CN109927813A - 一种翻越障碍移动轮及翻越障碍移动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种翻越障碍移动轮及翻越障碍移动装置，属于工程机械技术领域。翻越障碍移动轮由四个扇形依次连接而成，其中，四个扇形的中心由两根交叉的弓形连杆连接，两根交叉的弓形连杆的交叉角度可变，所述翻越障碍移动轮的变形通过改变两根交叉的弓形连杆的交叉角度实现；通过改变两根交叉的弓形连杆的交叉角度使得车轮完成由圆到椭圆的变形，并利用蜗轮蜗杆电机的自锁，使得车轮在运动过程中保持一定的形状，实现越障功能；所述翻越障碍移动装置包括上述翻越障碍移动轮，通过前后两部分的对称设计，且通过压片轴承连接可实现车体轴向扭转的功能，防止其在崎岖路面上行驶时部分车轮悬空，增加了翻越障碍移动装置的自适应能力。

Description

一种翻越障碍移动轮及翻越障碍移动装置

技术领域

本发明涉及一种翻越障碍移动轮及翻越障碍移动装置，属于工程机械技术领域。

背景技术

现实生活中，针对一些危险环境，特别是地形比较复杂的环境，通常需要具有较强越障能力的移动装置，包括车辆、移动机器人等；比如，现在专门从事于救援和搜救的车辆，常常面临着地形复杂且难以预测的非结构化的工作环境，特别是当遇到诸如地质灾害而导致的救援生命线中断时，普通的轮式车辆根本无法进入灾区实施救援.同时，救援工作要求车辆必须在第一时间到达事故现场，这对车辆的灵活性提出了较高的要求。

现有的翻越障碍装置按照移动方式分为腿式、履带式以及轮式，其中腿式装置结构复杂，稳定性差，履带式装置能耗高且易磨损，轮式装置越障能力差。

为了使得车辆或者移动机器人具有良好的地面适应性，科研人员充分结合了轮式、履带式及腿式运动机构的优点，研发出了多种能够适应复杂路面条件的移动机构，如中国科学院沈阳自动化研究所的NEZA—I机器人、加拿大谢布鲁克大学的AZIMUT机器人、北京理工大学的小型轮履腿复合式机器人J、韩国大邱庆北科技研究所的轮履复合机器人H1、捷克布尔诺理工大学的HYBRID移动机器人等复合式的运动机构，又如国防科技大学的四连杆履带式变形机器人№J、大连大学的越野车用变形履带系统、法国的VGlⅣ机器人、韩国科学技术学院的可变履带式救援机器人、韩国全北国立大学的履带式救援机器人等可变形履带的运动机构，但若要将上述机构运用于车辆上，须对车辆进行较大的改造，成本较高。

发明内容

为了解决目前存在的利用已研发出的运动机构应用于车辆中需要对车辆进行较大改造成本较高的问题，本发明提供了一种翻越障碍移动轮及翻越障碍移动装置，所述技术方案如下：

一种翻越障碍移动轮，所述翻越障碍移动轮由四个扇形依次连接而成，其中，四个扇形的中心由两根交叉的弓形连杆连接，两根交叉的弓形连杆的交叉角度可变，所述翻越障碍移动轮的变形通过改变两根交叉的弓形连杆的交叉角度实现，所述弓形连杆为连接弓形零件的杆。

可选的，所述四个扇形为全等扇形，两根交叉的弓形连杆的交叉角度变化范围为(0°，90°)。

可选的，所述翻越障碍移动轮中两根交叉的弓形连杆的交叉处还具有一个圆形固件；所述圆形固件的半径小于所述翻越障碍移动轮的半径。

可选的，假设所述翻越障碍移动轮呈圆形时半径为R，则所述圆形固件的半径为

可选的，所述翻越障碍移动轮的两根交叉的弓形连杆的交叉角度的变化由蜗轮蜗杆电机控制。

本发明的第二个目的在于提供一种翻越障碍移动装置，所述翻越障碍移动装置包括上述翻越障碍移动轮。

可选的，所述翻越障碍移动装置分为相同的前后两部分，对称布置，通过压片轴承连接在一起。

可选的，所述翻越障碍移动装置的前后两部分通过相对位置的变化可实现翻越障碍移动装置的轴向扭转。

可选的，所述翻越障碍移动装置还包括信息采集传感器，用于采集所述翻越障碍移动装置所处环境中的信息。

本发明的第三个目的在于提供上述翻越障碍移动轮和/或上述翻越障碍移动装置在信息采集、救援设备、军事设备、工业，生态保护，自然灾害预防领域内的应用。

本发明有益效果是：

通过改变车轮内部的两根交叉的弓形连杆的交叉角度使得车轮完成由圆到椭圆的变形，并利用蜗轮蜗杆电机的自锁，使得车轮在运动过程中保持一定的形状，实现越障功能；该翻越障碍移动装置在平地可以以未变形的车轮快速移动，在越障时通过轮子的变形实现翻越障碍移动装置重心位置的改变，进而适应和通过复杂的地面情况，同时翻越障碍移动装置通过前后两部分的对称设计，且通过压片轴承连接可实现车体轴向扭转的功能，防止其在崎岖路面上行驶时部分车轮悬空，增加了翻越障碍移动装置的自适应能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是变形车轮示意图。

图2是车轮的简单变形过程示意图。

图3是车轮扇形部件及其连接杆示意图。

图4是车体形状示意图。

图5是车体的扭转时连接架与轴承扭转示意图。

图6是固件示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一：

本实施例提供一种翻越障碍移动轮，参见图1，所述翻越障碍移动轮由四个扇形依次连接而成，其中，四个扇形的中心由两根交叉的弓形连杆连接，两根交叉的弓形连杆的交叉角度可变，所述翻越障碍移动轮的变形通过改变两根交叉的弓形连杆的交叉角度实现，所述弓形连杆为连接弓形零件的杆。

每个扇形的两端由可活动的螺丝控制连接，翻越障碍移动轮的两根交叉的弓形连杆的交叉角度的变化由蜗轮蜗杆电机控制；

组成该翻越障碍移动轮的四个扇形可以为全等的四个扇形，也可以是两两全等的四个扇形；

考虑实际制备过程，本发明实施例以组成该翻越障碍移动轮的四个扇形为全等扇形为例进行说明，两根交叉的弓形连杆的交叉角度变化范围为(0°，90°)，两根交叉的弓形连杆的交叉处还具有一个圆形固件；所述圆形固件的半径小于所述翻越障碍移动轮的半径，圆形固件示意图如图6所示。

该固件不但考虑了两个连接杆相交并固定的问题，同时了考虑控制电机的控制和固定。因此专门针对电机控制设计了两个固定孔，分别为图6中连接电机的孔以及连接电机座的孔，电机通过万向联轴器与连接杆相连。这种可以减少电机的使用，从而达到减少信号干扰的作用，最大程度的减轻了操作失灵的可能。

假设所述翻越障碍移动轮呈圆形时半径为R，则所述圆形固件的半径可设置为该圆形固件可以将两根活动连接杆的中心与电机轴固定在同一轴承上，从而用电机驱动弓形连接杆围绕一个中心在同一个平面范围内移动。

该翻越障碍移动轮的变形过程如图2所示，如图2中(1)为该翻越障碍移动轮正常呈圆形状态时，使得平地移动时，发挥圆形车轮的优势，此时，连接四个扇形的中心的两根交叉的弓形连杆的交叉角度为90°，当改变该交叉角度为60°时，该翻越障碍移动轮如图2中(2)所示，呈椭圆形，通过蜗轮蜗杆电机的自锁功能使其在运动过程中保持该形状，实现越障功能；

传统的轮式结构的翻越障碍装置之所以越障能力较差，就在于其固定圆形的轮子的中心是固定的，而翻越障碍装置的越障能力的提升关键在于调整装置主体的重心所在位置，本发明实施例提供的上述翻越障碍移动轮由上述图2(1)所示的状态逐步变形为图2(6)所示的状态时，轮子本身的重心位置可实现由到的变化：图2(6)所示的状态下，其重心位置为圆形固件圆心所处位置，即而当图2(6)所示的状态移动90°时，其重心位置通过数学知识计算可知为正常图2(1)所示，其重心位置为R。

需要进行说明的是，图2所示的变形过程，在实际应用中，通常较多使用(1)所示的圆形以及(2)所示的椭圆形，而(6)所示的状态，理论状态下是可以实现的，但考虑硬件设备的影响，实际应用中可能达不到，但其并不妨碍本发明的实现。

轮子自身重心位置可发生变化，自然，将其应用至翻越障碍移动装置时，也可使得翻越障碍移动装置的重心位置发生变化，由此使得翻越障碍移动装置具有较好的越障能力。

图3为本发明实施例提供的一种设置好尺寸的具体翻越障碍移动轮，图3左侧为该翻越障碍移动轮的四个全等扇形的相关尺寸，图3右侧为翻越障碍移动轮的弓形连杆的尺寸示意图，其中单位为cm，具体的，四个全等扇形两端的连接孔直径为2.2，四个全等扇形中心与弓形连接杆的连接孔直径为2.5，四个全等扇形中间弧度为30弧度，四个全等扇形两端的连接孔中心距离为19.5+19.5＝39，四个全等扇形两端的连接孔中心和扇形中心与弓形连接杆的连接孔中心在扇形中心连接移动轮中心方向上上的距离为0.5，图中R3.5、R3、R12、R1分别表示图示对应箭头所指弧线处的弧度。。

需要进行说明的是，上述图3所示仅为本发明提供的翻越障碍移动轮一种尺寸实现，本发明对该翻越障碍移动轮的具体尺寸不做限定，任何本领域技术人员根据本申请提供的上述方法均可得到其他尺寸的翻越障碍移动轮。

本发明提供的翻越障碍移动轮，通过控制连接四个扇形中心的两根交叉的弓形连杆的交叉角度的变化，实现翻越障碍移动轮的变形，使得翻越障碍移动轮在平地使用时，能够发挥圆形车轮的优势，而当面对较复杂地形，比如岩石和土质松软环境时，可变形为椭圆形，甚至如上述图2中(3)-(6)所示的状态，以实现复杂地形中的移动。

实施例二

本实施例提供一种翻越障碍移动装置，参见图4，所述翻越障碍移动装置的轮子采用上述实施例一中公开的翻越障碍移动轮，同时，该翻越障碍移动装置，分为相同的前后两部分，对称布置，通过压片轴承连接在一起，前后两部分通过相对位置的变化可实现翻越障碍移动装置的轴向扭转，达到翻越障碍移动装置的二段变形，并且可以防止该翻越障碍移动装置在崎岖路面上行驶时部分车轮悬空的情况发生，增加其自适应能力。

如图4所示，以该翻越障碍移动装置为翻越障碍车为例进行说明，该翻越障碍车包括四个车轮，每个车轮通过连接架与联轴器的连接，每个联轴器上固定有一个箱体，控制车轮变形的蜗轮蜗杆电机设置于车轮与箱体之间，箱体用于连接电机架的核心部件和连接架，间接使连接架，电机架和车轮协同作用；车轮通过电机架与联轴器的连接，前后两个连接架通过轴承连接。电机架用于固定电机，使每个车轮获得驱动力，同时电机架通过箱体与车体进行连接，连轴器连接两边的箱体，使车体结构更加稳定。

比如，图5所示，为该翻越障碍移动装置发生轴向扭转时前后两部分之间的连接架的示意图。

该翻越障碍移动装置在实际应用中，比如需要采集某复杂地面环境中的相关信息，可将信息采集传感器附在该翻越障碍移动装置上，在遇到路面障碍时，该翻越障碍移动装置可通过车辆由圆形到椭圆形的变化，使得翻越障碍移动装置的重心发生变化，从而翻越障碍，在遇到崎岖路面时，可以通过翻越障碍移动装置轴向扭转，使得翻越障碍移动装置的四个车辆避免悬空的状态。

在设计该翻越障碍移动装置的过程中，可将控制车轮变形的蜗轮蜗杆电机设置于车轮与箱体之间，形成电机与U形架与盘之间的连接，车轮与盘连接，从而使电机可以控制车轮。便形成车轮通过连接架与连轴器的连接，从而实现了与车体的连接。

另外，将本申请提供的翻越障碍移动轮应用在普通车辆上以达到救援目的时，对于普通车辆的改造相对较小，只需要对车体的轮子进行相应改装，变成如图1所示，电机则通过电机架使车轮与电机间接连接，从而控制车轮变形，然后增加一个箱体，使电机架与现有车的车体进行连接，从而使车轮和电机与车体达到一体化的状态，然后进行车轮的控制便可以达到应用，翻越障碍。

本实施例提供的翻越障碍移动装置，在采用了轮式行走结构时，行走速度快、转向灵活，相比履带式行走机构质量轻、结构简单、对路面基本无破坏，比腿式行走机构速度快、控制机构简单。在面对障碍时，车辆可变形为椭圆形，其变形装置为平面连杆机构，通过改变车轮内部的双连杆间的角度使得车轮由圆到椭圆的变形，且利用蜗轮蜗杆电机的自锁，能够在运动过程中保持一定的形状，实现越障功能。这种装置结构稳定可靠灵活，在平地可以以未变形的车轮快速移动，碰到障碍后通过迅速变形越障。

另外该翻越障碍移动装置车体分为相同的前后两部分，可以使前后车体可以进行轴向扭转，有效的解决普通轮式小车越障过程中重心不稳的问题，使得小车泛用性更广，更加可靠。

该翻越障碍移动装置简化了当前流行越障机器人的结构，采用了半椭圆—圆式移动机构的方案。借助一种集车轮变形和车体扭转特点于一身的能高度适应越障需求的车体平台。在复杂的地面情况下，车轮的辅助结构在原先的正方形情况下可通过四边形的不稳定性的特点转变为菱形，从而改变了小车整体的重心，进而适应和通过复杂的地面情况。相对于履带结构越障车，此结构显得更加灵活方便。

该翻越障碍移动装置不运用履带和齿轮，在轮子分成四份，通过正方形的不稳定性来实现轮子的变形，为了实现变形，用杠杆来控制轮子的形状，可以实现轮子从圆形到椭圆的变形，可以通过对边的夹角和边距的控制来实现跨越障碍。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种翻越障碍移动轮，其特征在于，所述翻越障碍移动轮由四个扇形依次连接而成，其中，四个扇形的中心由两根交叉的弓形连杆连接，两根交叉的弓形连杆的交叉角度可变，所述翻越障碍移动轮的变形通过改变两根交叉的弓形连杆的交叉角度实现，所述弓形连杆为连接弓形零件的杆。

2.根据权利要求1所述的翻越障碍移动轮，其特征在于，所述四个扇形为全等扇形，两根交叉的弓形连杆的交叉角度变化范围为(0°，90°)。

3.根据权利要求2所述的翻越障碍移动轮，其特征在于，所述翻越障碍移动轮中两根交叉的弓形连杆的交叉处还具有一个圆形固件；所述圆形固件的半径小于所述翻越障碍移动轮的半径。

4.根据权利要求3所述的翻越障碍移动轮，其特征在于，假设所述翻越障碍移动轮呈圆形时半径为R，则所述圆形固件的半径为

5.根据权利要求1-4任一所述的翻越障碍移动轮，其特征在于，所述翻越障碍移动轮的两根交叉的弓形连杆的交叉角度的变化由蜗轮蜗杆电机控制。

6.一种翻越障碍移动装置，其特征在于，所述翻越障碍移动装置包括权利要求1-5任一所述的翻越障碍移动轮。

7.根据权利要求6所述的翻越障碍移动装置，其特征在于，所述翻越障碍移动装置分为相同的前后两部分，对称布置，通过压片轴承连接在一起。

8.根据权利要求7所述的翻越障碍移动装置，其特征在于，所述翻越障碍移动装置的前后两部分通过相对位置的变化可实现翻越障碍移动装置的轴向扭转。

9.根据权利要求8所述的翻越障碍移动装置，其特征在于，所述翻越障碍移动装置还包括信息采集传感器，用于采集所述翻越障碍移动装置所处环境中的信息。

10.权利要求1-5任一所述的翻越障碍移动轮和/或权利要求6-9任一所述的翻越障碍移动装置在信息采集、救援设备、军事设备、工业，生态保护，自然灾害预防领域内的应用。