CN107140041A - 同步伸缩变形式轮履腿复合行走装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同步伸缩变形式轮履腿复合行走装置，包括轮圈、行进驱动机构和变形轮部件，所述轮圈的外侧包裹有履带，所述变形轮部件包括变形电机和三根以上的支撑丝杆，所述变形电机位于轮圈的中部，所述支撑丝杆上通过螺纹配合安装有螺母接头，所述螺母接头与轮圈接触形成联动支撑，所述支撑丝杆均通过传动部件与所述变形电机的输出端相连并在变形电机驱动下转动，在所述支撑丝杆的转动过程中，所述螺母接头会在支撑丝杆上平移令轮圈改变形状。本发明具有结构简单紧凑、运动方式灵活、地形适应能力强等优点。

Description

同步伸缩变形式轮履腿复合行走装置

技术领域

本发明主要涉及到机器行走装置领域，特指一种同步伸缩变形式轮履腿复合行走装置，尤其适用于移动机器人、工程车辆等领域。

背景技术

众所周知，用于火灾、矿难、核泄漏等危险作业的小型地面移动机器人以其体积小、成本低、生存能力强、运动灵活等特点成为移动机器人研究领域的又一热点。移动机器人最基本的行走方式有轮式、履带式及腿式三种：其中轮式结构运行平稳、高速高效，然而其越障能力、适应复杂地形的能力却非常有限；履带式行走装置接地比压小，能够适应沙土、泥泞等松软地形，但同时也存在转弯性较差、速度及效率较低等缺点；腿式结构具有越障能力强、适应性好的优点，但是其行进速度低、能耗高。

有从业者，提出一种轮履腿复合形式的结构，它包括底盘和行进驱动机构，行进驱动机构包括行进动力装置、履带驱动轮和履带从动轮，底盘上安装有三个以上变形轮部件，变形轮部件包括变形轮圈和变形切换机构，变形轮圈包括由多个弧形轮圈片首尾铰接相连成一个轮圈，轮圈的外侧包裹有履带，履带用来与履带驱动轮和履带从动轮发生配合形成履带驱动状态；变形切换机构采用的是丝杠螺母推动“X”交叉型伸缩杆的铰接点，以驱动轮圈变形。也就是说，在驱动下可以通过伸缩令相邻弧形轮圈片之间发生位移从而改变轮圈的形状和行进姿态。在圆轮模式下，“X”交叉型伸缩杆的四个端点分别对四段圆弧轮圈形成支撑，起到辐条的作用，之所以要做成可伸缩的，是因为轮圈由圆形变为“∞形”的过程中，两相对的支撑点之间的距离L是不断变化的。

通过长期的研究发现，上述方案在实践过程中仍然存在一些难以解决的问题：

1、由于变形轮的轮圈被分成了四段，因此必须在四个圆弧铰接点形成支撑，才能使轮圈保持圆形。上述方案虽然在水平方向上的两个铰接点有轮架作为支撑，但是在竖直方向上的两个铰接点却并没有。虽然“X”型的辐条支撑于相邻的两个交接点之间，但是为了轮圈能够变形，轮架和辐条都是可以伸长的，因此轮架和辐条都只能给轮圈提供支撑力却不能提供拉力，这都使得轮圈在竖直方向上缺乏保持力。当水平方向受到挤压力时，轮圈能够在轮架的支撑下保持圆形；而当竖直方向受到挤压力时，轮圈则容易发生变形。

2、由于对伸缩杆长度变化规律的限制，使得伸缩杆对轮圈的支撑点位置距离轮圈的受力点较远，经计算可得，这就导致“X”型辐条对轮圈的支撑效果并不好，即轮圈的轮圈结构的受力性能不好。

3、“X”型辐条采用伸缩杆，包含有滑动副，当滑动副配合较紧密时，容易导致卡死，伸缩不灵活使得变形不可靠；当滑动副配合较为松动时，运动副间的间隙较大，使得伸缩杆的晃动大，导致整个轮圈结构的空程增大，即轮圈不能够保持圆形，会降低运动精度与结构可靠度。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、运动方式灵活、地形适应能力强的同步伸缩变形式轮履腿复合行走装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

包括轮圈、行进驱动机构和变形轮部件，所述轮圈的外侧包裹有履带，所述变形轮部件包括变形电机和三根以上的支撑丝杆，所述变形电机位于轮圈的中部，所述支撑丝杆上通过螺纹配合安装有螺母接头，所述螺母接头与轮圈接触形成联动支撑，所述支撑丝杆均通过传动部件与所述变形电机的输出端相连并在变形电机驱动下转动，在所述支撑丝杆的转动过程中，所述螺母接头会在支撑丝杆上平移令轮圈改变形状。

作为本发明的进一步改进：所述支撑丝杆与变形电机之间通过锥齿轮组件相连并完成传动。

作为本发明的进一步改进：所述轮圈上设置铰接孔用来与螺母接头形成铰接支撑。

作为本发明的进一步改进：所述轮圈在周向方向上分成若干瓣弧形轮圈片，相邻弧形轮圈片之间采用铰接的方式连接。

作为本发明的进一步改进：所述弧形轮圈片的瓣数与支撑丝杆的数量一致。

作为本发明的进一步改进：所述支撑丝杆为四根，所述弧形轮圈片为四瓣。

作为本发明的进一步改进：所述支撑丝杆与轮圈的接触支撑点位于相邻弧形轮圈片之间的铰接点位置处。

作为本发明的进一步改进：所述行进驱动机构包括行进动力装置、履带驱动轮和履带从动轮。

作为本发明的进一步改进：所述履带用来与履带驱动轮和履带从动轮发生配合形成履带驱动状态。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的同步伸缩变形式轮履腿复合行走装置，令行进驱动方式更加简单，大大减少了传动机构，不仅简化了结构，还能提高驱动效率；通过去掉了伸缩杆的滑动副，使得机构更加可靠。把原来可伸长的辐条改进为由丝杠螺母驱动的长度可控的辐条，给轮圈提供保持力。

2、本发明的同步伸缩变形式轮履腿复合行走装置，由于丝杠螺母的自锁作用，在圆轮模式下构成稳定的支撑结构，能够较好地对圆形轮圈形成支撑作用。

3、本发明的同步伸缩变形式轮履腿复合行走装置，履带接地长度大，降低接地比压；多根支撑丝杆和支撑丝杆上的螺母接头形成了多支撑轮组，使得底盘支撑点向履带装置中间靠近，不仅增大了履带接地长度，还使得履带接地段受力更加均匀，有效降低了履带装置的接地比压。

附图说明

图1是本发明在具体应用实例中的结构原理示意图。

图2是本发明在具体应用实例中的立体分解结构示意图。

图3是本发明在具体应用实例中变形轮部件的结构原理示意图。

图4是本发明在具体应用实例中支撑丝杆的安装结构示意图。

图5是本发明在具体应用实例中处于轮式模式的示意图。

图6是本发明在具体应用实例中处于履带模式的示意图。

图例说明：

1、轮圈；101、瓣弧形轮圈片；2、支撑丝杆；3、变形电机；4、电机座；5、锥齿轮组件；51、大锥齿轮；52、小锥齿轮；6、螺母接头；7、锥齿轮座；8、铰接孔。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1～图6所示，本发明的同步伸缩变形式轮履腿复合行走装置，包括轮圈1、行进驱动机构和变形轮部件，轮圈1上绕设有履带（图中未示），该行进驱动机构可以根据实际需要来选择，一般采用包括行进动力装置、履带驱动轮和履带从动轮的结构。变形轮部件包括变形电机3和三根以上的支撑丝杆2，变形电机3位于轮圈1的中部，安装于电机座4上，支撑丝杆2上通过螺纹配合安装有螺母接头6，螺母接头6与轮圈1接触形成联动支撑，支撑丝杆2均通过传动部件与变形电机3的输出端相连，并在变形电机3驱动下转动。在支撑丝杆2的转动过程中，螺母接头6会在支撑丝杆2上平移，从而令轮圈1改变形状，从而形成圆轮、履带或者直腿。这样变形轮部件就可根据工作地形的不同分别以圆轮、履带或者直腿的方式行进，能够适应各种复杂地形，具有很强的机动能力和越障能力。

在本实例中，支撑丝杆2为四根，以保证较佳的联动支撑效果，也能够有效保证轮圈1变形后的姿态。

在具体应用实例中，支撑丝杆2与变形电机3之间通过锥齿轮组件5相连并完成传动，锥齿轮组件5包括安装于锥齿轮座7上的大锥齿轮51和小锥齿轮52。可以理解，只要能够满足变形电机3对支撑丝杆2的传动，任何形式的传动部件均是可以的，例如齿轮传动、轴传动等也都应在本发明的保护范围之内。

在本实例中，轮圈1在周向方向上分成若干瓣弧形轮圈片101，相邻弧形轮圈片101之间采用铰接的方式，铰接点处可以形成弯折，以保证轮圈1的变形，满足最终轮圈1形态的需要。可以理解，轮圈1可以根据实际的变形需要来选择弧形轮圈片101的数量，但都应在本发明的保护范围之内。本实例中由于支撑丝杆2为四根，所以瓣数也为四个，作为优选可以选择让弧形轮圈片101的数量与支撑丝杆2保持一致。

在较佳的实施例中，螺母接头6与轮圈1的接触支撑点位于弧形轮圈片101之间的铰接点位置处，轮圈1上设置铰接孔8用来与螺母接头6形成铰接支撑。

也正是采用了本发明的上述结构形式，令行进驱动方式更加简单，大大减少了传动机构，不仅简化了结构，还能提高驱动效率；且去掉了伸缩杆的滑动副，使得机构更加可靠。由于螺母接头6的自锁作用，在圆轮模式下构成了稳定的支撑结构，能够较好地对圆形轮圈形成支撑作用。采用本发明的结构形式之后，履带接地长度大，降低接地比压；多根支撑丝杆2和支撑丝杆2上的螺母接头6形成了多支撑轮组，使得底盘支撑点向履带装置中间靠近，不仅增大了履带接地长度，还使得履带接地段受力更加均匀，有效降低了履带装置的接地比压。

将本发明应用于移动机器人之后，使得移动机器人能够根据所处地状况不同分别以圆轮、履带或者直腿（当压缩至最低状态即为腿式结构）的形式行进，既能以轮式运动模式在平坦硬路面运动，也能以履带式运动模式在松软地形上行走，还能够以腿式运动模式在崎岖不平的地形行走，能够以合理的运动模式在不同复杂地面高效地运动。在较为平坦地形行进时，变形轮的轮圈1呈圆形，橡胶履带包裹在轮圈1之上充当“轮胎”，机器人为轮式模式。在较为松软的地形行进时，变形轮的轮圈1呈“∞形”，将橡胶履带支起，形成履带式行走装置，履带驱动电机通过同步带传动驱动驱动轮旋转，使得整个履带行走装置前进。在乱石及台阶的崎岖地形行进时，变形轮的轮圈1呈“∞形”，整个腿式结构绕着输入轴公转，机器人以直腿方式行进。本发明的方案新颖，轮、履、腿式之间相互切换方便，结构简单，行进速度快、能耗低、机动能力强，爬坡、越障、跨沟能力强。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种同步伸缩变形式轮履腿复合行走装置，包括轮圈（1）、行进驱动机构和变形轮部件（2），所述轮圈（1）的外侧包裹有履带，其特征在于，所述变形轮部件包括变形电机（2）和三根以上的支撑丝杆（3），所述变形电机（2）位于轮圈（1）的中部，所述支撑丝杆（3）上通过螺纹配合安装有螺母接头（6），所述螺母接头（6）与轮圈（1）接触形成联动支撑，所述支撑丝杆（3）均通过传动部件与所述变形电机（2）的输出端相连并在变形电机（2）驱动下转动，在所述支撑丝杆（3）的转动过程中，所述螺母接头（6）会在支撑丝杆（3）上平移令轮圈（1）改变形状。

2.根据权利要求1所述的同步伸缩变形式轮履腿复合行走装置，其特征在于，所述支撑丝杆（3）与变形电机（2）之间通过锥齿轮组件（5）相连并完成传动。

3.根据权利要求1所述的同步伸缩变形式轮履腿复合行走装置，其特征在于，所述轮圈（1）上设置铰接孔（8）用来与螺母接头（6）形成铰接支撑。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的同步伸缩变形式轮履腿复合行走装置，其特征在于，所述轮圈（1）在周向方向上分成若干瓣弧形轮圈片（101），相邻弧形轮圈片（101）之间采用铰接的方式连接。

5.根据权利要求4所述的同步伸缩变形式轮履腿复合行走装置，其特征在于，所述弧形轮圈片（101）的瓣数与支撑丝杆（3）的数量一致。

6.根据权利要求5所述的同步伸缩变形式轮履腿复合行走装置，其特征在于，所述支撑丝杆（3）为四根，所述弧形轮圈片（101）为四瓣。

7.根据权利要求4所述的同步伸缩变形式轮履腿复合行走装置，其特征在于，所述支撑丝杆（3）与轮圈（1）的接触支撑点位于相邻弧形轮圈片（101）之间的铰接点位置处。

8.根据权利要求1～3中任意一项所述的同步伸缩变形式轮履腿复合行走装置，其特征在于，所述行进驱动机构包括行进动力装置、履带驱动轮和履带从动轮。

9.根据权利要求8所述的同步伸缩变形式轮履腿复合行走装置，其特征在于，所述履带用来与履带驱动轮和履带从动轮发生配合形成履带驱动状态。