輻條旋轉變形式輪履腿復合行走裝置的制作方法

本發明主要涉及到機器行走裝置領域，特指一種輻條旋轉變形式輪履腿復合行走裝置，尤其適用于移動機器人、工程車輛等領域。

背景技術：

眾所周知，用于火災、礦難、核泄漏等危險作業的小型地面移動機器人以其體積小、成本低、生存能力強、運動靈活等特點成為移動機器人研究領域的又一熱點。移動機器人最基本的行走方式有輪式、履帶式及腿式三種：其中輪式結構運行平穩、高速高效，然而其越障能力、適應復雜地形的能力卻非常有限；履帶式行走裝置接地比壓小，能夠適應沙土、泥濘等松軟地形，但同時也存在轉彎性較差、速度及效率較低等缺點；腿式結構具有越障能力強、適應性好的優點，但是其行進速度低、能耗高。

有從業者，提出一種輪履腿復合形式的結構，它包括底盤和行進驅動機構，行進驅動機構包括行進動力裝置、履帶驅動輪和履帶從動輪，底盤上安裝有三個以上變形輪部件，變形輪部件包括變形輪圈和變形切換機構，變形輪圈包括由多個弧形輪圈片首尾鉸接相連成一個輪圈，輪圈的外側包裹有履帶，履帶用來與履帶驅動輪和履帶從動輪發生配合形成履帶驅動狀態；變形切換機構采用的是絲杠螺母推動“x”交叉型伸縮桿的鉸接點，以驅動輪圈變形。也就是說，在驅動下可以通過伸縮令相鄰弧形輪圈片之間發生位移從而改變輪圈的形狀和行進姿態。在圓輪模式下，“x”交叉型伸縮桿的四個端點分別對四段圓弧輪圈形成支撐，起到輻條的作用，之所以要做成可伸縮的，是因為輪圈由圓形變為“∞形”的過程中，兩相對的支撐點之間的距離l是不斷變化的。

通過長期的研究發現，上述方案在實踐過程中仍然存在一些難以解決的問題：

1、由于變形輪的輪圈被分成了四段，因此必須在四個圓弧鉸接點形成支撐，才能使輪圈保持圓形。上述方案雖然在水平方向上的兩個鉸接點有輪架作為支撐，但是在豎直方向上的兩個鉸接點卻并沒有。雖然“x”型的輻條支撐于相鄰的兩個交接點之間，但是為了輪圈能夠變形，輪架和輻條都是可以伸長的，因此輪架和輻條都只能給輪圈提供支撐力卻不能提供拉力，這都使得輪圈在豎直方向上缺乏保持力。當水平方向受到擠壓力時，輪圈能夠在輪架的支撐下保持圓形；而當豎直方向受到擠壓力時，輪圈則容易發生變形。

2、由于對伸縮桿長度變化規律的限制，使得伸縮桿對輪圈的支撐點位置距離輪圈的受力點較遠，經計算可得，這就導致“x”型輻條對輪圈的支撐效果并不好，即輪圈的輪圈結構的受力性能不好。

3、“x”型輻條采用伸縮桿，包含有滑動副，當滑動副配合較緊密時，容易導致卡死，伸縮不靈活使得變形不可靠；當滑動副配合較為松動時，運動副間的間隙較大，使得伸縮桿的晃動大，導致整個輪圈結構的空程增大，即輪圈不能夠保持圓形，會降低運動精度與結構可靠度。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題就在于：針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種結構簡單緊湊、運動方式靈活、地形適應能力強的輻條旋轉變形式輪履腿復合行走裝置。

為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案：

一種輻條旋轉變形式輪履腿復合行走裝置，包括輪圈、行進驅動機構和變形輪部件，所述輪圈的外側包裹有履帶，所述行進驅動機構包括驅動電機、履帶驅動輪和履帶從動輪，所述履帶驅動輪和履帶從動輪固定于固定輪架上，所述固定輪架沿著輪圈的徑向方向布置且兩端與輪圈接觸形成支撐；所述變形輪部件包括變形輻條和變形電機，所述變形輻條為兩根以上，呈交叉狀布置并連接于輪圈的中心位置，所述變形輻條的兩端分別于位于輪圈上開設的滑槽內，所述滑槽沿著輪圈的周向方向開設；所述變形電機的輸出端與變形輻條相連，并用來驅動變形輻條轉動，以改變相鄰變形輻條之間的夾角，所述變形輻條在滑槽內轉動令輪圈改變形狀。

作為本發明的進一步改進：所述滑槽開設于輪圈的側面，為沿輪圈圓周方向的弧形滑槽。

作為本發明的進一步改進：每根所述變形輻條的兩端均設有柱狀凸起，所述柱狀凸起分別嵌于輪圈的滑槽內。

作為本發明的進一步改進：所述變形輻條為兩根，通過交叉布置形成x狀。

作為本發明的進一步改進：所述輪圈在周向方向上分成若干瓣弧形輪圈片，所述弧形輪圈片之間采用鉸接的方式。

作為本發明的進一步改進：所述輪圈包括由多個弧形輪圈片首尾鉸接相連而成，所述輪圈的外側包裹有履帶，所述履帶用來與履帶驅動輪和履帶從動輪發生配合形成履帶驅動狀態。

作為本發明的進一步改進：所述弧形輪圈片的數量與變形輻條與輪圈的接觸支撐點數量一致。

作為本發明的進一步改進：所述變形輻條與輪圈的接觸支撐點位于弧形輪圈片之間的鉸接點附近處。

與現有技術相比，本發明的優點在于：

1、本發明的輻條旋轉變形式輪履腿復合行走裝置，令行進驅動方式更加簡單，大大減少了傳動機構，不僅簡化了結構，還能提高驅動效率；通過去掉了伸縮桿的滑動副，使得機構更加可靠。

2、本發明的輻條旋轉變形式輪履腿復合行走裝置，在豎直方向的鉸接點處設置變形輻條，直接為其提供支撐力。當在圓輪模式下時，變形輻條對輪圈的支撐點可以很靠近輪圈的受力點，這樣能夠對輪圈形成很好地支撐作用，較好地改善了輪圈的受力結構。

3、本發明的輻條旋轉變形式輪履腿復合行走裝置，履帶接地長度大，降低了接地比壓，同時進一步將單支撐輪組改為多支撐輪組，使得底盤支撐點向履帶裝置中間靠近，不僅增大了履帶接地長度，還使得履帶接地段受力更加均勻，有效降低了履帶裝置的接地比壓。

附圖說明

圖1是本發明在具體應用實例中的結構原理示意圖。

圖2是本發明在具體應用實例中的立體分解結構示意圖。

圖3是本發明在具體應用實例中處于輪式模式時變形輪部件的結構原理示意圖。

圖4是本發明在具體應用實例中處于腿式模式時變形輪部件的結構原理示意圖。

圖5是本發明在具體應用實例中處于輪式模式時變形輪部件的立體結構示意圖。

圖6是本發明在具體應用實例中處于履式模式時變形輪部件的結構原理示意圖。

圖例說明：

1、輪圈；2、變形電機；3、變形輻條；4、滑槽；5、驅動電機；6、履帶驅動輪；7、履帶從動輪；8、固定輪架；10、履帶；101、弧形輪圈片。

具體實施方式

以下將結合說明書附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明。

如圖1～圖6所示，本發明的輻條旋轉變形式輪履腿復合行走裝置，包括輪圈1、行進驅動機構和變形輪部件，該行進驅動機構包括驅動電機5、履帶驅動輪6和履帶從動輪7，履帶驅動輪6和履帶從動輪7固定于固定輪架8上，固定輪架8沿著輪圈1的徑向方向布置且兩端與輪圈1接觸形成支撐。變形輪部件包括變形輻條3和變形電機2，變形輻條3為兩根以上，呈交叉狀布置并連接于輪圈1的中心位置，變形輻條3的兩端分別于位于輪圈1上開設的滑槽4內，該滑槽4沿著輪圈1的周向方向開設。變形電機2的輸出端與變形輻條3相連，并用來驅動變形輻條3轉動，以改變相鄰變形輻條3之間的夾角，變形輻條3在滑槽4內轉動，最終令輪圈1改變形狀，從而形成圓輪、履帶或者直腿。這樣變形輪部件2就可根據工作地形的不同分別以圓輪、履帶或者直腿的方式行進，能夠適應各種復雜地形，具有很強的機動能力和越障能力。

在具體應用實例中，滑槽4開設于輪圈1的側面，為沿輪圈1圓周方向的弧形滑槽4，每根變形輻條3的兩端均設有柱狀凸起，柱狀凸起分別嵌于輪圈1的滑槽4內。

在本實施例中，變形輻條3為兩根，通過交叉布置形成x狀。當輪圈1處于圓輪狀態時，兩變形輻條3向中間靠攏，嵌于滑槽4內的柱狀凸起對輪圈1起支撐作用。當需要切換運動模態時，變形電機2驅動兩根變形輻條3旋轉，當柱狀凸起到達滑槽4的另一端時便推動輪圈1與變形輻條3一起展開，最終變為履帶模式。可以理解，變形輻條3的數量可以根據實際需要來選擇，以滿足輪圈1實際變形的需要，這都應在本發明的保護范圍之內。從多根變形輻條3的設計來看，實際上是將傳統單支撐輪組改為多支撐輪組，使得底盤支撐點向履帶裝置中間靠近。

在具體應用實例中，圓輪模式還可設計成完全中心對稱結構，這將更加有利于行進時的動平衡。

在具體應用實例中，輪圈1在周向方向上分成若干瓣弧形輪圈片101，弧形輪圈片101之間采用鉸接的方式，鉸接點處可以形成彎折，以保證輪圈1的變形，滿足最終輪圈1形態的需要。如，輪圈1可以包括由多個弧形輪圈片101首尾鉸接相連成一個輪圈1，輪圈1的外側包裹有履帶10（如橡膠履帶），履帶10用來與履帶驅動輪6和履帶從動輪7發生配合形成履帶驅動狀態。而變形輪部件可以令相鄰弧形輪圈片101之間發生位移從而改變輪圈1的形狀，從而形成圓輪、履帶或者直腿。

在較佳的實施例中，變形輻條3與輪圈1的接觸支撐點位于弧形輪圈片101之間的鉸接點附近處。

在具體應用實例中，固定輪架8呈水平方向布置，變形輻條3可轉動至豎直方向。

也正是采用了本發明的上述結構形式，令行進驅動方式更加簡單，大大減少了傳動機構，不僅簡化了結構，還能提高驅動效率。本發明在豎直方向的鉸接點處設置變形輻條3，直接為其提供支撐力。當在圓輪模式下時，變形輻條3對輪圈1的支撐點可以很靠近輪圈1的受力點，這樣能夠對輪圈1形成很好地支撐作用，較好地改善了輪圈1的受力結構。在上述結構中，履帶10接地長度大，降低了接地比壓，同時進一步將單支撐輪組改為多支撐輪組，使得底盤支撐點向履帶裝置中間靠近，不僅增大了履帶10接地長度，還使得履帶10接地段受力更加均勻，有效降低了履帶裝置的接地比壓。

將本發明應用于移動機器人之后，使得移動機器人能夠根據所處地狀況不同分別以圓輪、履帶或者直腿的形式行進，既能以輪式運動模式在平坦硬路面運動，也能以履帶式運動模式在松軟地形上行走，還能夠以腿式運動模式在崎嶇不平的地形行走，能夠以合理的運動模式在不同復雜地面高效地運動。在較為平坦地形行進時，變形輪的輪圈1呈圓形，橡膠履帶10包裹在輪圈1之上充當“輪胎”，機器人為輪式模式。在較為松軟的地形行進時，變形輪的輪圈1呈“∞形”，履帶驅動輪6、履帶從動輪7以及承重輪將橡膠履帶10支起，形成履帶式行走裝置，使得整個履帶行走裝置前進。在亂石及臺階的崎嶇地形行進時，變形輪的輪圈1呈“∞形”，整個腿式結構繞著輸入軸公轉，機器人以直腿方式行進。本發明的方案新穎，輪、履、腿式之間相互切換方便，結構簡單，行進速度快、能耗低、機動能力強，爬坡、越障、跨溝能力強。

以上僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發明思路下的技術方案均屬于本發明的保護范圍。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾，應視為本發明的保護范圍。