮框架通过6内六角连接块与车体相连，6内六角连接块通过螺钉，螺母结构安装在22内盘与车体相邻一侧。23外盘上通过螺钉，螺母结构装加装15电池支座与21舵机支座以固定16电池和20舵机。由于14舵机控制板的电压要求较高，故将16电池分成两部分，分别为14舵机控制板与20舵机供电。考虑到车轮整体结构的动平衡，将舵机与电池均布在相对车轮中心对称的位置。由于13无线通讯板和14舵机控制板自身重量较轻，故对其位置不予特殊设计，安装时避免与变形机构运动轨迹发生干涉即可。通过估计整体重量，进行强度计算，12舵机选用型号为TR280180°数字舵机，其输出扭力为38kg·cm(6V)，复合设计要求，安全系数为2.56。

为了达到增大扭矩的目的，在舵机输出端配置一组减速齿轮组，其减速比为2:1,。调整中心距，最终设定12小齿轮齿数为25，模数为1.5，9大齿轮齿数为50，模数为1.5。12小齿轮通与20舵机的输出轴紧固连接；9大齿轮通过销孔连接与7中轴紧固连接。11中轴轴承通过10中轴轴承座与23外盘紧固相连，7中轴与11中轴轴承配合，7中轴沿11中轴轴承周向可以转动，径向通过套筒与9大齿轮限位，锁死限位。使得7中轴相对23外盘只能做旋转运动。安装过程中应考虑7中轴与23外盘之间的同轴度，以防在7中轴旋转时出现卡死的情况。

变形机构主要由1主动爪子，3连杆和4十字驱动盘构成，4十字驱动盘通过5驱动盘销钉与7中轴固连，1主动爪子通过2转动轴承和8卡簧与17盘间支撑住固连，安装在23外盘与车体向背一侧，两者依靠3连杆连接，由于17盘间支撑住和7中轴均与23外盘固连并可转动，所以视其为两个铰链连接。因此1主动爪子，3连杆和4十字驱动盘构成一个平面四连杆机构，曲根据各杆件长度设计，该机构为柄摇杆机构。为减少单侧爪子在打开时产生的受力不平衡，设计了双排爪子机构。19从动爪通过2转动轴承和8卡簧与17盘间支撑住固连，安装在22内盘与车体相邻一侧，19从动爪与1主动爪之间通过18爪间连接柱相连。当1主动爪打开时，通过18爪间连接柱带动19从动爪打开，从而避免因只有一侧存在爪结构导致的整体受力不平衡。

本发明的控制电路由13无线通讯板和14舵机控制板构成。其中13无线通讯板通过无线信号接收上位机发来的控制信号以，并根据信号内容控制14舵机控制板驱动20舵机进行运动。当本发明需要变形为爪模式时，上位机发送无线信号，13无线通讯板接收信号并控制14舵机控制板驱动20舵机正向转动；20舵机通过减速齿轮组(9大齿轮，12小齿轮)驱动7中轴旋转，7中轴带动4十字驱动盘转动。由于1主动爪子，3连杆和4十字驱动盘构成四连杆机构，从动杆1主动爪子受3连杆带动打开；1主动爪子通过18爪间连接柱带动19从动爪旋转打开。当1主动爪子打开到预定位置时，固定在1主动爪子或十字驱动盘(4)一端上的电磁铁衔铁24接触到25电磁铁，25电磁铁通过26电磁铁支座安装在23外盘靠近车体一侧；此时25电磁铁通电，吸附住24电磁铁衔铁，产生保持力矩，将1主动爪子锁死，减少20舵机输出扭矩，此时整体车轮为爪模式。

当本发明需变形为轮模式时，上位机发送无线信号，13无线通讯板接收信号，先使25电磁铁断路，是保持力矩消失，然后控制14舵机控制板驱动20舵机反向转动；通过9大齿轮、12小齿轮、7中轴、4十字驱动盘和3连杆等零件驱动1主动爪子收回，同时通过18爪间连接柱带动19从动爪收回。此时整体车轮为轮模式。

通过计算，得到连杆机构的各项尺寸为：4十字驱动盘即主动杆有效尺寸为48mm，3连杆有效尺寸为36mm，1主动爪子即从动杆有效尺寸为16mm；以此尺寸进行设计，可以拟合出压力角与主动杆爪上的旋转角度的函数关系：α＝90°-θ-arcsin((AB·sinξ+CD·sinθ)/BC)由此计算出变形机构在运行中不会出现死点，且力传递效率在88％以上，符合设计要求。

1主动爪子整体尺寸根据23外盘尺寸获得，由于四个1主动爪子同层分布，故其有效长度根据计算公式：d_2max<L_z-E₂/L_z得：1主动爪子最大有效长度为74mm，根据此尺寸对爪子形状进行约束。同时由于为了减少车轮转动时1主动爪子对地面产生的冲击，对其尖端进行角度设计。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (4)

1.一种具有轮爪切换功能的越障车轮，其特征在于，包括车轮框架、控制结构和变形机构三个部分，其中车轮框架主要由车轮内盘(22)、车轮外盘(23)、盘间连接柱(17)、内六角连接块(6)零件组成，起到连接固定车轮结构，连接车轮与车架的作用；平行的车轮内盘(22)和车轮外盘(23)之间采用多个盘间连接柱(17)支撑固定，盘间连接柱(17)均匀分布在车轮内盘(22)和车轮外盘(23)的边缘处，进行固定支撑；内六角连接块(6)固定在车轮内盘(22)的外侧面，车轮框架通过内六角连接块(6)与车体相连；盘间支撑柱(17)的两端采用转动轴承(2)与车轮内盘(22)、车轮外盘(23)连接，盘间支撑柱(17)相对车轮内盘(22)、车轮外盘(23)固定；

控制结构主要由无线接收机(13)、舵机控制器(14)、舵机(20)、电池(16)、减速齿轮组和动力输出轴零件组成；车轮外盘(23)上固定有舵机(20)和电池(16)，舵机(20)和电池(16)分别布在相对车轮外盘(23)中心对称的位置上；舵机(20)输出端配置一组减速齿轮组，小齿轮(12)与舵机(20)的输出轴紧固连接；大齿轮(9)通过销孔连接与中轴(7)紧固连接，小齿轮(12)与大齿轮(9)啮合；中轴轴承(11)通过中轴轴承座(10)与外盘(23)紧固连接且位于外盘(23)中轴线上，中轴(7)与中轴轴承(11)配合，中轴(7)可沿中轴轴承(11)周向转动，同时中轴(7)限位，使得中轴(7)相对外盘(23)只能做旋转运动；中轴(7)与外盘(23)同轴；无线接收机(13)通过无线信号接收上位机发来的控制信号，并根据信号内容控制舵机控制器(14)驱动舵机(20)进行运动；

变形机构主要由主动爪子(1)、从动爪子(19)、连杆(3)和十字驱动盘(4)构成，十字驱动盘(4)位于车轮外盘(23)的外侧面，十字驱动盘(4)通过驱动盘销钉(5)与中轴(7)固定连接，主动爪子(1)和从动爪子(19)均通过转动轴承(2)和卡簧(8)与盘间支撑柱(17)连接，主动爪子(1)安装在车轮外盘(23)的外侧，从动爪子(19)安装在车轮内盘(22)的外侧；盘间支撑柱(17)的两端分别各有一个主动爪子(1)和对应的一个从动爪子(19)；主动爪子(1)的一端通过连杆(3)与十字驱动盘(4)的一个端连接，连杆(3)与主动爪子(1)的连接和十字驱动盘(4)的连接均为铰链连接；同时在每一组主动爪子(1)和对应的一个从动爪子之间还有一个爪间连接柱(18)，爪间连接柱(18)平行于盘间连接柱(17)，在车轮内盘(22)的边缘和车轮外盘(23)的边缘均设有凹槽，使得主动爪子(1)和从动爪子(19)收拢时，爪间连接柱(18)落入对应的凹槽内；

同时在主动爪子(1)或十字驱动盘(4)一端固定有电磁铁衔铁(24)，同时在车轮外盘(23)上还固定有电磁铁(25)，电磁铁(25)通过电磁铁支座(26)安装在车轮外盘(23)内侧；电磁铁(25)通电，能够吸附住电磁铁衔铁(24)，产生保持力矩，将主动爪子(1)锁死，减少舵机(20)输出扭矩。

2.按照权利要求1所述的一种具有轮爪切换功能的越障车轮，其特征在于，轮模式下直径180mm，爪模式下直径307mm。

3.主动爪子(1)和从动爪子(19)的结构均是一端为直的，另一端为弧形的。

4.权利要求1所述的具有轮爪切换功能的越障车轮转换模式的方法，其特征在于，当需要变形为爪模式时，上位机发送无线信号，无线接收机(13)接收信号并控制舵机控制器(14)驱动舵机(20)正向转动；舵机(20)通过减速齿轮组驱动中轴(7)旋转，中轴(7)带动十字驱动盘(4)转动；由于主动爪子(1)、连杆(3)和十字驱动盘(4)构成四连杆机构，主动爪子(1)受连杆(3)带动打开；主动爪子(1)通过爪间连接柱(18)带动从动爪子(19)旋转打开；当主动爪子(1)打开到预定位置时，固定在主动爪子(1)或十字驱动盘(4)一端上的电磁铁衔铁(24)接触到电磁铁(25)，此时电磁铁(25)通电，吸附住电磁铁衔铁(24)，产生保持力矩，将主动爪子(1)锁死，减少舵机(20)输出扭矩，此时整体车轮为爪模式；

当需变形为轮模式时，上位机发送无线信号，无线接收机(13)接收信号，先使电磁铁(25)断路，使保持力矩消失，然后控制舵机控制器(14)驱动舵机(20)反向转动；通过大齿轮(9)、小齿轮(12)、中轴(7)、十字驱动盘(4)和连杆(3)零件驱动主动爪子(1)收拢，同时通过爪间连接柱(18)带动从动爪子(19)收拢；收拢时爪间连接柱(18)位于凹槽内；此时整体车轮为轮模式。