CN110087898A - 车轮组件 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种车轮组件(1)，其包括：车轮，所述车轮具有轮毂和同心地安装到轮毂的轮缘；多个可变形的腔体(6)，设置在轮缘的外侧，每个腔体围绕车轮的离散部分延伸并且包含转变物质(15)；和促动器(14)，被配置为使每个腔体(6)内的转变物质(15)在流态和硬态之间转变，在流态下，当车轮在使用过程中遇到障碍物时，可变形的腔体(6)可变形为顺应状态；在硬态下，转变物质被硬化以将可变形的腔体(6)维持在所述顺应状态，以在所述障碍物上进一步抓牢。

Description

车轮组件

技术领域

本发明涉及车轮组件，例如用于车辆的车轮组件。

背景技术

车轮通常包括充气轮胎，其通过轮胎外胎的变形来提供牵引力和减震。轮胎外胎的变形会在障碍物和表面上增加抓力。有些车轮具有可以深入到软障碍物中或抵靠硬障碍物的履带，以便提供用于克服较大障碍物的牵引力。通常，车轮仅能够克服高度小于车轮直径的约三分之一的障碍物。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种车轮组件，包括：车轮，具有轮毂和同心地安装到轮毂的轮缘；多个可变形的腔体，设置在轮缘的外侧，每个腔体围绕车轮的离散部分(discreet portion)延伸并且包含转变物质(transition substance)；以及促动器，促动器被配置为使每个腔体内的转变物质在流态和硬态之间转变，

在流态下，当车轮在使用过程中遇到障碍物时，可变形的腔体可变形为顺应状态(conformal state)；

在硬态下，转变物质被硬化以将可变形的腔体维持在所述顺应状态，以在所述障碍物上进一步抓牢(provide increased purchase，提供增加的抓握)。

促动器可以配置为独立于其它可变形的腔体内的转变物质而选择性地操作每个可变形的腔体内的转变物质。

车轮还可以包括在相邻的可变形的腔体之间径向延伸的多个支撑翅片。

车轮还可以包括设置在可变形的腔体和车轮之间的可压缩层。可压缩层可以包括气动囊。

车轮组件还可以包括传感器，该传感器被布置成检测可变形的腔体的变形。

替代地或另外地，车轮组件还可以包括传感器，该传感器被布置成检测是否存在障碍物。

促动器可以被配置为响应于传感器生成的信号而使转变物质在流态和硬态之间转变。

在一个示例中，转变物质可以包含卡住颗粒(jamming particles，干扰颗粒)和间隙气体(interstitial gas)。在该示例中，促动器可以被配置为从可变形的腔体排出间隙气体，以使转变物质从流态转变为硬态。可选地，促动器可以被配置为在克服了所述障碍物之后，使气体移动到可变形的腔体中，以使转变物质从硬态转变为流态。促动器可以包括泵。

另外地或替代地，可变形的腔体可包括自膨胀机构。自膨胀机构可以包括偏置构件。

在另一示例中，转变物质可以包括流变物质，并且促动器可以被配置为改变流变物质的粘度。例如，流变物质是磁流变流体，并且促动器包括电磁体。在替代示例中，流变物质是电流变流体，并且促动器被配置为产生电场。

在其它示例中，流变物质是电流变弹性体，并且促动器被配置为产生电场和/或磁场。

车轮组件还可以包括设置在可变形的腔体的外侧以在车轮组件的使用过程中接触地面的胎面。胎面可以包括多个履带。

在一些示例中，可变形的腔体可以附接到车轮上。

可变形的腔体可以包括限定封闭管的柔性壁。

在一些示例中，车轮是被配置为联接到驱动马达的驱动轮。

根据本发明的另一方面，还提供了一种车辆，其包括至少一个如上所述的车轮组件。

根据本发明的另一方面，还提供了一种轮椅，其包括至少一个如上所述的车轮组件。

附图说明

以下参考附图仅以示例的方式描述实施方式，其中：

图1示出了根据本发明的实施方式的车轮组件；

图2A至图2E示出了在使用过程中的图1的车轮组件的腔体；

图3A至图3C示出了在使用过程中克服障碍物的图1的车轮组件；

图4示出了根据本发明的另一实施方式的车轮组件；

图5示出了根据本发明的另一实施方式的车轮组件；

图6示出了根据本发明的另一实施方式的车轮组件；

图7示出了包括车轮组件的车辆；以及

图8示出了包括车轮组件的轮椅。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的车轮组件1的实施方式。车轮组件1包括车轮，该车轮由轮毂2和通过连接壁4同心地安装到轮毂2的轮缘3形成。在图1至图6所示的实施方式中，连接壁4包括布置在轮缘3和轮毂2之间的多个轮辐；然而，其它布置方式同样是可行的，例如，可以是实心轮，或为了轻便而在连接壁4上切开有开口的实心轮。在一些示例中，车轮可以由盘形件形成。

图示的车轮组件1是驱动轮，这意味着扭矩被施加到车轮组件1以提供驱动力。在该示例中，轴5是联接到马达或其它驱动装置的驱动轴。驱动轴可以采取例如槽或键等许多常规方式联接到轮毂2。然而，应当理解的是，在其它示例中，车轮可以不是驱动轮，例如车轮可以是被动拖拽车轮或被动转向轮。

应当理解的是，本文所述的车轮组件1可以在各种不同的应用中使用。例如，车轮组件1可以用在车辆上。在一个示例中，车轮组件1被用在轮椅上。在其它示例中，车轮组件1用于机动车辆，例如电动代步车。在另外的示例中，车轮组件1用于搜救车辆和专业越野车辆。车轮组件1可以用于远程遥控车辆或自主行驶的车辆，包括空间探测车辆或用于探测危险环境的车辆。

如图所示，图1的车轮组件还包括围绕轮缘3的周向布置的四个腔体6。每个腔体6由连续的柔性壁7包围，该柔性壁7形成闭端的长形管8。每个管8围绕轮缘3的离散部分布置并且与相邻的管8紧密地间隔开，使得限定四个腔体6的四个管8完全覆盖轮缘3。

腔体6联接到轮缘3上，使得扭矩可以在轮缘3和柔性壁7之间传递。例如，可以设想，柔性壁7可以粘附、焊接或以其它方式连接到轮缘3的外表面。为了进一步辅助扭矩的传递，可以根据情况在相邻的腔体6之间设置支撑翅片9。每个翅片9从轮缘3径向向外延伸，以提供可供柔性壁7的一部分抵靠的表面，即，壁7的一部分限定相应管8的一个纵向端部。因此，当使车轮1旋转时，扭矩从轮毂2传递到每个支撑翅片9，并且进而传递到每个相应的腔体6的每个柔性壁7。

每个腔体6填充有转变物质15，该转变物质15构造成从允许腔体6变形的流态到将腔体6保持在其变形后的状态的硬态进行转变。因此，在使用过程中，当车轮组件1遇到障碍物时，转变物质15处于流态下，腔体6会发生变形。然后，转变物质15可以转变为硬态以将腔体6保持为其变形后的形状。这样可以在障碍物上进一步抓牢，使得车轮组件1更容易地克服障碍物。

促动器14被设置为实现转变物质15在流态和硬态之间的转变，如下文中进一步解释。

在正常使用过程中，当车轮1沿着平坦表面滚动时，转变物质15处于流态。这样使车轮1通过柔性壁7的位移而对表面的不规则提供一定程度的顺应性，从而提供牵引力和减震。

如图2A至图2E所示，车轮被描述为克服诸如路缘等台阶10。台阶10具有与边缘13紧邻的竖直面11和水平面12。台阶10具有稍微大于车轮直径的一半的高度，这意味着常规的车轮难以克服该台阶10。

在图2A至图2B所示的车轮组件1的第一阶段操作中，转变物质15处于流态。车轮组件1抵靠台阶10并向上滚动，使得邻近台阶10的腔体6的柔性壁7顺应台阶10的边缘13。如图2B所示，在顺应状态下，腔体6围绕边缘13发生变形，使得腔体6的一部分覆盖到台阶的水平面12。腔体6的变形后的形状被称为顺应形状。

在图2C至图2D所示的第二阶段操作中，促动器14被激活，并且转变物质15硬化以防止柔性壁7的进一步变形，并且将腔体6维持在其顺应形状。然后变形后的形状的柔性壁7有效地作为履带使用，从而使得柔性壁7的与台阶10的水平面12接触的部分在车轮1旋转时在台阶10上抓牢。于是，车轮组件1可以以更小的滑动风险翻过台阶10的边缘13并在水平面12上滚动。

在图2E所示的第三阶段操作中，促动器14使转变物质15恢复到其流态，从而使得柔性壁7成为用于正常操作的自然形状。

参照图3A至3C描述促动器14和转变物质15的第一示例。这些附图图示了参照图1至图2E描述的车轮组件1的一个腔体6。

在图3A～图3C的实施方式中，转变物质15包含卡住颗粒19和间隙气体20。该实施方式根据卡住转变的原理来实现流态和硬态之间的变化，由此在腔体6内排出间隙气体20以在硬态下使卡住颗粒19锁定在一起。

如图3A所示，腔体6内充满间隙气体20。在车轮组件1遇到障碍物之前，气体20的可压缩性和柔性壁7的柔性使得腔体6顺应障碍物的形状。如图3B所示，当腔体6与障碍物接触时，柔性壁7发生变形，从而使得腔体6顺应障碍物的形状。然后，如图3C所示，从腔体6排出气体20，拉动包围卡住颗粒19的柔性壁7来使卡住颗粒19锁定在一起，使得柔性壁7硬化为变形后的状态并且使腔体6保持在其顺应状态。硬化后的腔体6使车轮组件1和障碍物之间抓牢，从而使车轮克服障碍物。

如图4所示，促动器14包括用于从腔体6排出间隙气体20的泵22。阀21设置在泵和每个腔体6之间。阀21可由促动器14打开和关闭。泵22可以如图所示那样安装到车轮1上或者安装到车轮1所附接的车辆上。

为了排出间隙气体20，操作泵22直到腔体6内部的压力下降到低于大气压的阈值水平。然后关闭阀21并保持腔体6内部的压力水平。腔体6外部的大气压力将柔性壁7压靠在卡住颗粒19上，使得卡住颗粒互相锁定，从而使得柔性壁7硬化。在理想的情况下，柔性壁7具有一定的弹性以在腔体6的体积减小时使在壁7中形成的交叠的数量最小化。

优选地，泵22可以是双向的，以便通过将气体泵送回腔体6中，从而使转变物质15恢复到流态。在这种情况下，打开阀21，泵22运行从而使腔体6膨胀，接着再次关闭阀21以将腔体6保持在其膨胀状态。可替代地，如图所示，设置有储存部23来储存从腔体6排出的气体。在这种情况下，使泵22运行，通过将气体从腔体6泵送到储存部23来对腔体6进行放气，接着关闭阀21以将气体保持在储存部23中并且保持腔体6中的压力水平。为了使转变物质15恢复到流态，打开阀21并且使气体回到腔体6中。

在替代示例中，由于在变形期间施加到腔体6的压力和/或由于柔性壁7中的弹性张力而从腔体6排出间隙气体20。在这些示例中，当打开阀21时，腔体6的容积减小，迫使气体20流出。壁7的弹性张力将卡住颗粒19压缩在一起而使它们互相锁定，从而使得柔性壁7硬化。一旦克服了障碍物，则可以设置泵来向腔体6充气。

在另一替代示例中，可通过设置使储集器重新充气的偏置构件而将气体20移回到腔体6中。例如，腔体可以包括弹性构件，当气体20被排出时弹性构件被压缩，并且一旦阀21被重新打开，偏置构件将柔性壁7推出使其成为膨胀状态，通过阀21抽吸气体20并使气体20进入腔体6。

在示例中，转变物质15的卡住颗粒可以是小的单个颗粒或由任何类型的金属、聚合物或其它材料制成的颗粒。在一些示例中，卡住颗粒可以是细碎材料，例如咖啡渣、玻璃渣、沙子、大米、锯屑、碎坚果壳、燕麦、玉米面、盐、种子。在一个优选的示例中，卡住颗粒是小的金属球，例如滚珠轴承。在另一个优选的示例中，卡住颗粒是小的塑料珠。在一个优选的示例中，转变物质15的间隙气体是空气。但间隙气体也可以是另一种气体，例如氮气、二氧化碳或其它气体。

在图5所示的本发明的另一个实施方式中，其中相同的特征保留相同的附图标记，转变物质15包括磁流变流体，并且促动器14包括电磁体24。磁流变流体被配置为根据磁场而改变粘度。流体的粘度根据所施加的磁场的强度而变化，其中磁场强度的增加引起粘度的相应的增加。为了将磁流变流体从流态转变为硬态，向电磁体24供应电力以产生磁场。电力和对应的磁场强度足够大以确保磁流变流体有效地硬化，由此使柔性壁7和腔体6维持在顺应状态。通过电磁体24的去激励和磁场的去除来恢复为流态。

车轮组件的每个腔体6可以包括一个或多个电磁体24。例如，每个腔体6可能需要一个、两个、三个或四个电磁体24。

磁流变流体基本上是不可压缩的。因此，为了在车轮1的第一操作阶段期间使柔性壁7顺应物体，柔性壁7由可拉伸的弹性材料制成。由此确保了柔性壁7的一部分可以顺应障碍物。

在示例中，转变物质15的磁流变流体包括载体油和悬浮在诸如油或水等载体流体中的磁性颗粒。磁流变流体任选地还包括表面活性剂以防止磁性颗粒在载体流体内沉降。合适的载体流体的示例包括硅油、矿物油、石蜡油、硅氧烷共聚物、白油、液压油、合成烃油、水、酯化脂肪酸或铁磁流体。磁性颗粒的示例可包括纯铁、铁合金(包括钴、钒锰、钼、硅、镍)、羰基铁、雾化铁、水雾化铁、氧化铁(包括Fe₂O₃、Fe₃O₄)、低碳钢、硅钢、镍、钴、铁素体不锈钢、雾化不锈钢等。

在又一示例中，类似于图5的磁流变流体示例，转变物质15包括电流变流体，并且促动器14被配置为产生电场。通过向电流变流体施加电场而增加电流变流体的粘度。因此，电流变转变物质15可以在流态和硬态之间转变。

优选地，电流变流体包括在电绝缘流体中的细微的半导电颗粒的悬浮液，例如硅油。

在其它示例中，转变物质15可以包括电流变弹性体，并且促动器14可以被配置为产生改变电流变弹性体的硬度的电场和/或磁场。

例如，电流变弹性体可包括柔性硅或橡胶材料，其中磁性和/或带电粒子分布在材料中。这样，可以使用磁场和/或电场来控制电流变弹性体的硬度。

在优选的示例中，上面参考图1至图5中的任何一个描述的车轮组件1还包括处理器，该处理器被配置为控制促动器14使转变物质在流态和硬态之间转变。车轮组件1还可以包括一个或多个传感器。例如，传感器16可以被配置为检测腔体6的变形，使得处理器能够确定何时操作促动器14。在另一示例中，可以设置传感器以检测车轮组件1何时接近障碍物，和/或车轮组件1何时与障碍物接触以确定何时操作促动器14。

设置合适的连接器17以在传感器16、处理器和促动器14之间中继信号，例如受控区域网络、12C或RS232等都是可行的选择。实际上，处理器可以位于轮毂2内。

在转变物质15包含卡住颗粒和间隙气体的示例中，如参照图3A至图3C所示，传感器16是被配置为测量腔体6内部的压力的压力传感器16。以此方式，在第一操作阶段期间，当柔性壁7顺应障碍物时，腔体6内部的压力增加且由传感器16测量。因此，压力传感器16产生与腔体6的变形成比例地变化的信号。该信号被中继到处理器，该处理器被配置为当压力水平增加到阈值之上时激活促动器14，以便使转变物质15从流态转变到硬态。当促动器14从腔体6排出间隙气体20时，腔体6中的压力下降。当压力水平下降到阈值以下时，处理器可以随后激活可锁定的阀21以将柔性壁7保持在硬态。

这样的压力传感器16也可以用于如上所述的转变物质15是流变流体、或者是磁流变流体或者是电流变流体的示例。在这些示例中，当腔体6变形时内部压力增加，这可由压力传感器16检测，并且一旦达到阈值压力，促动器14便可将转变物质15从流态转变成液态状态。

可替代地，在未示出的示例中，传感器16可以是检测上述示例中的任一个的腔体6的变形的变形传感器。例如，传感器可以是光学传感器，例如摄像机，其位于车轮组件1或车辆上并且视觉检测车轮组件1和障碍物之间的接合。在其它示例中，传感器16可以是被布置成检测车轮组件1和障碍物之间的接合的物理压力传感器，例如压电传感器。在其它示例中，传感器可以是接近传感器，其被布置成检测柔性壁7的一个部分何时接近另一部分，从而确定腔体6的变形。在每种情况下，处理器被配置成根据检测到的障碍物或变形来操作促动器14。

在另外的示例中，车轮组件可以包括角度位置传感器，该角度位置传感器被配置为生成指示车轮组件1的一部分的信号，特别是车轮组件1上的哪个腔体6与障碍物接触。该角度车轮位置可以用来由处理器确定哪个腔体6已经变形，并且因此确定哪个腔体6从流态转变成硬态。传感器16还可用于确定在克服了障碍物之后何时将转变物质15从硬态转变为流态。

在另外的示例中，上述示例中的任一个的车轮组件1可另外包括围绕轮缘3延伸的可压缩层18。在该实施方式中，腔体6围绕可压缩层18布置。可压缩层18优选地由气囊形成，但也可以是可压缩材料，例如橡胶。可压缩层18将腔体6与车轮1的轮缘3间隔开。这样使得腔体6的局部区域在变形期间被位移到可压缩层18中，并且一旦使转变物质15硬化，可压缩层18被保持在变形后的状态。这又为柔性壁7提供给定的腔体6尺寸的较大移动范围，从而增加柔性壁7与障碍物之间的接触面积的大小。

如图1至图6所示，车轮组件1还可以包括外部柔性胎面25，其在腔体6外侧围绕车轮1延伸，以便在使用过程中与地面接触。胎面25的柔性使得胎面25使用下方的腔体6顺应障碍物的形状。胎面25可以由任何高摩擦系数材料制成，并且还可以包括胎面花纹，以帮助排水和/或增加牵引力。在优选实施方式中，胎面25由合成橡胶制成。在另一个示例中，胎面25由柔性金属制成并且包括用于增加附着摩擦力的履带。在另一个实施方式中，胎面25是围绕腔体6的侧面延伸并与轮缘3接触以完全封闭腔体6的轮胎外胎。

胎面25可以使用合适的粘合剂或焊接方法粘附到腔体6的柔性壁7上。在胎面25延伸而与轮缘3接触的实施方式中，胎面25可通过轮缘3上的凸缘部分(未示出)和胎面25的边缘上的相应唇缘的协作来抓持轮缘3。

在上述实施方式中，车轮组件1包括四个腔体6。然而，本发明不限于四个腔体6，可以设想为任意适当数量的腔体6。例如，在简化的实施方式中，提供围绕整个轮缘3延伸的单个腔体6。在其它示例中，车轮组件1包括两个腔体、三个腔体、五个腔体、六个腔体或更多。

可以设置数量更多的腔体6以更好地控制车轮1的离散部分。因此，圆周更大的车轮包括更多腔体6。以这种方式增加腔体6的数量可以使得车轮1的两个或更多个部分由各个独立的腔体6占据，以分别应对复杂的障碍物，或者当障碍物彼此紧邻时，例如沿着一段楼梯的相邻台阶。在这种情况下，一个腔体6的柔性壁7可在第一步骤硬化，而相邻腔体6的柔性壁7遵循第二步骤。

此外，沿轴向较宽的车轮1可具有两个或更多个并排设置的腔体6，以覆盖车轮1的整个宽度。

图7示出了包括多个上述车轮1的车辆26。具体地，图7示出了可以远程控制或自主行驶的移动车辆。车辆26包括前部和后部的车轮1，但是应当理解的是，车轮1可仅在前部使用或仅在后部使用。图7还示出了攀爬台阶10的车辆26。这样的车辆26可以用于搜索和救援、防卫应用或工业应用中。或者，这样的车辆26可以用于勘探。

图8示出了包括多个上述车轮1的轮椅27。轮椅可以包括用于驱动至少一个车轮1(例如后轮)的马达。轮椅27包括在前部和后部的车轮1，但是应当理解的是，车轮1可仅在前部使用或仅在后部使用。图8还示出了攀爬一系列台阶28的轮椅27。此外，上述车轮1可以用在其它移动车辆上，例如，轮式扶车或机动代步车。

应当理解的是，以上的描述仅作为示例，在不脱离所附权利要求书的保护范围的情况下，可以对本发明的车轮组件进行修改。

Claims (26)

1.一种车轮组件，包括：

车轮，所述车轮具有轮毂和同心地安装到所述轮毂的轮缘；

多个能够变形的腔体，设置在所述轮缘的外侧，每个腔体围绕所述车轮的离散部分延伸并且包含转变物质；以及

促动器，被配置为使每个腔体内的所述转变物质在流态和硬态之间转变，

在所述流态下，当所述车轮在使用过程中遇到障碍物时，所述能够变形的腔体能够变形为顺应状态；

在所述硬态下，所述转变物质被硬化而将所述能够变形的腔体维持在所述顺应状态，以在所述障碍物上进一步抓牢。

2.根据权利要求1所述的车轮组件，包括四个能够变形的腔体。

3.根据权利要求所述的车轮组件，其中，所述促动器被配置为独立于其它能够变形的腔体内的转变物质而选择性地操作每个能够变形的腔体内的转变物质。

4.根据任一项前述权利要求所述的车轮组件，其中，所述车轮还包括在相邻的能够变形的腔体之间径向延伸的多个支撑翅片。

5.根据任一项前述权利要求所述的车轮组件，其中，所述车轮还包括设置在所述能够变形的腔体和所述轮缘之间的能压缩层。

6.根据权利要求5所述的车轮组件，其中，所述能压缩层包括气动囊。

7.根据任一项前述权利要求所述的车轮组件，还包括传感器，所述传感器被布置成检测所述能够变形的腔体的变形。

8.根据任一项前述权利要求所述的车轮组件，还包括传感器，所述传感器被布置成检测是否存在障碍物。

9.根据权利要求7或8所述的车轮组件，其中，所述促动器被配置为响应于所述传感器生成的信号而使所述转变物质在所述流态和所述硬态之间转变。

10.根据任一项前述权利要求所述的车轮组件，其中，所述转变物质包含卡住颗粒和间隙气体。

11.根据权利要求10所述的车轮组件，其中，所述促动器被配置为从所述能够变形的腔体排出所述间隙气体，以使所述转变物质从所述流态转变为所述硬态。

12.根据权利要求11所述的车轮组件，其中，所述促动器被配置为在克服了所述障碍物之后，使气体移动到所述能够变形的腔体中，以使所述转变物质从所述硬态转变为所述流态。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的车轮组件，其中，所述促动器包括泵。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的车轮组件，其中，所述能够变形的腔体包括自膨胀机构。

15.根据权利要求14所述的车轮组件，其中，所述自膨胀机构包括偏置构件。

16.根据权利要求1至9中任一项所述的车轮组件，其中，所述转变物质包括流变物质，并且所述促动器被配置为改变所述流变物质的粘度。

17.根据权利要求16所述的车轮组件，其中，所述流变物质是磁流变流体，并且所述促动器包括电磁体。

18.根据权利要求16所述的车轮组件，其中，所述流变物质是电流变流体，并且所述促动器被配置为产生电场。

19.根据权利要求16所述的车轮组件，其中，所述流变物质是电流变弹性体，并且所述促动器被配置为产生电场和/或磁场。

20.根据任一项前述权利要求所述的车轮组件，还包括胎面，所述胎面被设置在所述能够变形的腔体的外侧，以在所述车轮组件的使用过程中接触地面。

21.根据权利要求20所述的车轮组件，其中，所述胎面包括多个履带。

22.根据任一项前述权利要求所述的车轮组件，其中，所述能够变形的腔体被附接到所述车轮。

23.根据任一项前述权利要求所述的车轮组件，其中，所述能够变形的腔体包括限定封闭管的柔性壁。

24.根据任一项前述权利要求所述的车轮组件，其中，所述车轮是被配置为联接到驱动马达的驱动轮。

25.一种车辆，包括至少一个根据任一项前述权利要求所述的车轮组件。

26.一种轮椅，包括至少一个根据权利要求1至24中任一项所述的车轮组件。