CN107140045A - 辐条旋转变形式轮履腿复合行走装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辐条旋转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，轮圈的外侧包裹有履带，行进驱动机构包括驱动电机、履带驱动轮和履带从动轮，履带驱动轮和履带从动轮固定于固定轮架上，固定轮架沿着轮圈的径向方向布置且两端与轮圈接触形成支撑；变形轮部件包括变形辐条和变形电机，变形辐条为两根以上，呈交叉状布置并连接于轮圈的中心位置，变形辐条的两端分别于位于轮圈上开设的滑槽内，滑槽沿着轮圈的周向方向开设；变形电机的输出端与变形辐条相连，并用来驱动变形辐条转动，以改变相邻变形辐条之间的夹角，变形辐条在滑槽内转动令轮圈改变形状。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

辐条旋转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，特指一种辐条旋转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、地形适应能力强的辐条旋转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：

一种辐条旋转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，所述行进驱动机构包括驱动电机、履带驱动轮和履带从动轮，所述履带驱动轮和履带从动轮固定于固定轮架上，所述固定轮架沿着轮圈的径向方向布置且两端与轮圈接触形成支撑；所述变形轮部件包括变形辐条和变形电机，所述变形辐条为两根以上，呈交叉状布置并连接于轮圈的中心位置，所述变形辐条的两端分别于位于轮圈上开设的滑槽内，所述滑槽沿着轮圈的周向方向开设；所述变形电机的输出端与变形辐条相连，并用来驱动变形辐条转动，以改变相邻变形辐条之间的夹角，所述变形辐条在滑槽内转动令轮圈改变形状。

作为本发明的进一步改进：所述滑槽开设于轮圈的侧面，为沿轮圈圆周方向的弧形滑槽。

作为本发明的进一步改进：每根所述变形辐条的两端均设有柱状凸起，所述柱状凸起分别嵌于轮圈的滑槽内。

作为本发明的进一步改进：所述变形辐条为两根，通过交叉布置形成X状。

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，所述弧形轮圈片之间采用铰接的方式。

作为本发明的进一步改进：所述轮圈包括由多个弧形轮圈片首尾铰接相连而成，所述轮圈的外侧包裹有履带，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。

作为本发明的进一步改进：所述弧形轮圈片的数量与变形辐条与轮圈的接触支撑点数量一致。

作为本发明的进一步改进：所述变形辐条与轮圈的接触支撑点位于弧形轮圈片之间的铰接点附近处。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的辐条旋转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。

2、本发明的辐条旋转变形式轮履腿复合行走装置，在竖直方向的铰接点处设置变形辐条，直接为其提供支撑力。当在圆轮模式下时，变形辐条对轮圈的支撑点可以很靠近轮圈的受力点，这样能够对轮圈形成很好地支撑作用，较好地改善了轮圈的受力结构。

3、本发明的辐条旋转变形式轮履腿复合行走装置，履带接地长度大，降低了接地比压，同时进一步将单支撑轮组改为多支撑轮组，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处于轮式模式时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处于腿式模式时变形轮部件的结构原理示意图。

图5是本发明在具体应用实例中处于轮式模式时变形轮部件的立体结构示意图。

图6是本发明在具体应用实例中处于履式模式时变形轮部件的结构原理示意图。

图例说明：

1、轮圈；2、变形电机；3、变形辐条；4、滑槽；5、驱动电机；6、履带驱动轮；7、履带从动轮；8、固定轮架；10、履带；101、弧形轮圈片。

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，本发明的辐条旋转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，该行进驱动机构包括驱动电机5、履带驱动轮6和履带从动轮7，履带驱动轮6和履带从动轮7固定于固定轮架8上，固定轮架8沿着轮圈1的径向方向布置且两端与轮圈1接触形成支撑。变形轮部件包括变形辐条3和变形电机2，变形辐条3为两根以上，呈交叉状布置并连接于轮圈1的中心位置，变形辐条3的两端分别于位于轮圈1上开设的滑槽4内，该滑槽4沿着轮圈1的周向方向开设。变形电机2的输出端与变形辐条3相连，并用来驱动变形辐条3转动，以改变相邻变形辐条3之间的夹角，变形辐条3在滑槽4内转动，最终令轮圈1改变形状，从而形成圆轮、履带或者直腿。这样变形轮部件2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。

在具体应用实例中，滑槽4开设于轮圈1的侧面，为沿轮圈1圆周方向的弧形滑槽4，每根变形辐条3的两端均设有柱状凸起，柱状凸起分别嵌于轮圈1的滑槽4内。

在本实施例中，变形辐条3为两根，通过交叉布置形成X状。当轮圈1处于圆轮状态时，两变形辐条3向中间靠拢，嵌于滑槽4内的柱状凸起对轮圈1起支撑作用。当需要切换运动模态时，变形电机2驱动两根变形辐条3旋转，当柱状凸起到达滑槽4的另一端时便推动轮圈1与变形辐条3一起展开，最终变为履带模式。可以理解，变形辐条3的数量可以根据实际需要来选择，以满足轮圈1实际变形的需要，这都应在本发明的保护范围之内。从多根变形辐条3的设计来看，实际上是将传统单支撑轮组改为多支撑轮组，使得底盘支撑点向履带装置中间靠近。

在具体应用实例中，圆轮模式还可设计成完全中心对称结构，这将更加有利于行进时的动平衡。

在具体应用实例中，轮圈1在周向方向上分成若干瓣弧形轮圈片101，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。如，轮圈1可以包括由多个弧形轮圈片101首尾铰接相连成一个轮圈1，轮圈1的外侧包裹有履带10（如橡胶履带），履带10用来与履带驱动轮6和履带从动轮7发生配合形成履带驱动状态。而变形轮部件可以令相邻弧形轮圈片101之间发生位移从而改变轮圈1的形状，从而形成圆轮、履带或者直腿。

在较佳的实施例中，变形辐条3与轮圈1的接触支撑点位于弧形轮圈片101之间的铰接点附近处。

在具体应用实例中，固定轮架8呈水平方向布置，变形辐条3可转动至竖直方向。

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。本发明在竖直方向的铰接点处设置变形辐条3，直接为其提供支撑力。当在圆轮模式下时，变形辐条3对轮圈1的支撑点可以很靠近轮圈1的受力点，这样能够对轮圈1形成很好地支撑作用，较好地改善了轮圈1的受力结构。在上述结构中，履带10接地长度大，降低了接地比压，同时进一步将单支撑轮组改为多支撑轮组，使得底盘支撑点向履带装置中间靠近，不仅增大了履带10接地长度，还使得履带10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10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”， 履带驱动轮6、履带从动轮7以及承重轮将橡胶履带10支起，形成履带式行走装置，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 (8)

1.一种辐条旋转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，所述轮圈（1）的外侧包裹有履带（10），所述行进驱动机构包括驱动电机（5）、履带驱动轮（6）和履带从动轮（7），其特征在于，所述履带驱动轮（6）和履带从动轮（7）固定于固定轮架（8）上，所述固定轮架（8）沿着轮圈（1）的径向方向布置且两端与轮圈（1）接触形成支撑；所述变形轮部件包括变形辐条（3）和变形电机（2），所述变形辐条（3）为两根以上，呈交叉状布置并连接于轮圈（1）的中心位置，所述变形辐条（3）的两端分别于位于轮圈（1）上开设的滑槽（4）内，所述滑槽（4）沿着轮圈（1）的周向方向开设；所述变形电机（2）的输出端与变形辐条（3）相连，并用来驱动变形辐条（3）转动，以改变相邻变形辐条（3）之间的夹角，所述变形辐条（3）在滑槽（4）内转动令轮圈（1）改变形状。

2.根据权利要求1所述的辐条旋转变形式轮履腿复合行走装置，其特征在于，所述滑槽（4）开设于轮圈（1）的侧面，为沿轮圈（1）圆周方向的弧形滑槽（4）。

3.根据权利要求1所述的辐条旋转变形式轮履腿复合行走装置，其特征在于，每根所述变形辐条（3）的两端均设有柱状凸起，所述柱状凸起分别嵌于轮圈（1）的滑槽（4）内。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的辐条旋转变形式轮履腿复合行走装置，其特征在于，所述变形辐条（3）为两根，通过交叉布置形成X状。

5.根据权利要求1～3中任意一项所述的辐条旋转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），所述弧形轮圈片（101）之间采用铰接的方式。

6.根据权利要求5所述的辐条旋转变形式轮履腿复合行走装置，其特征在于，所述轮圈（1）包括由多个弧形轮圈片（101）首尾铰接相连而成，所述轮圈（1）的外侧包裹有履带（10），所述履带（10）用来与履带驱动轮（6）和履带从动轮（7）发生配合形成履带驱动状态。

7.根据权利要求5所述的辐条旋转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）的数量与变形辐条（3）与轮圈（1）的接触支撑点数量一致。

8.根据权利要求5所述的辐条旋转变形式轮履腿复合行走装置，其特征在于，所述变形辐条（2）与轮圈（1）的接触支撑点位于弧形轮圈片（101）之间的铰接点附近处。