CN110510017B - 一种能够进行轮履变换的车轮 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及地面移动机器人技术领域，特别涉及一种机器人的移动机构。一种能够进行轮履变换的车轮，包括：轮圈、包覆在轮圈外部的履带、中心支撑结构、轮履变换结构以及驱动机构；其中轮圈沿周向均分为六个圆弧段，相邻圆弧段之间铰接；支撑结构包括：三个滑块以及三根弹簧柱；本发明将完整的车轮轮圈分为六个圆弧段，每个圆弧段相互铰接然后与滑块连接，滑块安装在中心轴上并与曲柄相连构成车轮结构和其基本的变形结构，轮履变换驱动机构驱动该结构进行轮履变换。车轮形态下，本装置由车轮驱动机构进行驱动；履带形态下，本装置由履带驱动机构进行驱动。本发明通过轮形态和履带形态的转换解决了不同地形下机器人移动的问题。

Description

一种能够进行轮履变换的车轮
技术领域
本发明涉及地面移动机器人技术领域，特别涉及一种机器人的移动机构。
背景技术
在很多复杂和危险环境下不适合人类进行直接作业。这个时候就需要地面移动机器人来进行操作，移动机器人以其体积小，运动灵活等特点成为了一个研究热点。移动机器人最基本的移动方式有轮式和履带式，其中轮式结构运行比较平稳，机动能力较强，但是越障能力和在复杂地形表现比较差。履带式行走装置能够适应沙土、泥泞等松软的地形，但存在速度较低，转弯性能较差的特点。
发明内容
本发明的目的是：针对轮式结构和履带结构的优缺点，提供一种能够进行轮履变换的车轮。
本发明的技术方案是：一种能够进行轮履变换的车轮，包括：轮圈、包覆在所述轮圈外部的履带、中心支撑结构、轮履变换结构以及驱动机构；
所述轮圈沿周向均分为六个圆弧段，相邻所述圆弧段之间铰接；
所述中心支撑结构包括：同轴设置在所述轮圈中心的中心轴以及设置在所述中心轴外圆周的中部沿周向均匀间隔分布三个限位轴和三个弹簧座；其中所述限位轴的一端固定在中心轴上，另一端加工有限位轴肩；
所述轮履变换结构包括：三个滑块、三根弹簧和三角板；所述滑块与所述限位轴一一对应，所述弹簧与所述弹簧座一一对应；所述滑块的一端套在与之对应的限位轴外部，与限位轴滑动配合，另一端固定在对应位置处相邻两圆弧段的铰接处；所述弹簧的一端与所述弹簧座相连，另一端与对应位置处相邻两圆弧段的铰接处相连；在所述中心轴的轴向一端设置有三角板，三个所述滑块各通过一个曲柄分别连接在所述三角板的三个顶点处；
所述驱动机构包括：履带驱动机构、车轮驱动机构和轮履变换驱动机构；
所述轮履变换驱动机构用于驱动所述三角板绕轮圈的轴线转动，所述三角板转动时，通过曲柄推动与之对应的滑块沿限位轴的轴向向外或相内运动，以实现车轮在轮式形态和履带形态之间的切换；
所述车轮驱动机构通过驱动所述中心支撑结构转动，带动车轮转动；
所述履带驱动机构用于驱动所述履带运动。
本装置使用了一种曲柄滑块结构，将完整的车轮轮圈分为六个圆弧段，每个圆弧段相互铰接然后与滑块连接，滑块安装在中心轴上并与曲柄相连构成车轮结构和其基本的变形结构，并通过轮履变换驱动机构驱动该结构进行轮履变换。车轮形态下，本装置由车轮驱动机构进行驱动；履带形态下，本装置由履带驱动机构进行驱动。
有益效果：
(1)本发明通过轮形态和履带形态的转换解决了不同地形下机器人移动的问题，在平坦地面时采用轮形态，提高机器人机动效率，在复杂环境下采用履带形态，提高机器人通过复杂地形的能力。
(2)采用该种轮履变换形式，变换的过程中履带的变形量小。
附图说明
图1为实施例1中车轮形态下的结构示意图；
图2为实施例1中履带形态下的结构示意图；
图3为实施例1中车轮结构的结构示意图；
图4为中心支撑结构的结构示意图；
图5为实施例1中履带驱动机构中主动齿轮的结构示意图；
图6为实施例1中履带驱动机构中从动齿轮的结构示意图；
图7为实施例1中轮式驱动机构和轮履变换驱动机构的结构示意图；
图8为实施例2中车轮结构的示意图。
图中：1-轮圈、2-履带、3-圆弧段、4-滑块、5-弹簧、6-中心轴、7-限位轴、8-曲柄、9-三角板、10-轮履变换电机、11-驱动轴、12-履带驱动电机、13-联轴器、14-主动齿轮、15-从动齿轮、16-车轮驱动电机、17-同步带传动装置，18-弹簧座，19-弹簧支撑杆、20-法兰盘
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细说明。
实施例1：
参见附图1、2，本实施例提供一种能够进行轮履变换的车轮，包括：轮圈1、包覆在轮圈1外部的履带2、中心支撑结构、轮履变换结构以及驱动机构；
其中轮圈沿周向均分为六个圆弧段3，每个圆弧段3为弧形板，相邻圆弧段3之间通过铰接，相邻两个圆弧段能够绕其铰接处的转动；
参见附图4，中心支撑结构包括：中心轴6，中心轴6同轴设置在轮圈中心；中心轴6外圆周的中部沿周向均匀间隔分布三个限位轴7和三个弹簧座18，三个限位轴7和三个弹簧座18分别与圆弧段3的六个对接处一一对应。限位轴7和弹簧座18均沿中心轴6的径向设置，其中限位轴7的一端固定在中心轴6上，另一端加工有限位轴肩；弹簧座18为中空套筒结构，其与中心轴6相连一端的外圆周上设置有环形凸起。
参见附图3，轮履变换结构包括：三个滑块4、三根弹簧5、三角板9和三个曲柄8；滑块4与弹簧柱5沿周向均匀间隔布置在轮圈内部，且三个滑块4与三个限位轴7一一对应，三根弹簧5与三个弹簧座18一一对应。滑块4与弹簧柱5的一端朝向轮圈的中心(令为向内端)，另一端与轮圈上对应位置处的两个圆弧段连接处相连(令为向外端)；具体为：滑块4的向内端套在与之对应的限位轴7外部，与限位轴7滑动配合，限位轴7通过其端部的限位轴肩对滑块4向外滑动进行限位；同时可在限位轴7与中心轴6的连接端设置环形凸起作为下限位，用于滑块4向内滑动的限位；滑块4的向外端固定在对应位置处相邻两圆弧段3的铰接处；弹簧5的向内端套装在与之对应的弹簧座18上，端部与弹簧座18上端的环形凸起抵触，向外端套装在弹簧支撑杆19上，并与设置在弹簧支撑杆19上的环形凸起抵触；弹簧支撑杆19一端伸入弹簧座18的中心孔，与弹簧座18的中心孔滑动配合，另一端固定在对应位置处相邻两圆弧段3的铰接处。每个滑块4向内端的一侧连接有一个曲柄8，在中心轴6对应轴向端设有三角板9，三个曲柄8的另一端分别连接三角板9的三个顶点。
驱动机构包括：履带驱动机构、车轮驱动机构和轮履变换驱动机构；
参见附图5和图6，滑块4的向外端设有用于驱动履带2运动的履带驱动机构，履带驱动机构包括：履带驱动电机12、联轴器13、主动齿轮14和从动齿轮15；在三个滑块4中，其中一个滑块4的向外端安装作为主动部分的驱动电机12和主动齿轮14，另外两个滑块4的向外端安装作为从动部分的从动齿轮15。具有为：履带驱动电机12通过电机座安装在其中一个滑块4的向外端，其输出端通过联轴器13与主动齿轮14的齿轮轴连接；齿轮轴通过轴承支撑在滑块4的向外端，主动齿轮14的齿从圆弧段3的相接处向外探出，与履带结构2内圆周面上的齿形结构配合；另外两个滑块4的向外端通过从动齿轮轴同轴连接两个从动齿轮15，从动齿轮15的齿从圆弧段3的相接处向外探出，与履带结构2内圆周面上的齿形结构配合。当将车轮形状变成图2所示的类似三角形结构时，履带内圆周面上的齿形结构分别与主动齿轮14和从动齿轮15接触配合，在履带驱动电机12的带动下带动履带2运动。
参见附图6，用于驱动车轮结构1绕轮圈的轴线转动的车轮驱动机构安装在中心支撑结构位置处，车轮驱动机构通过驱动中心支撑结构转动，进而带动车轮转动。车轮驱动机构包括：车轮驱动电机16和同步带传动装置17，中心轴6的一端同轴固接有法兰盘20，车轮驱动电机16通过电机座固定在法兰盘20的支撑结构上，车轮驱动电机16通过同步带传动装置17带动中心轴6转动，具体为：车轮驱动电机16的输出轴与同步带传动装置17中的主动带轮同轴相连，同步带传动装置17中的从动带轮通过过盈配合连接在法兰盘20上，法兰盘20通过螺栓与中心轴6同轴相连，由此带动车轮运动。
轮履变换驱动机构用于驱动三角板9绕轮圈的轴线转动，轮履变换驱动机构包括：轮履变换电机10和驱动轴11，轮履变换电机10与车轮驱动电机16共用电机座，中心轴6和法兰盘同轴套装在驱动轴11的外部，驱动轴11的一端伸出法兰盘20的中心孔与轮履变换电机10的输出轴相连，另一端伸出中心轴6的中心孔与三角板9固接，实现驱动轴11带动三角板9的转动来带动滑块4运动。在驱动轴11于法兰盘20之间装有衬套，起到支撑和隔离的作用。
轮履变换原理为：通过轮履变换驱动机构驱动三角板9转动时，通过曲柄8推动与之对应的滑块4沿限位轴7的轴向向外或相内运动，当滑块4沿限位轴7的轴向向外移动至限位轴7的轴肩所在位置处时，本装置由车轮形状变成一个类似三角形的结构，即履带形态，如图2所示，此时弹簧5为收缩状态；在履带驱动机构的作用下履带2运动；通过轮履变换驱动机构驱动三角板9反向转动，使滑块4向下运动至限位轴7的下限位处时，本装置由类似三角形的结构转换成车轮形状，即车轮形态，如图1所示，此时弹簧5为伸长状态，保证在车轮结构1行驶过程中能够保持车轮形状，此时车轮在车轮驱动机构的作用下运动。
实施例2：
参见附图8，本实施例中的车轮与实施例1中的车轮结构基本相同，区别仅在于，用于形成轮圈的圆弧段包括：由两根弧形梁形成的弧形框架，以及并联设置在两根弧形梁之间的两个以上滚轮(滚轮的两端分别与两根弧形梁相连)，由此能够减小履带形态时，履带2与轮圈之间的摩擦。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种能够进行轮履变换的车轮，其特征在于：包括：轮圈(1)、包覆在所述轮圈(1)外部的履带(2)、中心支撑结构、轮履变换结构以及驱动机构；
所述轮圈沿周向均分为六个圆弧段(3)，相邻所述圆弧段(3)之间铰接；
所述中心支撑结构包括：同轴设置在所述轮圈中心的中心轴(6)以及设置在所述中心轴(6)外圆周的中部沿周向均匀间隔分布三个限位轴(7)和三个弹簧座(18)；其中所述限位轴(7)的一端固定在中心轴(6)上，另一端加工有限位轴肩；
所述轮履变换结构包括：三个滑块(4)、三根弹簧(5)和三角板(9)；所述滑块(4)与所述限位轴(7)一一对应，所述弹簧(5)与所述弹簧座(18)一一对应；所述滑块(4)的一端套在与之对应的限位轴(7)外部，与限位轴(7)滑动配合，另一端固定在对应位置处相邻两圆弧段(3)的铰接处；所述弹簧(5)的一端与所述弹簧座(18)相连，另一端与对应位置处相邻两圆弧段(3)的铰接处相连；在所述中心轴(6)的轴向一端设置有三角板(9)，三个所述滑块(4)各通过一个曲柄(8)分别连接在所述三角板(9)的三个顶点处；
所述驱动机构包括：履带驱动机构、车轮驱动机构和轮履变换驱动机构；
所述轮履变换驱动机构用于驱动所述三角板(9)绕轮圈的轴线转动，所述三角板(9)转动时，通过曲柄(8)推动与之对应的滑块(4)沿限位轴(7)的轴向向外或相内运动；
所述车轮驱动机构通过驱动所述中心支撑结构转动，带动车轮转动；
所述履带驱动机构用于驱动所述履带(2)运动。
2.如权利要求1所述的能够进行轮履变换的车轮，其特征在于：所述轮履变换驱动机构包括：轮履变换电机(10)以及与所述轮履变换电机(10)输出端相连接的驱动轴(11)；所述中心轴(6)同轴套装在所述驱动轴(11)外部，所述驱动轴(11)一端伸出所述中心轴(6)与所述三角板(9)连接。
3.如权利要求1所述的能够进行轮履变换的车轮，其特征在于：所述履带驱动机构包括：履带驱动电机(12)、联轴器(13)、主动齿轮(14)和从动齿轮(15)；在三个所述滑块(4)中，其中一个滑块(4)与轮圈的连接端安装驱动电机(12)和主动齿轮(14)，另外两个滑块(4)的与轮圈的连接端安装从动齿轮(15)；所述履带驱动电机(12)通过电机座安装在对应滑块(4)的端部，履带驱动电机(12)的输出端通过所述联轴器(13)与所述主动齿轮(14)的齿轮轴连接；
所述履带(2)内圆周面上的齿形结构分别与所述主动齿轮(14)和所述从动齿轮(15)配合，在履带驱动电机(12)的作用下带动履带(2)运动。
4.如权利要求1所述的能够进行轮履变换的车轮，其特征在于：所述车轮驱动机构包括：车轮驱动电机(16)和同步带传动装置(17)；所述中心轴(6)的一端同轴固接有法兰盘(20)，所述车轮驱动电机(16)通过同步带传动装置(17)带动所述法兰盘(20)转动，进而带动所述中心轴(6)转动。
5.如权利要求1、2、3或4所述的能够进行轮履变换的车轮，其特征在于：所述弹簧座(18)为中空套筒结构，其与中心轴(6)相连一端的外圆周上设置有环形凸起；
所述弹簧(5)的一端套装在与之对应的弹簧座(18)上，端部与弹簧座(18)上的环形凸起抵触，另一端套装在弹簧支撑杆(19)上，并与设置在弹簧支撑杆(19)上的环形凸起抵触；所述弹簧支撑杆(19)一端伸入弹簧座(18)的中心孔，与弹簧座(18)的中心孔滑动配合，另一端固定在对应位置处相邻两圆弧段(3)的铰接处。
6.如权利要求1、2、3或4所述的能够进行轮履变换的车轮，其特征在于：用于形成轮圈的圆弧段为弧形板。
7.如权利要求1、2、3或4所述的能够进行轮履变换的车轮，其特征在于：用于形成轮圈的圆弧段包括：弧形框架以及支撑在弧形框架内的两个以上并联设置的滚轮。
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