CN109733505B - 一种全地形高度主动升降式全向驱动轮机构的工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全地形高度主动升降式全向驱动轮机构的工作方法，包括高度主动调整方法、路面路况感知方法、发电方法。大大简化了驱动轮结构的复杂度，提高了驱动轮集成度、控制精度，降低了驱动轮重量、动力响应速度；通过自身高度升降模块，实现了驱动轮相对平台的高度调节，从而明显提升了驱动轮避震性能和越障通过性能，同时也提升了移动平台的跨越性能，而且还实现系统的路面路况感知功能，大大提升了系统的智能化程度。

Description

一种全地形高度主动升降式全向驱动轮机构的工作方法

技术领域

本发明属于驱动装置技术领域，具体涉及一种全地形高度主动升降式全向驱动轮机构的工作方法。

背景技术

全向移动平台是指能够沿XY两方向运动，且可实现原地旋转的平台，具有转向空间小、机动灵活性好、操控方便、运动平稳等优点，为电商物流、工厂物料搬运、军事排爆和家庭服务等行业提供了一个完美的解决方案。全向移动平台因其具有在不改变自身姿态的前提下向任意方向运动的能力，即具有在平面上3个或者3个以上的运动自由度，运动灵活性更高，非常适合在狭窄或空间受限的区域运行。

目前实现轮系全向运动通常所采用的全向移动机构有球轮、麦克纳母轮、万向轮或是基于它们的变形产品。对于提高轮系或附属的移动平台高度升降方面，主要依赖于关节状的伸缩机构。

Ⅰ.全向移动平台驱动形式上，主要有球轮、麦克纳母轮和全向轮等方案。

(1)球轮结构技术方案

例如申请号为201110421107.X的专利“基于球轮全向驱动的运动平台”，涉及一种能够自主运动的智能运动平台，特别涉及一种通过控制三个球轮的运动从而实现平台整体的全向运动的机构，属于电机驱动、传感器测距、无线通讯和自动控制技术领域；具体包括三套同样的球轮驱动机械结构和三个电机驱动器、环境感知系统和平台控制系统；平台主控制模块处理得出控制指令，发给电机驱动器控制模块，球轮在驱动电机的控制下滚动，实现平台的运动。该发明基于球体滚动的全向性原理，可实现人工操控与自主运行两种工作模式，以及单平台运行和多平台运行方式，具有体积小，平衡性好，运动行为表现力突出，快速机动和全向运动性的特点。相似的还有申请号为201280035387.3的专利“全向运动平台”等。

球形轮一般采用磁性或其它方式，对球轮进行完全控制，从而实现轮子在XY方向上全向运动。但是球形轮控制起来较难，实际使用中很少采用，目前较多的存在于概念产品中，例如奥迪的球形轮胎机构等。

(2)麦克纳母轮结构技术方案

申请号为201611060832.8的专利公布了“一种全向移动平台”，包括车体框架、摆动组件、摆动车桥以及减震器，所述摆动组件固定在车体框架底部，所述摆动车桥通过所述摆动组件可相对所述车体框架底部上下摆动的安装在所述车体框架上；所述摆动车桥包括与所述摆动组件连接的中间部分和位于中间部分两侧的摆臂，所述中间部分与所述摆动组件连接，所述摆臂远离所述中间部分的端部安装有车轮；所示减震器一端与所述车体框架连接，另一端与所述摆臂连接。该移动平台，在地面不平的情况下，也能够使得全向移动平台平稳作业，同时使用寿命较长。

相似的，还有申请号为201620216799.2的专利公布了“一种全向移动平台的独立悬挂机构”，包括麦克纳姆轮、过渡轴组件、法兰安装基板、导轨滑块、悬挂安装基板、油气混合弹簧安装座和油气混合弹簧。本发明通过采用油气混合弹簧和导轨滑块，可以根据地面的不平整性，调整麦克纳姆轮的高度，从而时刻保证麦克纳姆轮都可以与地面充分接触，使得所有的麦克纳姆轮受力均匀，确保平稳运行，可以让麦克纳姆轮更好的适应地面的不平整性，通过采用油气混合弹簧，可自适应调整麦克纳姆轮离地高度，结构简单，系统稳定，便于维护。

麦克纳母轮因其设计和控制都较简单，在全向移动产品中使用较为广泛。但是因为它与地面的接触点不连续，而且只有一个可控运动自由度，导致运行中会引起打滑和噪音，造成运动效率低。由于正交轮在运动过程中两个轮子是交替接触地面的，这就导致在运动过程中每个轮子所承受的压力变化大，从而影响与地面接触的摩擦力，影响轮子转动速度，不能保证车体运动速度的平稳性；此外麦克纳姆轮的滚子之间存在间隙，容易产生振动或打滑，导致能量损失严重，造成车体不稳定，无法保证位置精确度，而且这种轮子对加工设计有很高要求，从而导致使用成本高。

(3)万向轮结构技术方案

该类方案中，一般采用将驱动电机直接安装在驱动轮轮毂上以简化结构。

例如申请号为201310019276.X的专利公布了“一种全向转向可升降的农用遥控移动机器人平台”，涉及全向转向可升降的农用遥控移动机器人平台。该平台由全向转向机构、液压升降系统、车架台、车载电子设备、行走机构组成。全向转向装置由伺服电机驱动，通过小齿轮、大齿轮，将动力传给转向套，然后传递给车轮支架和轮毂电机式车轮，实现全向转向。其优点是：驱动电机和液压升降独立运动，可实现360度原地回转的同时调整车身的高度，以适应不同高度的农作物和地形环境；转向时转向阻力矩小，转向轻松灵活；采用轮毂电机车轮，电机和车轮一体，简化了平台结构。

相似的还有申请号为201510206463.8专利公布的“一种全向移动平台”，申请号为201510299730.0公布的“一种具有全向运动的运输车”，申请号为201610300370.6公布的“全向移动平台及其舵轮和驱动轮”，还有申请号为201711141193.2公布的“一种机电一体式新型全向结构轮装置”等。

万向轮式的机构一般结构冗余复杂，可集成度差，由于存在驱动和转向电机，很难实现悬挂减震功能，无法实现全地形避震越障功能。更重要的是，目前万向轮方案中，一般采用将驱动电机直接安装在驱动轮轮毂上以简化结构，但同样会增加万向轮重量，不利于轮系减重提速、增加越障性能，同时也会带来能耗增加等弊端。而通过链条或传送带进行动力传输的方案中，存在动力延迟、扭矩传递间隙过大的缺点，机器人移动响应速度慢、精度低，不利于提高机器人运动灵活性、高机动性和高精度性。

Ⅱ.全向移动平台升降方案上，主流的方案是通过电动推杆或液压系统实现高度升降功能。

(1)电动推杆升降结构方案

例如申请号为201510445274.6的专利公布了“一种火星探测车底盘”，包括车体、前摆臂，后摆臂，转向控制伺服电机、车轮驱动伺服电机，车轮，电动推杆，摄像机旋转平台等构成。六轮均可独立转向，独立驱动，在遇到障碍物，如大石块、地表沟壑时，可用电动推杆将前摆臂抬起，越过障碍物，然后后摆臂抬起，越过障碍物。本发明智能灵活，设计合理，可以适应各种地形的探测要求。

(2)液压升降结构方案

例如申请号为201310019276.X的专利公布了“一种全向转向可升降的农用遥控移动机器人平台”，由全向转向机构、液压升降系统、车架台、车载电子设备、行走机构组成。全向转向装置由伺服电机驱动，通过小齿轮、大齿轮，将动力传给转向套，然后传递给车轮支架和轮毂电机式车轮，实现全向转向，同时液压升降装置在液压驱动的作用下可升降平台。其优点是：驱动电机和液压升降独立运动，可实现360度原地回转的同时调整车身的高度，以适应不同高度的农作物和地形环境。

目前，绝大多数全向移动平台上没有可升降机构，极少数农用移动平台上，一般依靠平台上自带的液压站实现平台高度的简单升降，从而实现避障等功能。但由于液压站，升降机构较复杂，不利于平台或全向移动平台的微型化。更重要的是，仅通过简单的将移动平台相对全向轮进行距离改变，本质上无法提高驱动轮的越障性能，而仅能提高平台的跨越能力。

总的来说，目前尚未见结构精简、动力响应速度快、避震和越障性能强等集多种应用需求为一体的万向轮驱动相关机构或方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全地形高度主动升降式全向驱动轮机构的工作方法，解决目前全向轮驱动机构体积大、集成度低、无法实现驱动轮上端平台高度改变而存在的避震越障差等难题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种全地形高度主动升降式全向驱动轮机构的工作方法，包括高度主动调整方法、路面路况感知方法、发电方法。

具体的，高度主动调整方法的步骤如下：

1)机器人根据外部避障或高度抬升需求，控制升降电机转动，带动升降驱动伞齿转动，进而带动升降被动伞齿、升降副伞齿向相反方向转动；

2)球头嵌入到升降被动伞齿、升降副伞齿内的半球形沉孔内，通过升降被动伞齿、升降副伞齿的旋转，可带动半球形沉孔转动，从而带动动力连接斜轴沿圆周运动；

3)动力连接斜轴在升降被动伞齿、升降副伞齿内旋转，其轴心中央处距离伞齿轴套距离发生变化，动力连接斜轴带动转换滑杆本体以及所连接的动力输出轴运动，最终带动与动力输出轴连接的轮系组件和驱动组件上下运动；

4)在上述高度调整过程中，动力输出轴随升降被动伞齿、升降副伞齿的转动角度而发生垂向位置变化，从而带动万向轮和轮系支架上下滑移，与轮系支架连接的滑杆支座和滑杆相对滑块上下滑移，滑块固定在主体上，滑杆支座固定于轮系组件上，进而轮系组件相对主体上下滑移运动，在运动过程中，通过配合主动升降组件，完成轮系组件相对主体的高度自动调整。

具体的，路面路况感知方法的步骤如下：

1)外部控制器控制升降电机掉电，主动升降组件中的所有组件均处于泄力状态；

2)全向驱动轮行进过程中，由于地面高低不平，万向轮会发生上下受力情况，从而将力矩传递至转换滑杆中的动力输出轴；

3)力矩经转换滑杆本体、动力连接斜轴、球头并最终作用至升降被动伞齿、升降副伞齿对应的半球形沉孔，升降被动伞齿、升降副伞齿受力，从而带动升降驱动伞齿转动，将力矩传递至升降电机上；

4)升降电机将升降驱动伞齿的转矩转换为自身转动，通过外部传感器对升降电机转速或电流测定，从而逆向计算出万向轮的上下运动情况，对路面颠簸进行判断，控制器根据路面路况进行运动驱动策略的调整。

具体的，发电方法的步骤如下：

1)控制升降电机掉电，主动升降组件中的所有组件均为泄力状态；

2)全向驱动轮行进过程中，由于地面高低不平，万向轮会发生上下受力情况，从而将力矩传递至转换滑杆中的动力输出轴；

3)力矩经转换滑杆本体、动力连接斜轴、球头并最终作用至升降被动伞齿、升降副伞齿对应的半球形沉孔，升降被动伞齿、升降副伞齿受力，从而带动升降驱动伞齿转动，实现力矩传递至升降电机上；

4)升降电机将升降驱动伞齿的转矩转换为自身转动，通过外部电流传感器或电流调理电路对升降电机电流进行捕获并存储，实现主动升降组件的发电。

本发明具有以下有益效果：本发明全向驱动轮机构的工作方法大大简化了驱动轮结构的复杂度，提高了驱动轮集成度、控制精度，降低了驱动轮重量、动力响应速度；通过自身高度升降模块，实现了驱动轮相对平台的高度调节，从而明显提升驱动轮避震性能和越障通过性能，同时也提升了移动平台的跨越性能，而且还能实现系统的路面路况感知功能，大大提升了系统的智能化程度。

附图说明

图1是本发明全向驱动轮机构的立体结构示意图。

图2是本发明全向驱动轮机构的主视结构示意图。

图3是本发明全向驱动轮机构的左视结构示意图。

图4是本发明全向驱动轮机构的右视结构示意图。

图5是本发明全向驱动轮机构的后视结构示意图。

图6是本发明全向驱动轮机构的俯视结构示意图。

图7是本发明全向驱动轮机构中主动升降组件的立体结构示意图。

图8是本发明全向驱动轮机构中主动升降组件的主视结构示意图。

图9是本发明全向驱动轮机构中主动升降组件的后视结构示意图。

图10是本发明全向驱动轮机构中主动升降组件的俯视结构示意图。

图11是本发明全向驱动轮机构中转向组件的剖面立体结构示意图。

图12是本发明全向驱动轮机构中转向组件的剖面主视结构示意图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案做进一步描述，但是本发明的保护范围并不限于这些实施例。凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包括在本发明的保护范围之内。

如图1、图2所示，一种全地形高度主动升降式全向驱动轮机构，由主体1、驱动组件2、转向组件3、减震组件4、主动升降组件5、轮系组件6组成，所述转向组件3、减震组件4 安装于主体1上，主体1底部安装固定有轮系组件6，轮系组件6分别与驱动组件2、主动升降组件5连接。

如图3所示，主体1包括骨架1-1和连接片1-2，骨架1-1为合金材料或碳纤维材料，外形呈现L形，有一定宽度，连接片1-2为平板结构，连接片1-2固定于骨架1-1上端面，骨架1-1通过连接片1-2支撑固定转向组件3与减震组件4，骨架1-1侧面连接固定主动升降组件5和驱动组件2，下端侧面连接固定轮系组件6。

如图4、图5所示，驱动组件2由驱动电机2-1、伞形主齿轮2-2、伞形从齿轮2-3、驱动齿轮箱2-4组成，驱动电机2-1为直流或伺服电机，驱动电机2-1通过支架固定在轮系组件6的轮系支架6-4侧面，驱动电机2-1的转轴连接驱动齿轮箱2-4的输入轴。驱动齿轮箱2-4的输出轴连接伞形主齿轮2-2，伞形主齿轮2-2与伞形从齿轮2-3啮合连接，实现动力传输。伞形从齿轮2-3与轮系转轴6-2连接固定。驱动齿轮箱2-4主要实现转速和扭矩变换功能，固定在驱动电机2-1下端。

驱动组件2主要通过驱动电机2-1的动力输出，经驱动齿轮箱2-4变换后，经伞形主齿轮2-2和伞形从齿轮2-3的啮合作用，将动力传输至轮系转轴6-2，最终作用至万向轮6-1上。通过改变驱动电机2-1的正反转，从而改变万向轮6-1的正转或反转。

如图4-12所示，转向组件3由转向电机3-1、主传联轴器3-2、副传联轴器3-3、传动轴 3-4、传动轴主定位弹簧3-5、传动轴副定位弹簧3-6、转向主齿轮3-7、转向副齿轮3-8、转向支撑轴承3-9、转向齿轮箱3-10、转向连轴3-11组成。

转向电机3-1为直流、伺服或步进电机，转向电机3-1安装在连接片1-2的上端，转向电机3-1的转轴连接转向齿轮箱3-10的输入轴。

主传联轴器3-2为圆柱结构，具有一定高度，上端面内设置圆孔，用以连接固定转向齿轮箱3-10输出轴；下端面内设置方形孔，用以连接传动轴3-4。

副传联轴器3-3同样为圆柱结构，具有一定高度，上端面内设置方形孔，用以连接传动轴3-4，下端面内设置圆孔，用以连接固定转向连轴3-11。

传动轴3-4为转轴结构，截面为方形，上端插入主传联轴器3-2下端，下端插入副传联轴器3-3上端，用以在主传联轴器3-2和副传联轴器3-3间传递扭矩，同时还可在主传联轴器 3-2和副传联轴器3-3间上下滑移运动。

传动轴主定位弹簧3-5为弹性元件，设置在传动轴3-4上端面与主传联轴器3-2下端方孔间，用以支撑传动轴3-4在主传联轴器3-2内保持一定上下位置关系。

传动轴副定位弹簧3-6同样为弹性元件，设置在传动轴3-4下端面与副传联轴器3-3上端方孔间，用以支撑传动轴3-4在副传联轴器3-3内保持一定上下位置关系。

转向主齿轮3-7安装在转向齿轮箱3-10的输出轴上。转向副齿轮3-8为半径稍大的环形齿轮，固定在连接片1-2上端面处，与转向支撑轴承3-9连接，并且与转向主齿轮3-7啮合。转向副齿轮3-8转动时，可带动连接片1-2转动。

转向支撑轴承3-9固定在骨架1-1上端面处，用以实现转向主齿轮3-7与转向副齿轮3-8 间齿轮啮合转动功能，通过转向主齿轮3-7的转动和齿轮啮合作用，带动转向副齿轮3-8转动，通过转向支撑轴承3-9的被动转动作用，从而实现骨架1-1相对连接片1-2的转动功能。

转向齿轮箱3-10主要实现转速和扭矩变换功能，固定在转向电机3-1下端。转向连轴3-11 为转轴结构，用以连接副传联轴器3-3和转向主齿轮3-7。

转向组件3的工作机理为：转向电机3-1转动后，将动力经转向齿轮箱3-10后传递至主传联轴器3-2，传动轴3-4将转动动力从主传联轴器3-2传递至副传联轴器3-3，进而通过转向连轴3-11、转向主齿轮3-7和转向副齿轮3-8的啮合作用，将转向动力传递至转向支撑轴承3-9上，从而实现骨架1-1相对连接片1-2转动功能，从而带动整套骨架1-1以及所连接固定的轮系组件6转动，从而实现转向功能。通过改变转向电机3-1的正反转，可实现对轮系组件6的行进方向实时调整。

另外，传动轴3-4通过传动轴主定位弹簧3-5、传动轴副定位弹簧3-6在主传联轴器3-2、副传联轴器3-3间保持定位均衡关系的机理如下：

传动轴主定位弹簧3-5通过自身弹性张紧功能，实现将传动轴3-4依靠主传联轴器3-2向下弹伸，传动轴副定位弹簧3-6则通过自身弹性张紧功能，实现将传动轴3-4依靠副传联轴器3-3向上弹伸，通过传动轴主定位弹簧3-5、传动轴副定位弹簧3-6最终弹力均衡和传动轴 3-4的重力平衡作用，使传动轴3-4保持在主传联轴器3-2、副传联轴器3-3间的一个中间位置上。

更进一步的，在选取传动轴主定位弹簧3-5、传动轴副定位弹簧3-6时，由于传动轴3-4 自身重力作用，传动轴主定位弹簧3-5的弹性系数需大于传动轴副定位弹簧3-6的弹性系数。

如图12所示，减震组件4包括避震主滑筒4-1、避震副滑筒4-2、避震器4-3。避震主滑筒4-1为圆柱结构，中间透空，避震主滑筒4-1的上端与连接片1-2下端面连接并固定，避震主滑筒4-1的下端插入避震副滑筒4-2内，并能在避震副滑筒4-2内上下滑动。避震副滑筒4-2同样为圆柱结构，中间透空，避震副滑筒4-2的下端与骨架1-1上端面连接固定，避震副滑筒4-2内径稍大于避震主滑筒4-1外径。避震器4-3为弹簧元件，减震器4-3设置在避震副滑筒4-2内部下端，避震器4-3与避震主滑筒4-1下端面接触提供弹性支撑。

减震组件4的避震机理为：与避震副滑筒4-2连接的骨架1-1、轮系组件6与地面接触，将反馈力向上传递，然后作用至介于避震主滑筒4-1、避震副滑筒4-2间的避震器4-3上，从而实现避震功能。

如图4-10所示，主动升降组件5包括升降电机5-1、升降支架5-2、升降驱动伞齿5-3、升降被动伞齿5-4、升降副伞齿5-5、伞齿轴承5-6、转换滑杆5-7、伞齿轴套5-8、滑杆支座5-9、滑杆5-10、滑块5-11。

升降电机5-1为直流、步进或伺服电机，升降电机5-1安装在升降支架5-2上，升降电机5-1的转轴连接升降驱动伞齿5-3。

升降支架5-2为长方体构造，内部中空用以安放升降驱动伞齿5-3、升降被动伞齿5-4和升降副伞齿5-5等，四周设置镂空等用以固定伞齿轴承5-6和伞齿轴套5-8等。

升降驱动伞齿5-3设置在升降支架5-2内部上侧，连接固定升降电机5-1转轴，并且与升降被动伞齿5-4和升降副伞齿5-5啮合。

升降被动伞齿5-4为直径比升降驱动伞齿5-3大的伞形齿轮，通过伞齿轴承5-6设置在升降支架5-2内部前侧，并与升降驱动伞齿5-3啮合进行动力传输。升降被动伞齿5-4盘内在某一个半径参数下，沿圆周方向均匀设置有半球形沉孔5-4a，用以固定转换滑杆5-7内的一侧球头5-7d。

升降副伞齿5-5外形与升降被动伞齿5-4一致，比升降驱动伞齿5-3大的伞形齿轮，通过伞齿轴承5-6设置在升降支架5-2内部后侧，并与升降驱动伞齿5-3啮合进行动力传输。相似的，升降副伞齿5-5盘内在某一个半径参数下，同样沿圆周方向均匀设置有半球形沉孔5-4a，用以固定转换滑杆5-7内的另外一侧的球头5-7d。升降被动伞齿5-4和升降副伞齿5-5相对升降驱动伞齿5-3的位置是相对对称的。

进一步的，为了调节主动升降组件5的适用范围，可通过在升降被动伞齿5-4、升降副伞齿5-5内不同的半径对应的圆周上均匀的设置半球形沉孔5-4a，从而实现动力输出轴5-7c的输出行程变化，进而实现对轮系组件6相对主体1的上下位置形成调整功能。当然，在该过程中，当调节不同半径位置上的半球形沉孔5-4a，还需调整配套的动力连接斜轴5-7b的长度。

伞齿轴承5-6主要实现对升降驱动伞齿5-3、升降被动伞齿5-4和升降副伞齿5-5的固定支撑作用，均安装在升降支架5-2壁面上。

转换滑杆5-7包括：转换滑杆本体5-7a、动力连接斜轴5-7b、动力输出轴5-7c和球头5-7d。

转换滑杆本体5-7a为一定厚度的方向本体，四周设置倒角，侧面中央贯穿有动力连接斜轴5-7b。转换滑杆本体5-7a下端固定有动力输出轴5-7c，转换滑杆本体5-7a设置在升降被动伞齿5-4和升降副伞齿5-5之间。

动力连接斜轴5-7b为圆轴结构，插入转换滑杆本体5-7a内，并在转换滑杆本体5-7a两侧露出一定距离。动力连接斜轴5-7b两侧还设置有球头5-7d。

动力输出轴5-7c为圆轴结构，插入转换滑杆本体5-7a的下端，通过转换滑杆本体5-7a 的运动，从而带动动力输出轴5-7c实现线性动力和位移变化输出。由于升降被动伞齿5-4和升降副伞齿5-5转动方向相反，而需要将升降被动伞齿5-4和升降副伞齿5-5的转动动力转换成均匀的线性动力，故动力连接斜轴5-7b在升降被动伞齿5-4和升降副伞齿5-5内为斜向对称放置，即：动力连接斜轴5-7b的首端通过球头5-7d放置在升降被动伞齿5-4的某个半球形沉孔5-4a内，而动力连接斜轴5-7b的末端则通过球头5-7d放置于在升降副伞齿5-5对应半球形沉孔5-4a、相对升降副伞齿5-5圆心对面的半球形沉孔5-4a内。动力连接斜轴5-7b的中心位于升降被动伞齿5-4和升降副伞齿5-5的圆心连线上。

球头5-7d为球形结构，数量为两套，分别固定在动力连接斜轴5-7b的两端。球头5-7d 还嵌入至半球形沉孔5-4a实现配合。

转换滑杆5-7可实现将升降被动伞齿5-4和升降副伞齿5-5表现的圆周运动，转换为最终动力输出轴5-7c的直线上下位移运动。具体实现机理如下：升降电机5-1转动，带动升降驱动伞齿5-3旋转，从而带动升降被动伞齿5-4和升降副伞齿5-5向相反的方向转动，由于球头 5-7d嵌入在升降被动伞齿5-4、升降副伞齿5-5内的半球形沉孔5-4a内，故通过升降被动伞齿5-4和升降副伞齿5-5的旋转，可带动半球形沉孔5-4a转动，从而带动动力连接斜轴5-7b 沿圆周运动，从而带动转换滑杆本体5-7a以及所连接的动力输出轴5-7c运动，动力输出轴 5-7c动力输出形式为近线性运动，最终可带动与动力输出轴5-7c连接的轮系组件6和驱动组件2上下运动。

伞齿轴套5-8为圆柱结构，内部设置有透孔，透孔上端直径大于下端直径，且下端直径略大于动力输出轴5-7c直径。伞齿轴套5-8固定在升降支架5-2下端面上。

滑杆支座5-9数量为两个，分别固定在轮系支架6-4的前后两侧的壁面上，并连接垂向的滑杆5-10。

滑杆5-10为光杆结构，数量为两个，下端分别通过滑杆支座5-9固定在升降支架5-2上。

滑块5-11为滚珠滑块，数量同样为两个，通过螺栓结构固定在骨架1-1两侧。

滑杆支座5-9、滑杆5-10和滑块5-11配套使用，实现主动升降组件5相对主体1的上下位移运动，具体原理为：动力输出轴5-7c随升降被动伞齿5-4、升降副伞齿5-5的转动角度而发生垂向位置变化，从而带动万向轮6-1和轮系支架6-4上下滑移，与轮系支架6-4连接的滑杆支座5-9和滑杆5-10相对滑块5-11上下滑移，由于滑块5-11固定在主体1上且滑杆支座5-9还固定于轮系组件6上，故可实现轮系组件6相对主体1的上下滑移运动，在运动过程中，通过配合主动升降组件5，从而实现轮系组件6相对主体1的高度自动调整功能。

轮系组件6包括万向轮6-1、轮系转轴6-2、轮系轴承6-3、轮系支架6-4。万向轮6-1通过轮系转轴6-2安装在轮系轴承6-3上，轮系轴承6-3固定在骨架1-1下端侧面，实现与地面接触行走。轮系转轴6-2上连接固定伞形从齿轮2-3，轮系支架6-4为一定厚度的方形实体，侧面贯穿通孔，用以固定轮系轴承6-3，轮系支架6-4上端与动力输出轴5-7c连接，轮系支架6-4的侧面通过支架连接固定驱动电机2-1。

一种全地形高度主动升降式全向驱动轮机构的工作方法，包括高度主动调整方法、路面路况感知方法、发电方法。

高度主动调整方法的步骤如下：

1)机器人根据外部避障或高度抬升需求，控制升降电机5-1转动，带动升降驱动伞齿5-3 转动，进而带动升降被动伞齿5-4、升降副伞齿5-5向相反方向转动；

2)球头5-7d嵌入到升降被动伞齿5-4、升降副伞齿5-5内的半球形沉孔5-4a内，通过升降被动伞齿5-4、升降副伞齿5-5的旋转，可带动半球形沉孔5-4a转动，从而带动动力连接斜轴5-7b沿圆周运动；

3)动力连接斜轴5-7b在升降被动伞齿5-4、升降副伞齿5-5内旋转，其轴心中央处距离伞齿轴套5-8距离发生变化，动力连接斜轴5-7b带动转换滑杆本体5-7a以及所连接的动力输出轴5-7c运动，最终带动与动力输出轴5-7c连接的轮系组件6和驱动组件2上下运动；

4)在上述高度调整过程中，动力输出轴5-7c随升降被动伞齿5-4、升降副伞齿5-5的转动角度而发生垂向位置变化，从而带动万向轮6-1和轮系支架6-4上下滑移，与轮系支架6-4 连接的滑杆支座5-9和滑杆5-10相对滑块5-11上下滑移，滑块5-11固定在主体1上，滑杆支座5-9固定于轮系组件6上，进而轮系组件6相对主体1的上下滑移运动，在运动过程中，通过配合主动升降组件5，完成轮系组件6相对主体1的高度自动调整。

具体的，路面路况感知方法的步骤如下：

1)外部控制器控制升降电机5-1掉电，主动升降组件5中的所有组件均处于泄力状态；

2)全向驱动轮行进过程中，由于地面高低不平，万向轮6-1会发生上下受力情况，从而将力矩传递至转换滑杆5-7中的动力输出轴5-7c；

3)力矩经转换滑杆本体5-7a、动力连接斜轴5-7b、球头5-7d并最终作用至升降被动伞齿5-4、升降副伞齿5-5对应的半球形沉孔5-4a，升降被动伞齿5-4、升降副伞齿5-5受力，从而带动升降驱动伞齿5-3转动，将力矩传递至升降电机5-1上；

4)升降电机5-1将升降驱动伞齿5-3的转矩转换为自身转动，通过外部传感器对升降电机5-1转速或电流测定，从而逆向计算出万向轮6-1的上下运动情况，对路面颠簸进行判断，控制器根据路面路况进行运动驱动策略的调整。

具体的，发电方法的步骤如下：

1)控制升降电机5-1掉电，主动升降组件5中的所有组件均为泄力状态；

2)全向驱动轮行进过程中，由于地面高低不平，万向轮6-1会发生上下受力情况，从而将力矩传递至转换滑杆5-7中的动力输出轴5-7c；

3)力矩经转换滑杆本体5-7a、动力连接斜轴5-7b、球头5-7d并最终作用至升降被动伞齿5-4、升降副伞齿5-5对应的半球形沉孔5-4a，升降被动伞齿5-4、升降副伞齿5-5受力，从而带动升降驱动伞齿5-3转动，实现力矩传递至升降电机5-1上；

4)升降电机5-1将升降驱动伞齿5-3的转矩转换为自身转动，通过外部电流传感器或电流调理电路对升降电机5-1电流进行捕获并存储，实现主动升降组件5的发电。

本发明不局限于上述实施方式，任何人应得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (3)

1.一种全地形高度主动升降式全向驱动轮机构的工作方法，其特征在于，全地形高度主动升降式全向驱动轮机构由主体、驱动组件、转向组件、减震组件、主动升降组件、轮系组件组成，轮系组件分别与驱动组件、主动升降组件连接，主动升降组件包括升降电机、升降支架、升降驱动伞齿、升降被动伞齿、升降副伞齿、伞齿轴承、转换滑杆、伞齿轴套、滑杆支座、滑杆、滑块，转换滑杆包括转换滑杆本体、动力连接斜轴、动力输出轴和球头，轮系组件包括万向轮、轮系转轴、轮系轴承、轮系支架；

升降电机安装在升降支架上，升降电机的转轴连接升降驱动伞齿，升降驱动伞齿与升降被动伞齿和升降副伞齿啮合，升降被动伞齿盘内在某一个半径参数下，沿圆周方向均匀设置有半球形沉孔，用以固定转换滑杆内的一侧球头；升降副伞齿盘内在某一个半径参数下，同样沿圆周方向均匀设置有半球形沉孔，用以固定转换滑杆内的另外一侧的球头；转换滑杆本体侧面中央贯穿有动力连接斜轴，转换滑杆本体下端固定有动力输出轴，转换滑杆本体设置在升降被动伞齿和升降副伞齿之间；伞齿轴套固定在升降支架下端面上，滑杆支座固定在轮系支架的前后两侧的壁面上，并连接垂向的滑杆，滑杆下端分别通过滑杆支座固定在升降支架上，滑块固定在主体的骨架两侧；万向轮通过轮系转轴安装在轮系轴承上，轮系支架上端与动力输出轴连接；

工作方法包括高度主动调整方法，高度主动调整方法的步骤如下：

1)机器人根据外部避障或高度抬升需求，控制升降电机转动，带动升降驱动伞齿转动，进而带动升降被动伞齿、升降副伞齿向相反方向转动；

2)球头嵌入到升降被动伞齿、升降副伞齿内的半球形沉孔内，通过升降被动伞齿、升降副伞齿的旋转，可带动半球形沉孔转动，从而带动连接于升降被动伞齿和升降副伞齿的半球形沉孔之间的动力连接斜轴沿圆周运动；

3)动力连接斜轴在升降被动伞齿、升降副伞齿内旋转，其轴心中央处距离固定于安放升降驱动伞齿的升降支架下端面上的伞齿轴套距离发生变化，动力连接斜轴带动贯穿有动力连接斜轴的转换滑杆本体以及所连接的动力输出轴运动，最终带动与动力输出轴连接的轮系组件和驱动组件上下运动；

4)在上述高度调整过程中，动力输出轴随升降被动伞齿、升降副伞齿的转动角度而发生垂向位置变化，从而带动万向轮和轮系支架上下滑移，与轮系支架连接的滑杆支座和滑杆相对滑块上下滑移，滑块固定在主体上，滑杆支座固定于轮系组件上，进而轮系组件相对主体上下滑移运动，在运动过程中，通过配合主动升降组件，完成轮系组件相对主体的高度自动调整。

2.如权利要求1所述的全地形高度主动升降式全向驱动轮机构的工作方法，其特征在于，还包括路面路况感知方法，路面路况感知方法的步骤如下：

1)外部控制器控制升降电机掉电，主动升降组件中的所有组件均处于泄力状态；

2)全向驱动轮行进过程中，由于地面高低不平，万向轮会发生上下受力情况，从而将力矩传递至转换滑杆中的动力输出轴；

3)力矩经转换滑杆本体、动力连接斜轴、球头并最终作用至升降被动伞齿、升降副伞齿对应的半球形沉孔，升降被动伞齿、升降副伞齿受力，从而带动升降驱动伞齿转动，将力矩传递至升降电机上；

4)升降电机将升降驱动伞齿的转矩转换为自身转动，通过外部传感器对升降电机转速或电流测定，从而逆向计算出万向轮的上下运动情况，对路面颠簸进行判断，控制器根据路面路况进行运动驱动策略的调整。

3.如权利要求1所述的全地形高度主动升降式全向驱动轮机构的工作方法，其特征在于，还包括发电方法，发电方法的步骤如下：

1)控制升降电机掉电，主动升降组件中的所有组件均为泄力状态；

2)全向驱动轮行进过程中，由于地面高低不平，万向轮会发生上下受力情况，从而将力矩传递至转换滑杆中的动力输出轴；

3)力矩经转换滑杆本体、动力连接斜轴、球头并最终作用至升降被动伞齿、升降副伞齿对应的半球形沉孔，升降被动伞齿、升降副伞齿受力，从而带动升降驱动伞齿转动，实现力矩传递至升降电机上；

4)升降电机将升降驱动伞齿的转矩转换为自身转动，通过外部电流传感器或电流调理电路对升降电机电流进行捕获并存储，实现主动升降组件的发电。

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