CN111055936A - 一种步态可调的轮履转换行走机构 - Google Patents

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解鸿儒
梁华为
王坤
陶翔
孙超
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Abstract

本发明提供一种步态可调的轮履转换行走机构，包括轮履系统；驱动轮履系统行走的牵引动力系统；调整步态及实现轮履转换的步态动力系统；以及用于固定牵引动力系统和步态动力系统的悬臂框架；所述步态动力系统包括依次传动连接的步态伺服电机、步态减速机和大齿圈，该大齿圈与轮履系统的轮履保持架固定连接、并能够带动轮履保持架进行360度的旋转。本发明行走机构可以在轮式和履带式行走形式间自由切换，能够在正常的铺装路面高速行驶，在爬斜坡、跨壕沟、过障碍等复杂环境下具有良好的通过性，同时该行走机构能够在一定范围内自由变换轮轴离地高度，因此装备该行走机构的机动平台能够自由调整离地间隙，进一步地增强了机动平台的通过性。

Description

一种步态可调的轮履转换行走机构
技术领域
本发明涉及技术陆地机器人领域，具体涉及一种步态可调的轮履转换行走机构。
背景技术
地面无人机动平台具有机动性高、搭载性能好、适应性强等特点，在民用与军用领域都发挥着重要作用，尤其是在野外复杂环境中，无人机动平台可以代替人去进行运输、侦查等任务。因此，良好的通过性和机动性是是地面无人平台的重要性能。
目前地面无人平台主流的行走方式有轮式、履带式和轮履复合式三种。轮式结构简单，在良好的道路条件下速度快，但接地比压大，在泥泞、湿滑、松软等恶劣环境下容易打滑、失控，难以通过壕沟、台阶等障碍，通过性较差。履带式行走机构接地比压小，牵引力大，在雪地、沙地等复杂路况下通过性好，但机动性较差，速度慢。而轮履复合式行走机构兼具轮式的高机动性和履带式的高通过性的特点，但轮履复合式结构一般结构较复杂，可靠性较差，在实际应用中受到了限制。
发明内容
本发明提供一种兼具高机动性与高通过性的步态可调的轮履转换行走机构。该行走机构可以在轮式和履带式行走形式间自由切换，具有结构简单，可靠性好，切换速度快等特点，该行走机构能够在正常的铺装路面高速行驶，在爬斜坡、跨壕沟、过障碍等复杂环境下具有良好的通过性，同时该行走机构能够在一定范围内自由变换轮轴离地高度，因此装备该行走机构的机动平台能够自由调整离地间隙，进一步地增强了机动平台的通过性。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种步态可调的轮履转换行走机构，包括：
轮履系统；
驱动轮履系统行走的牵引动力系统；
调整步态及实现轮履转换的步态动力系统；以及
用于固定牵引动力系统和步态动力系统的悬臂框架；
所述步态动力系统包括依次传动连接的步态伺服电机、步态减速机和大齿圈，该大齿圈与轮履系统的轮履保持架固定连接、并能够带动轮履保持架进行360度的旋转。
进一步地，所述轮履系统包括：
主动轮，该主动轮的圆形面的两侧均设置有轮履保持架，其中外侧的轮履保持架的中部通过轴承与行星减速机连接，内侧的轮履保持架与步态动力系统的大齿圈固定连接；
四个履带张紧轮，每两个履带张紧轮固定在一个张紧调节机构上，两个张紧调节机构分别固定在轮履保持架的两端；以及
履带，该履带缠绕在驱动轮与四个履带张紧轮上，履带缠绕的形状为菱形，该菱形的两个钝角与主动轮接触，菱形的每个锐角分别与两个履带张紧轮接触。
优选地，所述牵引动力系统包括牵引伺服电机和行星减速机，所述行星减速机的动力输入端与牵引电机的动力输出轴连接，行星减速机的外壳与主动轮固定连接。
优选地，所述张紧调节机构的一端通过轴承与两个履带张紧轮连接，另一端的圆柱插入轮履保持架的圆管内并能够相对滑动，所述轮履保持架的圆管两侧设置两个螺柱，通过调节螺柱上螺母位置能够改变张紧调节机构与轮履保持架的相对位置。
进一步地，所述悬架系统包括悬臂枢轴、悬臂骨架、悬臂壳体、减振器、轴承座和滚动轴承；
所述悬臂壳体包裹在悬臂骨架上，悬臂壳体上端相对的两个外侧壁上分别固定所述悬臂枢轴，每个悬臂枢轴分别通过滚动轴承与轴承座连接，，所述减振器的顶端与车体铰接，减振器的下端与悬臂骨架铰接。
优选地，所述大齿圈的外圈与步态减速机动力输出轴上的齿轮啮合，大齿圈的内圈通过滚针轴承固定在牵引动力系统的牵引伺服电机外壳上。
由以上技术方案可知，本发明具有如下有益效果：
1、本发明能够实现轮履之间的自由快速切换，兼具轮式和履带式行走机构的高机动型和高通过性的优点。
2、本发明中的履带在主动轮和两侧张紧轮的支撑下呈菱形的几何形状；步态动力系统通过驱动轮履保持架绕中心轴转动，从而驱动履带及张紧轮绕中心轴转动，呈现不同的步态，改变轴心离地高度和履带的接近角，相比传统履带行走机构进一步地增强了通过性。
3、本发明中牵引动力系统的减速器置于主轮内部，结构简单紧凑，提高了空间利用率。
4、本发明中牵引动力系统和步态动力系统独立控制，可在行驶过程中自由调整步态，极大提高了平台的机动性。
附图说明
图1是本发明的立体图。
图2是本发明的主视图。
图3是图2中A-A剖视图。
图4是图2中B-B剖视图。
图5是图3中C处局部放大图。
图6是本发明轮模式下应用示意图，用于路况良好的铺装路面。
图7是本发明履带模式下应用示意图，用于通过湿滑、松软的地面。
图8是本发明升高离地高度的应用示意图，用于涉水或通过较高障碍。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。
行走机构是陆地机器人的动力装置，陆地机器人两侧对称分布有若干个行走机构。
如图1和2所示，所述步态可调的轮履转换行走机构包括轮履系统、牵引动力系统、步态动力系统和悬臂框架，其中牵引动力系统用于驱动轮履系统行走，步态动力系统用于调整步态及实现轮履转换，悬臂框架用于固定牵引动力系统和步态动力系统。
如图2和4所示，所述轮履系统包括履带101、主动轮105、轮履保持架104、四个履带张紧轮102和两个张紧调节机构103。
所述主动轮105的圆形面的两侧均设置有轮履保持架104，其中外侧的轮履保持架的中部通过轴承与行星减速机202连接，内侧的轮履保持架与步态动力系统的大齿圈304固定连接。
四个履带张紧轮102，每两个张紧轮固定在一个张紧调节机构103上，两个张紧调节机构分别固定在轮履保持架104的两端。
所述履带101缠绕在驱动轮与四个履带张紧轮102上，履带缠绕的形状为菱形，该菱形的两个钝角与主动轮接触，菱形的每个锐角分别与两个履带张紧轮接触。
所述张紧调节机构103的一端安装两个履带张紧轮102，另一端的圆柱插入轮履保持架104的圆管内，圆柱与圆管可相对滑动。圆管两侧为两个螺柱106，螺柱上设置有螺母107，通过调节螺母107位置可改变张紧调节机构103与轮履保持架104的相对位置。
如图3和5所示，所述牵引动力系统包括牵引伺服电机201和行星减速机202，行星减速机202的动力输入端与牵引电机201的动力输出轴连接，行星减速机202的外壳通过螺栓与主动轮105固定连接；主动轮105圆形面的两侧均设置有轮履保持架104，轮履保持架104外侧中部通过轴承109与行星减速机202连接，并通过螺栓108将轴承109固定。
所述步态动力系统包括依次连接的步态伺服电机301、步态减速机302和大齿圈304，大齿圈304的外圈与步态减速机302动力输出轴上的齿轮303啮合，内圈通过滚针轴承305固定在牵引伺服电机201外壳上，大齿圈304与轮履保持架104内侧通过螺栓固定连接，并能够带动轮履保持架进行360度的旋转。
如图1所示，所述悬臂框架包括悬臂枢轴403、悬臂骨架401、悬臂壳体402、减振器406、轴承座405和滚动轴承404。悬臂壳402体包裹在悬臂骨架401上，悬臂壳体402上端相对的两个外侧壁上分别固定一个悬臂枢轴403，每个悬臂枢轴403分别通过滚动轴承404与轴承座405连接，轴承座405固定在车体上，减振器406顶端与车体铰接，下端与悬臂骨架401铰接。
本发明轮履系统中间的主动轮105和两侧的履带张紧轮102构成的菱形结构，在步态动力系统的驱动下可以进行旋转，具体工作原理如下：
(1)轮履机构前进。牵引伺服电机201的动力传递至行星减速机202进行减速，行星减速机202的动力输出端带动主动轮105进行旋转，主动轮通过驱动履带101，实现轮履机构的前进。
(2)轮履机构调整步态及轮履模式切换。步态伺服电机的动力传递至步态减速机进行减速，并通过步态减速机的末级齿轮将动力传递至大齿圈，大齿圈与轮履保持架内侧固定连接，在大齿圈的带动下，轮履保持架可实现360度旋转，从而实现步态调整及轮履模式切换。
如图6所示，该行走机构主动轮触地时为轮模式，在该模式下，车轮与地面接触面积小，接地比压大，机动性更好，适合于路况良好的铺砖路面高速行驶。
如图7所示，该行走机构履带长边触地时为履带模式，在该模式下，行走机构与地面接触面积大，接地比压小，通过性更好，适合于雪地、泥泞等恶劣的道路环境。
如图8所示，该行走机构张紧轮触地时，可以提升平台的离地间隙，从而进一步提高平台的通过性和适应性。
以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种步态可调的轮履转换行走机构，其特征在于，包括：
轮履系统；
驱动轮履系统行走的牵引动力系统；
调整步态及实现轮履转换的步态动力系统；以及
用于固定牵引动力系统和步态动力系统的悬臂框架；
所述步态动力系统包括依次传动连接的步态伺服电机、步态减速机和大齿圈，该大齿圈与轮履系统的轮履保持架固定连接、并能够带动轮履保持架进行360度的旋转。
2.根据权利要求1所述的轮履转换行走机构，其特征在于，所述轮履系统包括：
主动轮，该主动轮的圆形面的两侧均设置有轮履保持架，其中外侧的轮履保持架的中部通过轴承与行星减速机连接，内侧的轮履保持架与步态动力系统的大齿圈固定连接；
四个履带张紧轮，每两个履带张紧轮固定在一个张紧调节机构上，两个张紧调节机构分别固定在轮履保持架的两端；以及
履带，该履带缠绕在驱动轮与四个履带张紧轮上，履带缠绕的形状为菱形，该菱形的两个钝角与主动轮接触，菱形的每个锐角分别与两个履带张紧轮接触。
3.根据权利要求2所述的轮履转换行走机构，其特征在于，所述牵引动力系统包括牵引伺服电机和行星减速机，所述行星减速机的动力输入端与牵引电机的动力输出轴连接，行星减速机的外壳与主动轮固定连接。
4.根据权利要求2所述的轮履转换行走机构，其特征在于，所述张紧调节机构的一端通过轴承与两个履带张紧轮连接，另一端的圆柱插入轮履保持架的圆管内并能够相对滑动，所述轮履保持架的圆管两侧设置两个螺柱，通过调节螺柱上螺母位置能够改变张紧调节机构与轮履保持架的相对位置。
5.根据权利要求1所述的轮履转换行走机构，其特征在于，所述悬架系统包括悬臂枢轴、悬臂骨架、悬臂壳体、减振器、轴承座和滚动轴承；
所述悬臂壳体包裹在悬臂骨架上，悬臂壳体上端相对的两个外侧壁上分别固定所述悬臂枢轴，每个悬臂枢轴分别通过滚动轴承与轴承座连接，所述减振器的顶端与车体铰接，减振器的下端与悬臂骨架铰接。
6.根据权利要求1所述的轮履转换行走机构，其特征在于，所述大齿圈的外圈与步态减速机动力输出轴上的齿轮啮合，大齿圈的内圈通过滚针轴承固定在牵引动力系统的牵引伺服电机外壳上。
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