CN114590075B - 适用于轮式移动系统的凸轮协同变辐装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于轮式移动系统的凸轮协同变辐装置，包括形成凸轮机构的变辐盘、变辐销和轮辐，所述轮辐通过变辐销可展开或收拢的连接于变辐盘，所述变辐盘上具有以等速螺线方程曲线作为凸轮轮廓曲线开设于变辐盘的凸轮槽，所述变辐销可被限位的活动连接于凸轮槽，还包括为变辐盘提供动力的动力源以及使辐轮按照既定轨迹运动的轮架，提高了变辐过程的可靠性，增加行驶平顺性与稳定性，进一步提高了变辐轮的地形适应能力。

Description

适用于轮式移动系统的凸轮协同变辐装置

技术领域

本发明涉及移动探测领域，具体涉及一种适用于轮式移动系统的凸轮协同变辐装置。

背景技术

星表探测机器人是在复杂的非结构化星球表面环境中执行探测任务的机器人，它是目前人类探测星球最直接、最有效的工具；恶劣的星表环境对轮式移动系统的移动性能提出了更高的要求；因此，星球移动探测机器人必须具有优越的移动性能和较强的自适应运动系统，这也是星表探测的核心技术之一；轮式机器人因具有移动速度快、效率高等优点，得到了广泛的研究和应用，目前成功开展地外天体探测的机器人均采用轮式结构；轮式移动机器人的车轮决定了探测机器人在星球表面的通过能力，具有直径足够大的车轮是保证其越障性能的必要条件，然而，探测机器人的整体质量和规格受到运载火箭有效载荷和空间的严格限制，因此车轮的尺寸也受到限制；变辐车轮在变辐前占用发射空间小，变辐后越障性能好，能很好地满足月面探测任务对探测机器人车轮的要求；且相比普通车轮，装载变辐车轮的探测机器人可通过改变车轮直径调整车身姿态并在斜坡上获得更好的横、纵向稳定性。

国内外许多研究机构都依据不同的探测目标和适用环境研制了各式各样的新型变辐车轮；根据变辐原理不同，大致可分为充气变辐轮、导杆伸缩轮和铰链变辐轮；充气变辐轮车轮形状有盘形、球形和环形三种；其变辐方式均为充入惰性气体展开聚乙烯纤维轮辐，这种方式有效地减少了整轮的质量和体积，但需要特殊的充气装置，且车轮承载能力有限、轮径只能增大不能减小；导杆伸缩轮的共同点是导杆与轮缘相连，通过导杆伸缩使车轮变形，其结构比较复杂，可靠性较低；铰链变辐轮一般由较多的转动副和折叠支撑杆组成，此类变辐轮轮展比大，变辐前占用空间小，但结构复杂，不易控制；此外，还有某设计局研究的扇形变辐车轮，该车轮的变辐方式和扇子折叠一样，这种车轮结构复杂，并且折叠起来的车轮形状不能行走；某航天局ESA研发的变辐车轮，利用气压杆实现车轮展开，并改变探测机器人移动系统行进方式；目前已研制的变辐轮大多结构复杂、可靠性低，难以实际应用，如导杆伸缩轮需要多驱动控制协调，此外，变辐后轮径增加，轮面周长增加，导致原有的圆形车轮产生多边形效应，行驶平顺性不佳，且易出现受力集中现象，使得车轮轮辐承载的不均匀性增加，对轮辐的结构安全性和稳定性造成极大影响，降低了变辐轮环境适应性。

针对此问题，本文在结合径向同步机构和凸轮机构运动原理的基础上，提出了一种适用于轮式移动系统的凸轮协同变辐装置，提高了变辐过程的可靠性，增加行驶平顺性与稳定性，进一步提高了变辐轮的地形适应能力。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供适用于轮式移动系统的凸轮协同变辐装置，能够提高变辐过程的可靠性，增加行驶平顺性与稳定性，进一步提高了变辐轮的地形适应能力。

本发明的适用于轮式移动系统的凸轮协同变辐装置，包括形成凸轮机构的变辐盘、变辐销、轮辐以及使辐轮按照既定轨迹运动的轮架，所述轮辐通过变辐销可展开或收拢的连接于变辐盘，所述变辐盘上具有以等速螺线方程曲线作为凸轮轮廓曲线开设于变辐盘的凸轮槽，所述变辐销可被限位的活动连接于凸轮槽，还包括为变辐盘提供动力的传动机构。

进一步，所述凸轮机构为多组和/或凸轮机构上具有多条凸轮槽，以使得轮辐至少为两个，两个所述轮辐展开后在轴向投影上的轮廓线连接或部分重合形成径向封闭的环状。

进一步，所述轮辐包括立柱和轮缘，所述立柱呈条状，所述轮缘和变辐销分别连接于立柱的两端；所述轮架至少包括套设于立柱的立柱套管，所述立柱套管上具有导向槽，所述变辐销穿设于导向槽将轮辐活动的限位于变辐盘。

进一步，所述导向槽为开设于立柱套管的直线形槽，该直线的延长线穿过等速螺线方程的原点，所述变辐盘上具有多条凸轮槽，多条凸轮槽对应的等速螺线方程的原点位于同一点，每个凸轮槽内对应设置一组定位销和轮辐，每组定位销和轮辐对应一根立柱套管，在轴向的投影上多根立柱套管的末端相交于等速螺线方程的原点，每两根相邻的立柱套管通过撑杆连接构成所述轮架，所述变辐销向凸轮轮廓曲线的起点靠近时轮辐收拢，所述变辐销向凸轮轮廓曲线的终点靠近时轮辐展开。

进一步，还包括位于变辐销和对应凸轮槽的内壁之间的防护件。

进一步，所述防护件转动套设于变辐销，且滚动设置于对应的凸轮槽内；所述凸轮槽上具有用于支撑防护件的承台，所述变辐销上具有将防护件限位于承台的凸缘。

进一步，所述轮缘的外轮廓为弧面，轮辐收拢时若干个弧面的最远端位于以等速螺线方程的原点为圆心的内圆上，轮辐展开时若干个弧面的最远端位于以等速螺线方程的原点为圆心的外圆上。

进一步，所述传动机构至少包括动力源和轮轴，所述轮轴穿设于等速螺线方程的原点将变辐盘和轮架同轴连接，所述动力源为变辐盘提供转动的动力。

进一步，所述凸轮机构为两组，两组凸轮机构中的轮辐展开时，若干个所述轮辐在轴向投影上的轮廓线连接形成径向封闭的环状。

进一步，所述传动机构通过机架设置于两组所述凸轮机构中的其中一个轮架上，所述机架位于两组所述凸轮机构之间；所述传动机构还包括传动配合的蜗轮和蜗杆，所述动力源将动力输入至蜗杆传递至蜗轮，所述蜗轮通过变辐筒套设安装于轮轴，变辐筒沿轴向的两端分别安装有两组所述凸轮机构对应的两个所述变辐盘，所述变辐筒沿轴向投影的外轮廓为多边形。

本发明的有益效果是：本发明公开的一种适用于轮式移动系统的凸轮协同变辐装置，包括形成凸轮机构的变辐盘、变辐销、轮辐以及使辐轮按照既定轨迹运动的轮架，其中变辐盘做为凸轮机构中的盘形凸轮、变辐销和轮辐做为凸轮机构中的滚子从动件、轮架作为凸轮机构中的机架，以使得变辐盘、变辐销、轮辐和轮架组装后形成凸轮机构；由于凸轮机构具备构件数量少、结构简单、紧凑和设计方便的特点，且合理地设计凸轮的轮廓曲线即可使从动件获得预期的运动规律，所以满足特定情况以及特定场合下轮式移动系统中变辐装置的应用，该特定情况至少包括前述在星表探测领域中应用于紧凑空间的情况，所述轮辐通过变辐销可展开或收拢的连接于变辐盘，所述变辐盘上具有以等速螺线方程曲线作为凸轮轮廓曲线开设于变辐盘的凸轮槽，所述变辐销可被限位的活动连接于凸轮槽，变辐盘采用等速螺线方程曲线作为凸轮理论廓线，所述等速螺线方程以及等速螺线方程曲线均属于现有技术，在此不再赘述，本方案截取等速螺线方程曲线的部分形成凸轮槽，使得轮辐通过变辐销以及轮架的配合按照既定轨迹运动，将变辐盘的旋转运动转换为轮辐的径向直线平移，改变轮辐的轮径增大或缩小，可变轮辐的变辐过程更加平稳，变辐销与变辐盘之间没有冲击，采用等速螺线方程曲线作为凸轮理论廓线使得轮辐运动过程的平顺性更优，具备小扭矩、高机械效率的优势，能量的利用效率高的优势，还包括为变辐盘提供动力的传动机构。本方案中形成凸轮机构的各构件使得整体装置，具备尺寸小、伸缩平顺、结构简单、可靠性高以及适应性强的特点，相比于现有技术，实现了轻质可靠，且尺寸低、能量利用率高在同一变辐装置中应用的完美结合。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明轮辐收拢的结构示意图；

图2为本发明轮辐展开的结构示意图；

图3为本发明传动机构安装于轮架的结构示意图；

图4为本发明变辐盘的结构示意图；

图5为本发明轮辐收拢的主视结构示意图；

图6为本发明轮辐展开的主视结构示意图；

图7为本发明图6的A-A向结构示意图。

1—轮架，2—变辐盘，3—一体式轮辐，4—轴承，5—蜗杆，6—电机，7—电机架，8—平键，9—轮轴，10—挡圈，11—轴瓦，12—变辐筒，13—蜗轮

具体实施方式

图1为本发明的结构示意图，如图所示，所述的轴向即为变辐盘的轴向，所述的径向即为变辐盘的径向，在此不再赘述；本实施例中的适用于轮式移动系统的凸轮协同变辐装置包括形成凸轮机构的变辐盘2、变辐销14、轮辐以及使辐轮按照既定轨迹运动的轮架1，其中变辐盘2做为凸轮机构中的盘形凸轮、变辐销14和轮辐做为凸轮机构中的滚子从动件、轮架1作为凸轮机构中的机架，以使得变辐盘2、变辐销14、轮辐和轮架1组装后形成凸轮机构；由于凸轮机构具备构件数量少、结构简单、紧凑和设计方便的特点，且合理地设计凸轮的轮廓曲线即可使从动件获得预期的运动规律，所以满足特定情况以及特定场合下轮式移动系统中变辐装置的应用，该特定情况至少包括前述在星表探测领域中应用于紧凑空间的情况，所述轮辐通过变辐销14可展开或收拢的连接于变辐盘2，所述变辐盘2上具有以等速螺线方程曲线作为凸轮轮廓曲线开设于变辐盘2的凸轮槽，所述变辐销14可被限位的活动连接于凸轮槽，变辐盘2采用等速螺线方程曲线作为凸轮理论廓线，所述等速螺线方程以及等速螺线方程曲线均属于现有技术，在此不再赘述，本方案截取等速螺线方程曲线的部分形成凸轮槽，使得轮辐通过变辐销以及轮架1的配合按照既定轨迹运动，将变辐盘2的旋转运动转换为轮辐的径向直线平移，改变轮辐的轮径增大或缩小，可变轮辐的变辐过程更加平稳，变辐销14与变辐盘2之间没有冲击，采用等速螺线方程曲线作为凸轮理论廓线使得轮辐运动过程的平顺性更优，具备小扭矩、高机械效率的优势，能量的利用效率高的优势，还包括为变辐盘2提供动力的传动机构。本方案中形成凸轮机构的各构件使得整体装置，具备尺寸小、伸缩平顺、结构简单、可靠性高以及适应性强的特点，相比于现有技术，实现了轻质可靠，且尺寸低、能量利用率高在同一变辐装置中应用的完美结合。

本实施例中，所述凸轮机构为多组和/或凸轮机构上具有多条凸轮槽，所述和/或的含义即为所述凸轮机构可以是多组；或者一组凸轮机构上具有多条凸轮槽；或者具有多组凸轮机构，其中每组凸轮机构上具有多条凸轮槽的结合；以使得轮辐至少为两个，两个所述轮辐展开后在轴向投影上的轮廓线连接或部分重合形成径向封闭的环状。两个所述轮辐展开后可形成沿径向封闭的环状，提高变辐装置转动运动的效率，当然所述轮辐的数量取决于需要设置的数量，以满足不同结构的应用，在此不再赘述；本方案中所述的环状为圆环，实际应用时可根据不同的应用场所形成矩形环或椭圆环等环状构造，在此不再赘述；更进一步的，所述轮辐的轮缘为定型的结构，在轮辐展开或收拢过程中，仅由变辐销驱动辐轮做既定轨迹的运动即可，提高结构的紧凑性，同时降低零部件的使用数量，使得整体结构更加简洁，提高运动可靠性和结构强度。

本实施例中，所述轮辐包括立柱和轮缘，所述立柱呈条状，所述轮缘和变辐销14分别连接于立柱的两端；所述轮架1至少包括套设于立柱的立柱套管，所述立柱套管上具有导向槽，所述变辐销14穿设于导向槽将轮辐活动的限位于变辐盘2。如图所示的，立柱和轮缘连接形成一体式轮辐3并与轮架1上的立柱套管形成直线滑动机构，将变辐盘2的旋转运动转换为轮辐的径向直线平移，具备小扭矩、高机械效率的优势，系统运行稳定性强，且零部件连接紧凑，运行简单。

本实施例中，所述导向槽为开设于立柱套管的直线形槽，该直线的延长线穿过等速螺线方程的原点，所述变辐盘2上具有多条凸轮槽，多条凸轮槽对应的等速螺线方程的原点位于同一点，每个凸轮槽内对应设置一组定位销和轮辐，每组定位销和轮辐对应一根立柱套管，在轴向的投影上多根立柱套管的末端相交于等速螺线方程的原点，每两根相邻的立柱套管通过撑杆连接构成所述轮架1，所述撑杆连接于立柱套管的首端，所述变辐销14向凸轮轮廓曲线的起点靠近时轮辐收拢，所述变辐销14向凸轮轮廓曲线的终点靠近时轮辐展开。如图所示，轮架1包括若干根连接的立柱套管和撑杆，且轮架1与变辐盘2同轴心安装，以使得提高轮架1与变辐盘2的协作顺畅性，起到提高运行效率的效果。

本实施例中，还包括位于变辐销14和对应凸轮槽的内壁之间的防护件。变辐销14外套轴承4，置于变辐盘2中，轴承4将变辐销14与变辐盘2间的摩擦变为滚动摩擦，且增加了变辐销14的强度；变辐时，电机6驱动蜗杆5转动，蜗杆5驱使蜗轮13与变辐筒12转动，变辐筒12带动变辐盘2旋转，变辐盘2的凸轮轮廓使变辐销14移动、轮辐在轮架1中上下滑动，从而改变变辐轮直径，所述的防护件还可是润滑变辐销的自润滑材料等，使得提高变辐销运动的顺畅性为宜，在此不再赘述。

本实施例中，所述防护件转动套设于变辐销14，且滚动设置于对应的凸轮槽内；所述凸轮槽上具有用于支撑防护件的承台，所述变辐销14上具有将防护件限位于承台的凸缘。所述防护件为套设于变辐销的轴承4，轴承4的外圈与凸轮槽的径向内壁接触连接，且轴承4沿轴向被限位在承台和凸缘之间，提高变辐销在凸轮槽内的滑动，提高运行效率。

本实施例中，所述轮缘的外轮廓为弧面，轮辐收拢时若干个弧面的最远端位于以等速螺线方程的原点为圆心的内圆上，轮辐展开时若干个弧面的最远端位于以等速螺线方程的原点为圆心的外圆上。如图所示，轮缘的外轮廓为弧面，弧面内设有交叉的支撑肋，立柱即连接于支撑肋的交点，结构简单满足支撑性条件，且轮辐展开和收拢条件下均具备滚动的功能，通过变辐调节轮辐径向尺寸，并且多个轮辐的运动轨迹相同同时展开或收拢，具备适应性强以及结构稳定性优的特点。

本实施例中，所述传动机构至少包括动力源和轮轴9，所述轮轴9穿设于等速螺线方程的原点将变辐盘2和轮架1同轴连接，所述动力源为变辐盘2提供转动的动力。所述的动力源为电机6，变辐盘2和轮架1同轴连接使得二者的运动稳定性得到提升。

本实施例中，所述凸轮机构为两组，两组凸轮机构中的轮辐展开时，若干个所述轮辐在轴向投影上的轮廓线连接形成径向封闭的环状。如图所示，两组凸轮机构中的轮辐沿轴向的投影错位布置，使得两组凸轮机构展开状态下，轮辐连接的轮廓线呈径向封闭的环状，此环状近似圆形，提高轮辐运动的顺畅性，降低运动阻力。

本实施例中，所述传动机构通过机架设置于两组所述凸轮机构中的其中一个轮架1上，所述机架位于两组所述凸轮机构之间；所述传动机构还包括传动配合的蜗轮13和蜗杆5，所述动力源将动力输入至蜗杆5传递至蜗轮13，蜗轮13蜗杆5传动机构具有自锁功能，可以在变辐后锁定轮辐位置，所述蜗轮13通过变辐筒12套设安装于轮轴9，变辐筒12沿轴向的两端分别安装有两组所述凸轮机构对应的两个所述变辐盘2，变辐筒12作为连接件连接蜗轮13蜗杆5传动机构与凸轮顶杆机构，所述变辐筒12沿轴向投影的外轮廓为多边形。多边形外轮廓的变辐筒12可提高于变辐盘2和蜗轮13的连接强度，整体变辐装置由轮辋模块和变辐模块组成，轮辋模块由轮轴9和轮架1组成，轮轴9将两个相同轮架1成角度连接为一体，用于固定轮架1位置的挡圈10位于轮架1外侧，轮架1由与轮轴9固定的六棱柱轮毂、轮辐套筒和撑杆连接构成，六棱柱轮毂沿径向的每个侧面对应立置一个圆柱形轮辐套筒，相邻套筒间有撑杆，以保证轮架1刚性与稳定性，轮轴9与轮架1之间依靠平键8传递动力；变辐模块包含内置电机6、蜗轮13蜗杆5、变辐筒12、变辐盘2与轮辐；变辐模块采用电机6为动力源驱动蜗轮13蜗杆5，变辐筒12、变辐盘2、蜗轮13层层套在轮轴9上，轮轴9与变辐筒12间放置轴瓦11，以减小摩擦，变辐盘2固定在变辐筒12的两端，轮辐通过变辐销14固定在变辐盘2凸轮中。

变辐原理：电机6驱动蜗杆5转动，蜗杆5驱动蜗轮13转动，蜗轮13带动变辐筒12转动，变辐筒12带动变辐盘2转动，变辐盘2转动使一体式轮辐3伸缩，完成轮式移动系统的变辐应用。

传动路径：电机6——蜗杆5——蜗轮13——变辐筒12——变辐盘2——一体式轮辐3。

由于本方案变辐轮的凸轮机构为1个凸轮(变辐盘2)带动6个均布的从动件(变辐销和轮辐的组合)，需要凸轮槽与凸轮槽之间有足够的距离来保证结构强度，对凸轮轮廓线的形状与位置做出了很大限制；并且为避免凸轮机构锁死与机械效率偏低，一般规定最大压力角小于等于35°，常见的凸轮轮廓线难以同时达到这两个要求；在诸多凸轮轮廓线中，等速螺线轮廓线由于具有等进性，可使从动件做匀速运动，所以在本方案中起到了重要的应用价值。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种适用于轮式移动系统的凸轮协同变辐装置，其特征在于：包括形成凸轮机构的变辐盘、变辐销、轮辐以及使辐轮按照既定轨迹运动的轮架，所述轮辐通过变辐销可展开或收拢的连接于变辐盘，所述变辐盘上具有以等速螺线方程曲线作为凸轮轮廓曲线开设于变辐盘的凸轮槽，所述变辐销可被限位的活动连接于凸轮槽，还包括为变辐盘提供动力的传动机构；

所述凸轮机构为多组和/或凸轮机构上具有多条凸轮槽，以使得轮辐至少为两个，两个所述轮辐展开后在轴向投影上的轮廓线连接或部分重合形成径向封闭的环状；

所述轮辐包括立柱和轮缘，所述立柱呈条状，所述轮缘和变辐销分别连接于立柱的两端；所述轮架至少包括套设于立柱的立柱套管，所述立柱套管上具有导向槽，所述变辐销穿设于导向槽将轮辐活动的限位于变辐盘；

所述导向槽为开设于立柱套管的直线形槽，该直线的延长线穿过等速螺线方程的原点，所述变辐盘上具有多条凸轮槽，多条凸轮槽对应的等速螺线方程的原点位于同一点，每个凸轮槽内对应设置一组定位销和轮辐，每组定位销和轮辐对应一根立柱套管，在轴向的投影上多根立柱套管的末端相交于等速螺线方程的原点，每两根相邻的立柱套管通过撑杆连接构成所述轮架，所述变辐销向凸轮轮廓曲线的起点靠近时轮辐收拢，所述变辐销向凸轮轮廓曲线的终点靠近时轮辐展开。

2.根据权利要求 1 所述的适用于轮式移动系统的凸轮协同变辐装置，其特征在于：还包括位于变辐销和对应凸轮槽的内壁之间的防护件。

3.根据权利要求 2 所述的适用于轮式移动系统的凸轮协同变辐装置，其特征在于：所述防护件转动套设于变辐销，且滚动设置于对应的凸轮槽内；所述凸轮槽上具有用于支撑防护件的承台，所述变辐销上具有将防护件限位于承台的凸缘。

4.根据权利要求 1 所述的适用于轮式移动系统的凸轮协同变辐装置，其特征在于：所述轮缘的外轮廓为弧面，轮辐收拢时若干个弧面的最远端位于以等速螺线方程的原点为圆心的内圆上，轮辐展开时若干个弧面的最远端位于以等速螺线方程的原点为圆心的外圆上。

5.根据权利要求 1 所述的适用于轮式移动系统的凸轮协同变辐装置，其特征在于：所述传动机构至少包括动力源和轮轴，所述轮轴穿设于等速螺线方程的原点将变辐盘和轮架同轴连接，所述动力源为变辐盘提供转动的动力。

6.根据权利要求 5 所述的适用于轮式移动系统的凸轮协同变辐装置，其特征在于：所述凸轮机构为两组，两组凸轮机构中的轮辐展开时，若干个所述轮辐在轴向投影上的轮廓线连接形成径向封闭的环状。

7.根据权利要求 6 所述的适用于轮式移动系统的凸轮协同变辐装置，其特征在于：所述传动机构通过机架设置于两组所述凸轮机构中的其中一个轮架上，所述机架位于两组所述凸轮机构之间；所述传动机构还包括传动配合的蜗轮和蜗杆，所述动力源将动力输入至蜗杆传递至蜗轮，所述蜗轮通过变辐筒套设安装于轮轴，变辐筒沿轴向的两端分别安装有两组所述凸轮机构对应的两个所述变辐盘，所述变辐筒沿轴向投影的外轮廓为多边形。