一種具有輪爪切換功能的越障車輪的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有兩種模式的車輪，即輪式模式和爪式模式，屬于車輪技術領域。
技術背景
[0002]越障機器人最重要的兩個應用是地震的搜索救援和行星探測。據(jù)相關研究我國的青藏高原及相鄰的西北西南山地，以及華北地區(qū)，多處于地震高頻區(qū)域。這些地區(qū)活躍的地質(zhì)構成及其運動特點、復雜的地貌造成我國開展地震救援行動工作難度巨大。這就需要具有良好運動能力和越障能力的機器人代替人進入災區(qū)的危險地段進行探測搜索。隨著空間科學技術的發(fā)展，許多國家推出了行星探測計劃。行星表面充滿了不確定性，需采用行星探測車代替人類完成探測任務。又由于行星表面的凹凸不平的地形和廣袤的面積，需要探測車具有良好的越障能力，同時要具備快速移動的能力。
[0003]現(xiàn)已有發(fā)明的一類越障機器人，主要以對機器人車輪懸掛裝置的改進，沒有較好的可替換性，并且對于機器人自身結構也有一定的限制。
[0004]例如CN20150272175.2公開了一種新型樓宇環(huán)境下的作業(yè)機器人，運用雙曲柄與彈簧耦合組成的越障結構，使得機器人可以翻越較高的障礙。
[0005]還有一類越障機器人，將其運動結構由傳統(tǒng)的輪式結構轉(zhuǎn)變?yōu)槁膸交驈秃鲜浇Y構，在增強了越障能力的同時，也帶來了速度較慢、機動性較差、功耗較大等問題。
[0006]例如CN201510221657.5公開了雙絲杠結構可伸縮的越障支臂及越障機器人，采用的雙絲杠機構巧妙的達到了控制伸縮支臂伸出及保持鏈輪組鏈條漲緊的目的，性能牢固可靠;所設計的支臂可伸縮變換長度，靈活性大，可適用性更強，增加了此類越障機器人的適應性。
[0007]所以我們提出一種具有輪爪切換功能的越障車輪，并可以匹配市面上現(xiàn)有的車架。輪式狀態(tài)時可在較為平坦的地形上快速移動，爪式狀態(tài)時可在崎嶇復雜的地形中行進，兩種狀態(tài)可根據(jù)地形自動切換。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于:提供一種具有變形功能的通用性車輪。與對于傳統(tǒng)移動平臺的改進相比，通用性車輪實現(xiàn)了在不改變移動平臺主體結構的情況下，只改變車輪模式以適應不同路面的運動要求。進一步通過無線模塊控制舵機轉(zhuǎn)角。驅(qū)動車輪進行變形，改變車輪的半徑和形狀，來調(diào)整其越障能力。
[0009]本發(fā)明為可變形通用性車輪，分為車輪框架、控制結構和變形機構三個部分。整體尺寸為:輪模式下直徑180mm，爪模式下直徑307mm。有效越障高度230mm，相比傳統(tǒng)輪越障能力提升150%。
[0010]車輪框架由車輪內(nèi)盤、車輪外盤、盤間連接柱、內(nèi)六角連接塊等零件組成，起到連接固定車輪結構，連接車輪與車架的作用。內(nèi)外盤通過盤間連接柱連接，同時對連接柱進行設計使其作為變形機構的鉸接點，減少整體零件數(shù)量。各固定架設計成單獨零件，通過螺栓螺母固定在內(nèi)外盤上，減少加工成本。連接塊設計成通用內(nèi)六角孔結構，可以傳遞較大的扭矩，采用通用尺寸設計，可以配合各種平臺進行安裝。本發(fā)明的控制結構和變形機構均安裝在車輪框架上。
[0011 ]控制結構由無線接收機、舵機控制器、舵機、電池、減速齒輪組和動力輸出軸等零件組成?？刂平Y構位于車輪框架內(nèi)側(cè)，舵機與電池有專門的固定位置和支架，控制電路板位于車輪內(nèi)側(cè)，無具體位置要求，安裝位置不與機構運動軌跡發(fā)生干涉即可。控制結構通過無線接收外部控制信號，控制變形機構變形。當本發(fā)明需要進行模式轉(zhuǎn)換時，外部控制設備將舵機的轉(zhuǎn)動角度通過無線通信板發(fā)送給舵機控制器，舵機控制器產(chǎn)生與之相應的模擬控制信號，控制舵機旋轉(zhuǎn)120°，舵機額定扭矩為38kg.Cm。通過減速齒輪組(減速比為2:1)，增大輸出扭矩，使輸出額定扭矩為76kg.cm，通過主軸將動力傳送到變形機構部分。
[0012]變形機構由十字驅(qū)動盤，連桿中桿，爪子，隨動爪子，爪間固定柱等零件組成。十字驅(qū)動盤，連桿中桿，爪子組成雙搖桿機構，其中十字驅(qū)動盤為主動桿，連桿中桿為連桿，爪子為從動桿?？刂平Y構通過主軸將扭矩傳遞到十字驅(qū)動盤上，使之產(chǎn)生轉(zhuǎn)動位移，十字驅(qū)動盤轉(zhuǎn)動通過連桿中桿帶動爪子運動，控制爪子相對于車輪額定開合角度，以達到車輪模式轉(zhuǎn)換的目的。
[0013]—種具有輪爪切換功能的越障車輪，其特征在于，包括車輪框架、控制結構和變形機構三個部分，其中車輪框架主要由車輪內(nèi)盤(22)、車輪外盤(23)、盤間連接柱(I7)、內(nèi)六角連接塊(6)等零件組成，起到連接固定車輪結構，連接車輪與車架的作用。平行的車輪內(nèi)盤(22)和車輪外盤(23)之間采用多個盤間連接柱(17)支撐固定，盤間連接柱(17)均勻分布在車輪內(nèi)盤(22)和車輪外盤(23)的邊緣處，進行固定支撐；內(nèi)六角連接塊(6)固定在車輪內(nèi)盤(22)的外側(cè)面(與車體相鄰一側(cè))，車輪框架通過內(nèi)六角連接塊(6)與車體相連;盤間支撐柱(17)的兩端采用螺紋連接與車輪內(nèi)盤(22)、車輪外盤(23)連接，盤間支撐柱(17)相對車輪內(nèi)盤(22)、車輪外盤(23)固定。
[0014]控制結構主要由無線接收機(I3)、舵機控制器(14)、舵機(20)、電池(16)、減速齒輪組和中軸(7)等零件組成;車輪外盤(23)上固定有舵機(20)和電池(16)，舵機(20)和電池
(16)分別布在相對車輪外盤(23)中心對稱的位置上;舵機(20)輸出端配置一組減速齒輪組，小齒輪(12)與舵機(20)的輸出軸緊固連接;大齒輪(9)通過銷孔連接與中軸(7)緊固連接，小齒輪(12)與大齒輪(9)嚙合；中軸軸承(11)通過中軸軸承座(10)與外盤(23)緊固連接且位于外盤(23)中軸線上，中軸(7)與中軸軸承(I I)配合，中軸(7)可沿中軸軸承(I I)周向轉(zhuǎn)動，同時中軸(7)限位，使得中軸(7)相對外盤(23)只能做旋轉(zhuǎn)運動；中軸(7)與外盤(23)同軸;無線接收機(13)通過無線信號接收上位機發(fā)來的控制信號，并根據(jù)信號內(nèi)容控制舵機控制器(14)驅(qū)動舵機(20)進行運動；
[0015]變形機構主要由主動爪子(I)、從動爪子(19)、連桿(3)和十字驅(qū)動盤(4)構成，十字驅(qū)動盤(4)位于車輪外盤(23)的外側(cè)面，十字驅(qū)動盤(4)通過驅(qū)動盤銷釘(5)與中軸(7)固定連接，主動爪子(I)和從動爪子(19)均通過轉(zhuǎn)動軸承(2)和卡簧(8)與盤間支撐柱(17)連接，主動爪子(I)安裝在車輪外盤(23)的外側(cè)，從動爪子(19)安裝在車輪內(nèi)盤(22)的外側(cè)；盤間支撐柱(17)的兩端分別各有一個主動爪子(I)和對應的一個從動爪子(19)；主動爪子
(I)的一端通過連桿(3)與十字驅(qū)動盤(4)的一個端連接，連桿(3)與主動爪子(I)的連接和十字驅(qū)動盤(4)的連接均為鉸鏈連接；同時在每一組主動爪子(I)和對應的一個從動爪子之間還有一個爪間連接柱(18)，爪間連接柱(18)平行于盤間連接柱(17)，在車輪內(nèi)盤(22)的邊緣和車輪外盤(23)的邊緣均設有凹槽，使得主動爪子(I)和從動爪子(19)收攏時，爪間連接柱(18)落入對應的凹槽內(nèi)；
[0016]同時在主動爪子(I)或十字驅(qū)動盤(4)一端固定有電磁鐵銜鐵(24)，同時在車輪外盤(23)上還固定有電磁鐵(25)，電磁鐵(25)通過電磁鐵支座(26)安裝在車輪外盤(23)內(nèi)側(cè)(即靠近車體一側(cè))；電磁鐵(25)通電，能夠吸附住電磁鐵銜鐵(24)，產(chǎn)生保持力矩，將主動爪子(I)鎖死，減少舵機(20)輸出扭矩。
[0017]電池為無線接收機(13)、舵機控制器(14)、電磁鐵等提供電源。
[0018]上述具有輪爪切換功能的越障車輪轉(zhuǎn)換模式方法:
[0019]當需要變形為爪模式時，上位機發(fā)送無線信號，無線接收機(13)接收信號并控制舵機控制器(14)驅(qū)動舵機(20)正向轉(zhuǎn)動;舵機(20)通過減速齒輪組(9大齒輪，12小齒輪)驅(qū)動中軸(7)旋轉(zhuǎn)，中軸(7)帶動十字驅(qū)動盤(4)轉(zhuǎn)動；由于主動爪子(I)、連桿(3)和十字驅(qū)動盤(4)構成四連桿機構，主動爪子(I)受連桿(3)帶動打開；主動爪子(I)通過爪間連接柱
(18)帶動從動爪子(19)旋轉(zhuǎn)打開；當主動爪子(I)打開到預定位置時，固定在主動爪子(I)或十字驅(qū)動盤(4)一端上的電磁鐵銜鐵(24)接觸到電磁鐵(25)，此時電磁鐵(25)通電，吸附住電磁鐵銜鐵(24)，產(chǎn)生保持力矩，將主動爪子(I)鎖死，減少舵機(20)輸出扭矩，此時整體車輪為爪模式；
[0020]當需變形為輪模式時，上位機發(fā)送無線信號，無線接收機(13)接收信號，先使電磁鐵(25)斷路，使保持力矩消失，然后控制舵機控制器(14)驅(qū)動舵機(20)反向轉(zhuǎn)動;通過大齒輪(9)、小齒輪(12)、中軸(7)、十字驅(qū)動盤(4)和連桿(3)零件驅(qū)動主動爪子(I)收攏，同時通過爪間連接柱(18)帶動從動爪子(19)收攏;收攏時爪間連接柱(18)位于凹槽內(nèi)；此時整體車輪為輪模式。
[0021 ]主動爪子(I)和從動爪子(19)的結構均是一端為直的，另一端為弧形的。
[0022]總體而言，通過本發(fā)明所構思的以上技術方案與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點:
[0023]I)本發(fā)明注重對車輪的改進，將整體機構集中在車輪中，可以與已有機器人平臺進行搭接，更換簡單。
[0024]2)本發(fā)明可根據(jù)顛簸程度，自主切換輪式模型和爪式模式。
[0025]3)本發(fā)明重量輕、結構簡單特點，可靠性高。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明輪模式下的外形；
[0027]圖2為本發(fā)明爪模式下的外形；
[0028]圖3為本發(fā)明變形機構的曲柄搖桿機構原理圖；
[0029]圖4為本發(fā)明輪外盤內(nèi)側(cè)結構正視圖；
[0030]圖5為本發(fā)明輪外盤內(nèi)側(cè)結構立體圖；
[0031 ]圖6為本發(fā)爪模式下的軸測圖
[0032]圖中:
[0033]1、主動爪子，2、轉(zhuǎn)動軸承，3、連桿，4、十字驅(qū)動盤，5、驅(qū)動盤銷釘，6、內(nèi)六角連接塊，7、中軸，8、卡簧，9、大齒輪，10、中軸軸承座，11、中軸軸承，12、小齒輪，13、無線通訊板，
14、舵機控制器，15、電池支座，16、電池，17、盤間支撐柱，18、爪間連接柱，19、從動爪，20、舵機，21、舵機支座，22、內(nèi)盤，23、外盤，24電磁鐵銜鐵，25、電磁鐵，26電磁鐵支座。
【具體實施方式】
[0034]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個