CN107140046A - 直线驱动轮架伸展式轮履腿复合行走装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直线驱动轮架伸展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固定轮架、伸展轮架、变形电机以及履带支撑轮组，所述履带支撑轮组安装于固定轮架和/或伸展轮架上；所述固定轮架与伸展轮架形成水平布置的状态并在轮圈径向方向对轮圈进行支撑，所述固定轮架的一端与轮圈接触，所述伸展轮架的一端与轮圈接触，另一端套设于固定轮架内；在所述变形电机的驱动下，所述伸展轮架在所述固定轮架内的滑槽中滑动，在轮圈的径向方向对履带进行撑开或收缩的操作。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

直线驱动轮架伸展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，特指一种直线驱动轮架伸展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、地形适应能力强的直线驱动轮架伸展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：

一种直线驱动轮架伸展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固定轮架、伸展轮架、变形电机以及履带支撑轮组，所述履带支撑轮组安装于固定轮架和/或伸展轮架上；所述固定轮架与伸展轮架形成水平布置的状态并在轮圈径向方向对轮圈进行支撑，所述固定轮架的一端与轮圈接触，所述伸展轮架的一端与轮圈接触，另一端套设于固定轮架内；在所述变形电机的驱动下，所述伸展轮架在所述固定轮架内的滑槽中滑动，在轮圈的径向方向对轮圈进行撑开或收缩的操作。

作为本发明的进一步改进：所述伸展轮架安装于丝杆传动机构上，所述丝杆传动机构包括沿着固定轮架方向布置的丝杆和通过螺纹连接于丝杆上的螺母，所述伸展轮架连接于螺母上，所述变形电机用来驱动丝杆转动，以带着螺母以及伸展轮架完成直线运动。

作为本发明的进一步改进：所述履带支撑轮组包括两组，一组支撑轮安装于所述固定轮架上，另一组支撑轮安装于伸展轮架上。

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

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：所述轮圈包括由两个弧形轮圈片铰接相连而成，两个铰接点的连线为轮圈的直径方向，且与所述固定轮架的布置方向垂直。

作为本发明的进一步改进：所述履带支撑轮组始终保持与轮圈接触以对轮圈进行支撑。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的直线驱动轮架伸展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、本发明的直线驱动轮架伸展式轮履腿复合行走装置，作为关键部件的变形轮部件结构简单且能够自锁，正常运行过程中变形电机不需提供保持力，圆轮模式下，伸展轮架与固定轮架可视为一体，使得分布于轮架同侧的两段圆弧轮圈与轮架构成稳定的三角形结构，因此圆形轮圈具有很好地结构受力性。

3、本发明的直线驱动轮架伸展式轮履腿复合行走装置，履带接地长度大，降低了接地比压；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。本发明采用丝杠螺母驱动之后，既能够提供支撑力也能够提供拉力。即在竖直方向受挤压力时，轮圈在轮架拉力的作用下，依然能够保持圆形。

附图说明

图1是本发明在具体应用实例中的立体结构示意图。

图2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3是本发明在具体应用实例中处于履带模式时的结构原理示意图。

图例说明：

1、轮圈；101、弧形轮圈片；2、变形电机；3、固定轮架；4、伸展轮架；5、丝杆；6、驱动电机；7、履带驱动轮；8、履带从动轮；9、履带；10、电机座；11、履带支撑轮组；12、滑槽；13、导轨。

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3所示，本发明的直线驱动轮架伸展式轮履腿复合行走装置，包括行进驱动机构和变形轮部件，该行进驱动机构包括行进动力装置6、履带驱动轮7和履带从动轮8。变形轮部件包括固定轮架3、伸展轮架4、变形电机2以及履带支撑轮组11，履带支撑轮组11安装于固定轮架3和/或伸展轮架4上，履带支撑轮组11始终保持与轮圈1接触以对轮圈1进行支撑。固定轮架3与伸展轮架4形成水平布置的状态并在轮圈1径向方向对轮圈1进行支撑，固定轮架3的一端与轮圈1接触，伸展轮架4的一端与轮圈1接触，另一端套设于固定轮架3内，在变形电机2的驱动下，伸展轮架4可以在固定轮架3内的滑槽12中滑动，从而在轮圈1的径向方向完成对轮圈1撑开或收缩的操作，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，伸展轮架4安装于丝杆传动机构上，丝杆传动机构包括沿着固定轮架3方向布置的丝杆5和通过螺纹连接于丝杆5上的螺母，伸展轮架4连接于螺母上，变形电机2用来驱动丝杆5转动，以带着螺母以及伸展轮架4完成直线运动。可以理解，丝杆传动机构仅为若干直线传动机构中的一种，其他类型的直线传动机构，只要是能够满足固定轮架3与伸展轮架4之间运动需要的任何结构形式均在本发明的保护范围之内，例如气缸、液压缸、齿轮齿条等结构方式。

在具体应用实例中，轮圈1在周向方向上分成两个半圈，两个半圈之间采用铰接的方式，在伸展轮架4在轮圈1的径向方向对轮圈1进行撑开或收缩操作时，铰接点处形成弯折，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也可以根据实际的需要，沿着圆周方向分成若干个铰接点，这可以根据实际的变形需要来选择，但都应在本发明的保护范围之内。如，轮圈1可以包括由多个弧形轮圈片101首尾铰接相连而成，轮圈1的外侧包裹有履带9（如橡胶履带），履带9用来与履带驱动轮7和履带从动轮8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。本实例中，所述轮圈1包括由两个弧形轮圈片101铰接相连而成，两个铰接点的连线为轮圈1的直径方向，且与所述固定轮架3的布置方向垂直。

在具体应用实例中，履带支撑轮组11包括两组，一组支撑轮安装于固定轮架3上，另一组支撑轮安装于伸展轮架4上。

在具体应用实例中，圆轮模式可设计成完全中心对称结构，有利于行进时的动平衡。

在具体应用实例中，还可以在固定轮架3处设置导轨13，令伸展轮架4沿着导轨13运动，以保证运动的可靠性。

采用上述结构之后，当轮圈1为圆形时，伸展轮架4处于收缩状态，行进驱动机构中的驱动电机驱动轮架旋转，为轮式行走方式。两组支撑轮对称地靠拢在轮心两侧，减小转动惯量以提高圆轮的加减速性能。当轮圈1变形后，履带驱动轮7内置轮毂电机，可直接驱动履带9行进。此时伸展轮架4往外伸出，带动支撑轮组1远离固定轮架上的支撑轮组2，这样就形成了多支撑点的履带结构。当轮圈1变形后，行进驱动机构中的驱动电机6驱动轮架旋转，为翻转腿式行进。

也正是采用了本发明的上述结构，令行进驱动方式简单，减少了传动机构，不仅简化了结构，还能提高驱动效率；去掉了伸缩杆的滑动副，使得机构更加可靠。作为关键部件的变形轮部件结构简单且能够自锁，正常运行过程中变形电机2不需提供保持力，圆轮模式下，伸展轮架4与固定轮架3可视为一体，使得分布于轮架同侧的两段圆弧轮圈1与轮架构成稳定的三角形结构，因此圆形轮圈1具有很好地结构受力性。履带9接地长度大，降低接地比压；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9接地长度，还使得履带9接地段受力更加均匀，有效降低了履带装置的接地比压。本发明采用丝杆传动机构之后，既能够提供支撑力也能够提供拉力。即在竖直方向受挤压力时，轮圈1在轮架拉力的作用下，依然能够保持圆形。

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 (7)

1.一种直线驱动轮架伸展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（9），其特征在于，所述变形轮部件（2）包括固定轮架（3）、伸展轮架（4）、变形电机（2）以及履带支撑轮组（11），所述履带支撑轮组（11）安装于固定轮架（3）和/或伸展轮架（4）上；所述固定轮架（3）与伸展轮架（4）形成水平布置的状态并在轮圈（1）径向方向对轮圈（1）进行支撑，所述固定轮架（3）的一端与轮圈（1）接触，所述伸展轮架（4）的一端与轮圈（1）接触，另一端套设于固定轮架（3）内；在所述变形电机（2）的驱动下，所述伸展轮架（4）在所述固定轮架（3）内的滑槽（12）中滑动，在所述轮圈（1）的径向方向对轮圈（1）进行撑开或收缩的操作。

2.根据权利要求1所述的直线驱动轮架伸展式轮履腿复合行走装置，其特征在于，所述伸展轮架（4）安装于丝杆传动机构上，所述丝杆传动机构包括沿着固定轮架（3）方向布置的丝杆（5）和通过螺纹连接于丝杆（5）上的螺母，所述伸展轮架（4）连接于螺母上，所述变形电机（2）用来驱动丝杆（5）转动，以带着螺母以及伸展轮架（4）完成直线运动。

3.根据权利要求1所述的直线驱动轮架伸展式轮履腿复合行走装置，其特征在于，所述履带支撑轮组（11）包括两组，一组支撑轮安装于所述固定轮架（3）上，另一组支撑轮安装于伸展轮架（4）上。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的直线驱动轮架伸展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驱动电机（6）、履带驱动轮（7）和履带从动轮（8）。

5.根据权利要求4所述的直线驱动轮架伸展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，所述履带（9）用来与履带驱动轮（7）和履带从动轮（8）发生配合形成履带驱动状态。

6.根据权利要求5所述的直线驱动轮架伸展式轮履腿复合行走装置，其特征在于，所述轮圈（1）包括由两个弧形轮圈片（101）铰接相连而成，两个铰接点的连线为轮圈（1）的直径方向，且与所述固定轮架（3）的布置方向垂直。

7.根据权利要1～3中任意一项所述的直线驱动轮架伸展式轮履腿复合行走装置，其特征在于，所述履带支撑轮组（11）始终保持与轮圈（1）接触以对轮圈（1）进行支撑。