一种可自锁的变形轮机构的制作方法

本实用新型属于越障移动平台应用领域，具体为一种可自锁的变形轮机构。

背景技术：

变形轮机构具有圆轮和异形轮等多种模式，兼具行驶速度快、越障能力强的特点。已有的变形轮机构变形方式单一，如中国专利(专利申请号201410659775X)公开的“一种用于阶梯攀爬机器人的变形轮机构”，其变形过程由舵机驱动，具有圆轮和异形轮两种形态，在应对尺寸不同的楼梯时，不能适应性地改变变形轮机构的尺寸进而在楼梯上连续且平稳地运行，在实际应用中存在一定局限性。变形轮机构在异形轮模式下运动，需要承受复杂地形的冲击载荷，中国专利(专利申请号2015102716932)公开的“多模式变形轮”，其变形通过电机正反转实现，每一种模式的固定需要电机锁死，不具有自锁功能，使得这种变形轮在负载状态下很难保持姿态，在实际应用中存在稳定性差、能耗大的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型旨在提出一种可自锁的变形轮机构，该机构具有结构简单、越障能力强等特点，通过设置异形轮模式变形角的具体数值，变形轮可以适应各种尺寸的楼梯，变形轮机构内部的传动机构具有自锁功能，实现变形轮机构的形状保持，具有较好的适应性和稳定性，特别适用于主要由平地、楼梯构成的运动场所，也适用于郊外环境中复杂多变地形。

要实现上述技术目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种可自锁的变形轮机构，包括轮毂、三段相同的外轮缘、驱动电机以及传动机构，所述传动机构包括丝杆螺母传动机构、第一连接块、三个连杆和三个第二连接块，所述丝杆螺母传动机构包括沿变形轮轴向设置的丝杆和螺母，三段所述的外轮缘均为120°的劣弧，且周向等间距地与轮毂铰链连接，每段外轮缘均通过对应的第二连接块与对应的所述连杆的一端活动连接，三个所述连杆的另一端均与所述第一连接块铰链连接，所述第一连接块相对转动地设置在所述螺母上可绕轮毂轴向旋转，所述驱动电机固定在轮毂一侧且与所述丝杆驱动连接。

进一步地，所述第二连接块采用两端相互垂直的虎克铰链。

进一步地，三段所述的外轮缘周向等间距地通过两个第一带座轴承和沿变形轮轴向设置的心轴与轮毂铰链连接，所述心轴与轮毂固定连接，所述第一带座轴承的底座固定在外轮缘上，轴承内圈与所述心轴相配合。

进一步地，每个所述的外轮缘上固定有两个第二带座轴承，所述连杆的一端通过所述的第二连接块与两个第二带座轴承活动连接，所述连杆通过带动两个第二带座轴承进而带动外轮缘绕铰链连接点转动。

进一步地，所述可自锁的变形轮机构包括圆轮模式和异形轮模式，其中在所述圆轮模式下，三段外轮缘围成圆形且共圆心；在所述异形轮模式下，所述三段外轮缘同步旋转一定变形角α后相互分离，实现越障功能，所述变形角α是指所述外轮缘从圆轮模式变换至当前位置所转过的角度。

进一步地，所述外轮缘两端设有斜面，在所述圆轮模式下，三段所述外轮缘的两端通过上述斜面两两搭接。实现相对定位并避免变形时发生干涉。

进一步地，在异形轮模式下，所述变形角的数值可视楼梯的踏步宽度和踏步高度的具体尺寸改变形状，实现平稳快速攀越楼梯，所述变形角的数值与楼梯的具体尺寸关系的数学表达式为：

其中，w为楼梯的踏步宽度，h为楼梯的踏步高度，R为所述外轮缘半径，r为三段外轮缘铰链连接位置至轮毂中心的距离，β为所述外轮缘最远端与外轮缘圆心连线、轮毂铰链连接位置与外轮缘圆心连线的夹角，α为变形角，θ为所述外轮缘与楼梯踏面的接触点在所述外轮缘滑过的角度，其值是0～π/3的任意值，L、γ为中间量。

进一步地，所述轮毂内沿轮毂的轴向方向设置有两根相互平行的导向杆，所述螺母通过导向孔与所述导向杆滑动配合，既可以提高稳定性，还能防止螺母产生不必要的自转。

本实用新型与现有技术相比具有如下的优点:

(1)本实用新型的变形轮机构的异形轮模式可视检测到的楼梯的踏步宽度和踏步高度的具体尺寸改变形状，对楼梯的适应性强，有效解决了车体攀越阶梯障碍的稳定性、连续性的问题；

(2)本实用新型的变形轮机构内部的传动机构包含丝杆螺母机构，具有自锁功能，不需要额外的锁止装置即可实现变形轮机构的形状保持，使得变形轮机构具有结构简单、承载能力强和运动稳定性好的特点。

附图说明

图1为本实用新型实施方式的圆轮模式轴向示意图。

图2为本实用新型实施方式的异形轮模式轴向示意图。

图3为本实用新型实施方式的异形轮模式相关参数示意图。

图4为实施方式中拆去一个外轮缘后的径向示意图。

图5为图1中X处放大示意图。

图中：1、轮毂；2、外轮缘；3、驱动电机；4、连杆；5、丝杆；6、螺母；7、第一带座轴承；8、心轴；9、导向杆；10、第一连接块；11、第二连接块；12、第二带座轴承。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型专利的保护范围。

如图1、2和图4所示，一种可自锁的变形轮机构，包括轮毂1、三段相同的外轮缘2、驱动电机3以及传动机构，所述传动机构包括丝杆螺母传动机构、第一连接块10、三个连杆4和三个第二连接块11，所述丝杆螺母传动机构包括沿变形轮轴向设置的丝杆5和螺母6，三段所述的外轮缘2均为120°的劣弧，且周向等间距地与轮毂1铰链连接，每段外轮缘2均通过对应的第二连接块11与对应的所述连杆4的一端活动连接，所述第二连接块11是一个虎克铰链，其目的是实现所述连杆4相对于对应的外轮缘2在两个自由度上旋转。三个所述连杆4的另一端均与所述第一连接块10铰链连接，所述第一连接块10相对转动地设置在所述螺母6上可绕轮毂1轴向旋转，所述驱动电机3固定在轮毂1一侧且与所述丝杆5驱动连接，所述轮毂1内沿轮毂1的轴向方向设置有两根相互平行的导向杆9，所述螺母6通过导向孔与所述导向杆9滑动配合。每个相互连接的外轮缘、第二连接块、连杆、第一连接块和螺母分别形成一组RUUP空间四杆机构。

具体而言，三段所述的外轮缘2周向等间距地通过两个第一带座轴承7和沿变形轮轴向设置的心轴8与轮毂1铰链连接，所述心轴8与轮毂1固定连接，所述第一带座轴承7的底座固定在外轮缘2上，轴承内圈与所述心轴8相配合。

进一步地，每个所述的外轮缘2上固定有两个第二带座轴承12，所述连杆4的一端通过所述的第二连接块11与两个第二带座轴承12活动连接，所述连杆4通过带动两个第二带座轴承12进而带动外轮缘2绕铰链连接点转动。

进一步地，所述可自锁的变形轮机构包括圆轮模式和异形轮模式，其中在所述圆轮模式下，三段外轮缘2围成圆形且共圆心；在所述异形轮模式下，所述三段外轮缘2同步旋转一定变形角α后相互分离，实现越障功能，所述变形角α是指所述外轮缘从圆轮模式变换至当前位置所转过的角度。

如图1和图5所示，所述外轮缘2两端设有斜面，在所述圆轮模式下，三段所述外轮缘2的两端通过上述斜面两两搭接，实现相对定位并避免变形时发生干涉，并通过所述丝杆螺母传动机构锁死，实现圆轮模式的形态保持。

如图3所示，在异形轮模式下，所述变形角的数值可视楼梯的踏步宽度和踏步高度的具体尺寸改变形状，实现平稳快速攀越楼梯，所述变形角的数值与楼梯的具体尺寸关系的数学表达式为：

其中，w为楼梯的踏步宽度，h为楼梯的踏步高度，R为所述外轮缘2半径，r为三段外轮缘2铰链连接位置至轮毂1中心的距离，β为所述外轮缘2最远端与外轮缘2圆心连线、轮毂1铰链连接位置与外轮缘2圆心连线的夹角，α为变形角，θ为所述外轮缘2与楼梯踏面的接触点在所述外轮缘2滑过的角度，其值是0～π/3的任意值，L、γ为中间量。

上述实施例中，所述丝杆螺母传动机构具有自锁功能，在异形轮模式下，三段所述外轮缘2的变形角可以是任意角度，当变形角为极限范围内任意取值时所述变形轮机构均可实现自锁定位。

具体而言，上述实施例提供的变形轮机构从圆轮模式变形到异形轮模式的实现过程包括：

所述驱动电机3驱动丝杆5旋转，丝杆5带动螺母6沿两根轮毂轴向、相互平行的导向杆9运动，螺母6外侧套有能相对于螺母6绕轮毂1周向运动的第一连接块10，所述第一连接块10在轮毂1周向等间距地与三根连杆4铰链连接，所述第一连接块10随螺母6沿轮毂1轴向运动，同时带动三根所述连杆4运动，三根所述连杆4同时带动对应外轮缘2上的第二连接块11运动，所述第二连接块11通过带动两个固定在外轮缘2上的第二带座轴承12，进而带动外轮缘2绕铰链连接点转动，实现变形。

上述实施例具有结构简单、越障能力强等特点，通过设置异形轮模式的变形角，变形轮可以适应多种尺寸的楼梯爬行，特别适用于城市建筑中的移动机器人、轮椅和搬运装置等。

本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。