CN111959192A - 一种轮履式可重构变形轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种轮履式可重构变形轮，包括固定装置、轮履形态变形装置和履带行进装置；固定装置包括变形轮支撑架和U型支撑架；变形轮支撑架为变形轮的受力主体；U型支撑架安装在变形轮支撑架上并位于变形轮内部；轮履形态变形装置包括变形传动机构和变形连杆结构，变形传动机构用于驱动变形连杆结构可相对于变形轮支撑架伸出或缩回；履带行走装置的传动部分安装在变形轮支撑架上，弹性履带包覆于变形轮的外部轮廓并与变形连杆结构相接触。该轮履式可重构变形轮，具有自由切换两种形态能力和高承载能力，并且实施方式简单，可靠性高，在较多领域应用广泛，可应用于灾后消防救援时机器人的快速移动和越障救援。

Description

一种轮履式可重构变形轮

技术领域

本发明涉及机器人底盘技术领域，特别是涉及一种轮履式可重构变形轮。

背景技术

就我国现状来看，目前我国城市化进程加快，城市基础设施建设进程也明显加快，但西部等欠发达地区城市化水平仍有待提高，因此我们生存环境中的地形也多种多样，既包括城市中的硬质街道，楼梯以及花园绿地，也包括偏远地区的山地，雪地，甚至泥泞沼泽，不论是在军事作战或是抢险救灾中，均需要适应复杂地形移动底盘，来保证任务的顺利实施。

就全球范围来看，世界各国也在抓紧对能够应对复杂地形的移动底盘进行开发与研究，例如美国在第二次世界大战之后参与的局部战争，均表现出对无人机以及地面设备的巨大需要，因此其于1997年就开始实施“城市地区军事作战先进概念技术演示计划(MOUTACTD)”，该计划旨在使美军城市作战更易于接受，可行性更高，避免造成作战人员伤亡，从而达到战略目标以及政治目的。同时一些其他发达国家例如英、法、德、日等国家也在对相关特种地面作战平台进行研究。

一般来说，机器人底盘的运动方式分为轮式，履带式，腿式以及他们的结合方式轮腿式，腿履式，轮履式和轮履腿式。单从轮式，履带式和腿式三个运动方式来看，在相同情况下，轮式可达运动速度最高，其能量效率最高，其控制方式以及机械结构最简单，但越障能力例如爬坡和爬楼梯能力较差；履带式可达速度相比轮式较低，能量效率较低，其控制方式和轮式大致相同，机械结构复杂度较低，越障能力适中，能适应大多数复杂路面；腿式能达到的速度较低，机械结构复杂度较高，越障能力最高，但控制方式复杂，可靠性较差；因此在三者的结合中，包含腿式结构的运动方式需要的控制更为复杂，在复杂环境中的可靠性较差，因此设计制作一种轮履式可重构变形轮能有效的应对较为复杂陆地环境，从而达到救援的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种轮履式可重构变形轮，以解决上述现有技术存在的问题，具有自由切换两种形态能力和高承载能力，并且实施方式简单，可靠性高，在较多领域应用广泛，可应用于灾后消防救援时机器人的快速移动和越障救援。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种轮履式可重构变形轮，该变形轮包括固定装置、轮履形态变形装置、履带行进装置；所述固定装置位于变形轮中央位置，作用是为其他装置提供安装位置；所述轮履形态变形装置安装在所述固定装置左右两侧，作用为完成变形轮履态与轮态之间的相互转化；所述的履带行走装置安装在固定装置的中央和变形轮外部，作用为使变形轮移动。

优选地，所述的固定装置包括变形轮支撑架、U型支撑架和保护壳组成；所述的变形轮支撑架为轮子的受力主体，支撑架上有可与各个装置进行同轴心配合的通孔；所述的U型支撑架形状呈“U”型，且存在两个呈左右对称分布的孔，与变形轮固定连接安装在变形轮内部，为所述轮履形态变形装置和履带行进装置提供安装圆柱孔；所述的保护壳呈圆形，上方具有若干圆柱孔，通过若干螺丝、螺母与所述变形轮支撑架安装在一起，对变形轮内部起到保护作用。

优选地，所述的轮履形态变形装置包括变形传动机构和变形连杆结构。所述的变形传动机构作用为传递电机动力，完成变形装置变形，包括传动轴A、传动轴B、锥齿轮A、锥齿轮B、蜗杆、蜗轮和蜗轮轴承；所述传动轴A一端外接电机，将电机动力传送到后端完成变形轮的形态转换，传动轴A的另一端与所述锥齿轮A固定连接；所述的传动轴B中间与锥齿轮B固定连接，两端为蜗杆结构，所述的锥齿轮B与传动轴A上的锥齿轮A形成齿轮副连接；所述的蜗轮共有两个，呈左右对称分布，经蜗轮轴承、螺栓与U型支架的配合，可以绕中心定轴转动，蜗轮与传动轴B上的蜗杆结构形成配合，从而将传动轴A的动力传递给所述的左右两个蜗轮，由于蜗轮与短连杆固定连接，因此蜗杆带动蜗轮转动，蜗轮进一步带动短连杆定轴转动。

优选地，所述的变形连杆机构共有两个，呈左右对称分布，功能为传递动力并撑起弹性履带，完成变形轮轮态和履态之间的自由转换，其中一个变形连杆机构包括短连杆、长连杆、弧形摆杆、滚子轴A组成；所述的短连杆一端与蜗轮固定连接，随着蜗轮的转动而定轴转动，短连杆另一端具有一个圆柱孔；所述的长连杆上下两端具有两个圆柱孔，上端的圆柱孔与短连杆上的圆柱孔形成转动副联接，可在短连杆的带动下移动；所述的弧形摆杆为圆弧形，外端半径与变形轮支撑架外援轮廓半径相等，弧形摆杆上具有三个圆柱孔，底端圆柱孔通过螺栓与变形轮支撑架上的圆柱孔B形成转动副联接，使得弧形摆杆可绕圆柱孔转动；中间的圆柱孔与长连杆下端的圆柱孔形成转动副联接，使得弧形摆杆在长连杆的带动下定轴摆动；

优选地，所述的滚子轴A共有6组，每个变形连杆机构上安装有3组，分别安装在弧形摆杆上的3个圆柱孔上，包括滚子A、滚子轴承A、滚子轴承B、垫片和螺栓A；所述的滚子A经轴承A、轴承B和垫片与螺栓A形成转动副联接，使得滚子A可绕所述螺栓定轴转动。

优选地，当所述的轮履式可重构变形轮由轮态转变为履态时，电机转动带动传动轴A转动，经传动轴B、蜗轮传动，带动短连杆定轴转动，经长连杆传动，使得圆弧摆杆定轴摆动，带动前端的滚子轴A撑起弹性履带，完成轮履式可重构变形轮由轮态到履态的转变。

优选地，所述的履带行进装置包括传动轴C、齿轮组A、齿轮组B、齿轮组C、履带齿轮、弹性履带和滚子轴B；所述的传动轴C一端透过变形轮支撑架中央的中心圆柱孔与电机连接，另一端与齿轮组A固定连接；所述齿轮组A随着传动轴C定轴转动；所述的齿轮组B与齿轮组C形成齿轮副联接，作用为将齿轮组A的动力传递到齿轮组C；所述的齿轮组C与齿轮组B形成齿轮副联接，作用为传递齿轮组B的动力；所述的履带齿轮与齿轮组C固定连接，将齿轮传递而来的动力传递到弹性履带上，使得弹性履带可以绕变形轮外廓转动，从而使变形轮行进；

优选地，所述的滚子轴B共6组，分别安装在变形轮支撑架上的圆柱孔A上，作用为使弹性履带绕变形轮转动更为顺滑，包括滚子B、滚子轴承C、螺栓B；所述的滚子B经滚子轴承C与螺栓B形成转动副联接，使得滚子B可绕螺栓B定轴转动。

优选地，当所述的履带行进装置工作时，电机产生的动力经传动轴C、齿轮组A、B、C和履带齿轮传动，带动弹性履带绕着变形轮外廓相对转动，从而实现装配变形轮机器人的前进和转向。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

1、本发明提供的一种轮履式可重构变形轮采用了模块化的设计思想，可实现模块化生产，降低制造成本和难度，适宜大规模推广使用。

2、本发明提供的一种轮履式可重构变形轮，其刚度高，稳定性好，具有运动灵活的优点；可实现轮履形态的自由切换，在设计过程中充分利用了死点这一特殊位置与三角形的稳定性这一特点，使轮体运动更有保障。

3、本发明提供的一种轮履式可重构变形轮，结构简单，实施方式简单，可靠性高，可广泛用于灾后救援机器人的底盘，加快移动的速度与提升救援的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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为本发明轮履式可重构变形轮隐藏保护壳后的内部结构正视图；

图2为本发明轮履式可重构变形轮的反向轴测图；

图3为本发明轮履式可重构变形轮的正向轴测图；

图4为本发明中变形轮隐藏保护壳后的展开轮体正视图；

图5为本发明中变形传动机构的配合示意图；

图6为本发明中变形连杆机构的配合爆炸示意图；

图7为本发明中变形轮隐藏保护壳后的展开轮体轴测图；

图8为本发明中滚子轴A的爆炸示意图；

图9为本发明中滚子轴B的爆炸示意图；

图10为本发明中变形轮支撑架示意图；

图中：100-固定装置、101-保护壳、102-变形轮支撑架、103-U型支撑架；1021-圆柱孔A、1022-圆柱孔B；1023-中心圆柱孔；

200-轮履形态变形装置、210-变形传动机构、220-变形连杆机构、201-传动轴A、2011-锥齿轮A、202-传动轴B、2021锥齿轮B、2022-蜗杆结构、203-蜗轮、2031-蜗轮轴承、204-短连杆、205-长连杆、206-弧形摆杆、207-滚子轴A、2071-滚子A、2072-滚子轴承A、2073-滚子轴承B、2074-垫片、2075-螺栓A；

300-履带行进装置、301-传动轴C、302-齿轮组A、303-齿轮组B、304-齿轮组C、305-履带齿轮、306-弹性履带、307-滚子轴B、3071-滚子B、3072-滚子轴承C、3073-螺栓B。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种轮履式可重构变形轮，以解决上述现有技术存在的问题，具有自由切换两种形态能力和高承载能力，并且实施方式简单，可靠性高，在较多领域应用广泛，可应用于灾后消防救援时机器人的快速移动和越障救援。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本实施例提供一种轮履式可重构变形轮，如图1、图2、图4所示，包括固定装置100、轮履形态变形装置200、履带行进装置300；固定装置100位于变形轮中央位置；轮履形态变形装置200安装在固定装置100左右两侧；履带行走装置300安装在固定装置100的中央和变形轮外部。

如图1、图2、图3和图10所示，固定装置100包括变形轮支撑架102、U型支撑架103和保护壳101；变形轮支撑架102为轮子的受力主体，具有6个圆柱孔A1021、2个圆柱孔B1022、一个中心圆柱孔1023和若干配合孔；U型支撑架103形状呈“U”型，且存在两个呈左右对称分布的孔，与变形轮支撑架102固定连接安装在变形轮内部，为轮履形态变形装置200和履带行进装置300提供安装圆柱孔；保护壳101呈圆形，与变形轮支撑架102安装在一起，对变形轮内部起到保护作用。

如图2、图4、图5、图6和图8所示，轮履形态变形装置包括变形传动机构210和变形连杆结构220。变形传动机构210作用为传递电机动力，完成变形装置200变形，包括传动轴A201、传动轴B202、锥齿轮A2011、锥齿轮B2021、蜗杆结构2022、蜗轮203和蜗轮轴承2031；传动轴A201一端外接电机，将电机动力传送到后端完成变形轮的形态转换，传动轴A201的另一端与锥齿轮A2011固定连接；传动轴B202中间与锥齿轮B2021固定连接，两端为蜗杆结构2022，锥齿轮B2021与传动轴A201上的锥齿轮A2011形成齿轮副连接；蜗轮203共有两个，呈左右对称分布，经蜗轮轴承2031与U型支撑架103的配合，可以绕中心定轴转动，蜗轮203与传动轴B202上的蜗杆结构2022形成配合，从而将传动轴A201的动力传递给左右两个蜗轮203，由于蜗轮203与短连杆204固定连接，因此蜗杆结构2022带动蜗轮转动，蜗轮203进一步带动短连杆204定轴转动。

如图4、图6和图8所示，变形连杆机构220共有两个，呈左右对称分布，功能为传递动力并撑起弹性履带306，完成变形轮轮态和履态之间的自由转换，其中一个变形连杆机构220包括短连杆204、长连杆205、弧形摆杆206、滚子轴A207组成；短连杆204一端与蜗轮203固定连接，随着蜗轮203的转动而定轴转动，短连杆204另一端具有一个圆柱孔；长连杆0205上下两端具有两个圆柱孔，上端的圆柱孔与短连杆204上的圆柱孔形成转动副联接，可在短连杆204的带动下移动；弧形摆杆206为圆弧形，外端半径与变形轮支撑架102外援轮廓半径相等，弧形摆杆206上具有三个圆柱孔，底端圆柱孔与变形轮支撑架102上的圆柱孔B1022形成转动副联接，使得弧形摆杆206可绕圆柱孔B1022转动；中间的圆柱孔与长连杆205下端的圆柱孔形成转动副联接，使得弧形摆杆206在长连杆205的带动下定轴摆动；

如图4、图6和图8所示，滚子轴A207共有6组，每个变形连杆机构220上安装有3组，分别安装在弧形摆杆206上的3个圆柱孔上，包括滚子A2071、滚子轴承A2072、滚子轴承B2073、垫片2074和螺栓A2075；滚子A2071经滚子轴承A2072、滚子轴承B2073和垫片2074与螺栓A2075形成转动副联接，使得滚子A2071可定轴转动。

如图2、图3、图7、图9和图10所示，履带行进装置300包括传动轴C301、齿轮组A302、齿轮组B303、齿轮组C304、履带齿轮305、弹性履带306和滚子轴B307；传动轴C301一端透过变形轮支撑架102中央的中心圆柱孔1023与电机连接，另一端与齿轮组A302固定连接；齿轮组A302随着传动轴C301定轴转动；齿轮组B303与齿轮组C304形成齿轮副联接，作用为将齿轮组A302的动力传递到齿轮组C304；齿轮组C304与齿轮组B303形成齿轮副联接，作用为传递齿轮组B303的动力；履带齿轮305与齿轮组C304固定连接，将齿轮C304传递而来的动力传递到弹性履带306上，使得弹性履带306可以绕变形轮外廓转动，从而使变形轮行进。

如图7、图9和图10所示，滚子轴B307共6组，分别安装在变形轮支撑架102上的圆柱孔A1021上，作用为使弹性履带306绕变形轮转动更为顺滑，包括滚子B3071、滚子轴承C3072、螺栓B3073；滚子B3071经滚子轴承C3072与螺栓B3073形成转动副联接，使得滚子B3071可绕螺栓B3073定轴转动。

本发明提供一种轮履式可重构变形轮，具体工作原理如下：

当本发明提供的轮履式可重构变形轮工作时，外接电机产生的动力经传动轴C301、齿轮组A302、齿轮组B303、齿轮组C304和履带齿轮305传动，带动弹性履带306绕着变形轮外廓相对转动，从而驱动变形轮运动。

本发明提供的轮履式可重构变形轮共有两种形态，分别为如图1轮式、图4履带式两种，当机器人在平直路面上向前运动时变形轮为轮式，此时变形连杆机构220的短连杆204与长连杆205重叠共线产生第一个死点，由于第一个死点的存在，轮体在运动过程中具有较高的稳定性；若前进过程中遇到障碍物，变形轮将在变形传动机构210的驱动下，短连杆204定轴转动直至短连杆204与长连杆205共线产生第二个死点位置，此时变形轮展开为履带式，弹性履带306被撑起成形状为图6所示的三角形，三角形具有较高的稳定性从而保障变形轮顺利前进，同时由于三角形的存在使机器人整体越过前方障碍物时更为容易；在变形轮的两种形态变换的过程中，履带306始终与变形轮外廓上的滚子轴A207和滚子轴B307保持紧密贴合状态。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种轮履式可重构变形轮，其特征在于：包括固定装置、轮履形态变形装置和履带行进装置；所述固定装置位于变形轮中央位置；所述轮履形态变形装置安装在所述固定装置左右两侧；

所述固定装置包括变形轮支撑架和U型支撑架；所述变形轮支撑架为变形轮的受力主体；所述U型支撑架安装在所述变形轮支撑架上并位于变形轮内部；

所述轮履形态变形装置包括变形传动机构和变形连杆结构，所述变形传动机构用于驱动所述变形连杆结构可相对于所述变形轮支撑架伸出或缩回；

所述履带行走装置的传动部分安装在所述变形轮支撑架上，弹性履带包覆于变形轮的外部轮廓并与所述变形连杆结构相接触。

2.根据权利要求1所述的轮履式可重构变形轮，其特征在于：所述固定装置还包括有保护壳，所述保护壳与所述变形轮支撑架之间形成空腔，所述轮履形态变形装置的变形传动机构和所述履带行进装置的传动部分均设置于该空腔内。

3.根据权利要求1所述的轮履式可重构变形轮，其特征在于：所述变形传动机构包括传动轴A、传动轴B、锥齿轮A、锥齿轮B、蜗杆、蜗轮和蜗轮轴承；所述传动轴A一端与锥齿轮A固定连接；所述传动轴B中间安装有锥齿轮B，所述锥齿轮A和锥齿轮B相啮合；传动轴B的两端为蜗杆结构，所述蜗轮共有两个，两个蜗轮通过蜗轮轴承配合安装在U型支撑架上，且两个蜗轮分别与传动轴B上的蜗杆结构相配合。

4.根据权利要求3所述的轮履式可重构变形轮，其特征在于：所述变形连杆机构共有两组，两组变形连杆机构对称分布在变形轮的两侧，所述变形连杆机构包括短连杆、长连杆、弧形摆杆和滚子轴A；所述短连杆与所述蜗轮同轴安装并随着蜗轮的转动而定轴转动；所述长连杆的一端与短连杆的末端相连接，另一端通过滚子轴A与所述弧形摆件相连接；圆弧形的所述弧形摆杆可随着长连杆的移动而定轴摆动。

5.根据权利要求4所述的轮履式可重构变形轮，其特征在于：所述滚子轴A共有6组，每个变形连杆机构上安装有3组，分别安装在弧形摆杆上的3个圆柱孔上，所述滚子轴A包括滚子A、滚子轴承A、滚子轴承B、垫片和螺栓A；所述滚子A经滚子轴承A、滚子轴承B和垫片与螺栓A形成转动副联接，使得所述滚子A可绕所述螺栓A定轴转动。

6.根据权利要求1所述的轮履式可重构变形轮，其特征在于：所述履带行进装置包括传动轴C、齿轮组A、齿轮组B、齿轮组C和履带齿轮；所述传动轴C一端通过变形轮支撑架中央的中心圆柱孔与电机连接，另一端与齿轮组A固定连接；所述齿轮组A随着传动轴C定轴转动；所述齿轮组B与齿轮组C形成齿轮副联接，所述履带齿轮与齿轮组C固定连接，将齿轮C传递而来的动力传递到弹性履带上，使得弹性履带可绕变形轮外廓转动，从而使变形轮行进。

7.根据权利要求6所述的轮履式可重构变形轮，其特征在于：所述履带行进装置还包括滚子轴B，所述滚子轴B共6组，分别安装在变形轮支撑架上的圆柱孔上，所述滚子轴B包括滚子B、滚子轴承C、螺栓B；所述滚子B经滚子轴承C与螺栓B形成转动副联接，所述滚子B可绕螺栓B定轴转动。

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