一种可攀爬金属表面和水面漂浮前进的车轮结构的制作方法

本发明涉及机器人设备技术领域，具体为一种机器人用的车轮结构，能够适应不平整和不规则的金属垂直面攀爬需求，以及在水面漂浮前进的需求。

背景技术：

侦察机器人一直是机器人行业研究的重要方向之一，其不仅在军用和警用方面有很大的应用市场和前景，在民用方面也有很大的潜力。常见的侦察机器人多为地面爬行结构，很难在垂直表面攀爬并进行侦察，尤其对于不太平整和规则的垂直面，如何在这类垂直面上攀爬，一直以来是攀爬机器人需要解决的重点和难点问题。

针对金属表面的攀爬，目前主要的设计方向是磁性吸附和真空吸附两大类，真空吸附机器人结构相对复杂，体积大，负载能力有限，对地形的要求较高，很难用于侦察机器人，因此当前侦察机器人主要采用磁性吸附的方式实现金属表面的攀爬。在实际的应用中，会遇到各种形状的金属表面，比如圆弧形，带转角形状等，且金属表面经常还会有各种焊缝，这些对机器人的磁吸附效果有很大的影响。因此有必要设计一款能够适应不同形状金属表面的机器人车轮结构。

此外，侦察机器人在工作过程中，经常会遇到涉水前进的情况，可以在实现机器人车轮具备复杂金属表面攀爬能力的基础上，进一步设计使其还具备水面漂浮前进的能力。

技术实现要素：

首先针对侦察机器人在复杂金属表面攀爬的需求，本发明提供了一种车轮结构，车轮倚靠磁性吸附的方式实现壁面攀爬功能，磁铁位于车轮外圈的一个环形空腔内，无论在任何地形情况下，磁铁都始终处于离金属表面最近的位置，极大提升了机器人对地形的适应能力；而且进一步为了满足水面漂浮前进的需求，通过对环形空腔体积的设计以提供相应浮力，并在车轮上设计了螺旋桨结构，使机器人具备水面漂浮前进的能力。该结构具备质量轻，体积小，可靠性高的特点，尤其适用于小型侦察类机器人。

本发明的技术方案为：

所述一种车轮结构，包括车轮壳体和车轮组装机构；所述车轮组装机构处于车轮壳体中心位置，用于实现车轮与外部轮轴连接，并实现外部轮轴通过车轮组装机构带动车轮转动；

所述车轮壳体具有环形空腔；所述车轮壳体采用满足结构强度要求的非磁性材质；

所述环形空腔内表面为光滑无障碍表面；所述环形空腔内放置有永磁铁，永磁铁能够随车轮滚动而在环形空腔内移动。

进一步的，所述车轮壳体中环形空腔部位的外圈面以及靠近外圈面的内侧面部位的结构厚度取满足结构强度要求的最小值。

进一步的，所述永磁铁采用块状永磁铁或采用若干巴克球永磁铁。

进一步的，所述块状永磁铁表面进行了光滑处理，并对尖锐的边缘和角度进行圆角或倒角处理。

进一步的，所述块状永磁铁采用长方体形式的永磁铁，且其最大长度不大于环形空腔外圈面部位的母线长度。

进一步的，所述块状永磁铁采用截面轮廓与环形空腔内壁能够贴合的永磁铁。

进一步的，车轮组装机构中的结构采用满足结构强度要求的非磁性材质。

进一步的，所述车轮壳体的外侧盖上采用可拆装连接结构同轴安装有螺旋桨；所述车轮壳体的环形空腔为密封空腔；所述螺旋桨能够随车轮同步转动。

进一步的，所述螺旋桨具有螺旋桨轴和桨叶，多片桨叶沿周向均匀布置在螺旋桨轴表面，桨叶与螺旋桨轴采用一体加工成型或单独加工后再固定连接。

进一步的，螺旋桨采用非磁性材质。

有益效果

本发明提出的一种车轮结构，车轮外圈设置有环形空腔，空腔内部放置有特定形状的永磁铁，磁铁在空腔内可灵活滑动，使磁铁与金属表面之间的距离始终最小，从而保证了吸附力的大小。该结构具备重量轻，体积小，吸附力大，地形适应能力强等优势，不仅适用于各类小型侦察机器人，还可用于其它需要金属表面攀爬功能的小型机器人。

而进一步的采用可拆装的螺旋桨结构，使侦察机器人具备了水面漂浮前进的能力。当磁性车轮结构与螺旋桨结构一起使用时，机器人可应对更复杂的环境，侦察能力和生存能力都得到了极大提升。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1图2和图3所示为车轮组成图；

图4所示为长方体永磁铁在空腔中的几个典型位置

图5所示为l形永磁铁在空腔中的位置

图6所示为不同表面形状情况下磁铁的位置

图7所示为螺旋桨结构

其中：1、车轮壳体；2、车轮组装机构；3、环形空腔；4、永磁铁；4.1、长方体永磁铁；4.2、l形永磁铁；5、螺旋桨；6、螺旋桨连接装置；7、永磁铁位置；8、永磁铁位置；9、永磁铁位置；10、桨叶；11、螺旋桨轴。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本实施例中的车轮结构用于小型侦察机器人，首先为了满足在复杂金属表面攀爬的需要，本实施例中的车轮结构包括车轮壳体1和车轮组装机构2，车轮壳体和车轮组装机构采用满足结构强度要求的非磁性材质。

所述车轮组装机构2处于车轮壳体1的中心位置，用于实现车轮与侦察机器人本体上的轮轴连接，并实现轮轴通过车轮组装机构带动车轮转动。

车轮壳体1具有环形空腔3，环形空腔的外圈面以及靠近外圈面的内侧面与外界之间仅有一层非磁性材料壁隔开，而且可以要求该部位结构厚度取满足结构强度要求的最小值，这样能够最大限度地保证永磁铁和外界金属表面的吸附力。

空腔内放置有特定形状的永磁铁，永磁铁形状和数量根据实际的应用环境和负载灵活设置。

本实施例中，永磁铁实现磁性吸附功能，为了满足在复杂金属曲面上的吸附需求，同时也为了减轻车轮重量，便于实现其他的功能需求，本实施例没有采用传统的固定式永磁铁安装方式，而是将特定形状的永磁铁直接放置在环形空腔内，并对环形空腔内表面进行光滑处理，使永磁铁能够随车轮滚动而在环形空腔内移动，包括有沿车轮滚动方向的移动和向环形空腔侧壁的滑动，使永磁铁始终位于距离金属表面最近的位置，保证车轮具备充足的吸附力。

为了能够达到永磁铁在环形空腔内移动的目的，永磁铁可以采用块状永磁铁或采用若干巴克球永磁铁。采用若干巴克球永磁铁具有较好的随型吸附效果，能够始终位于距离金属表面最近的位置。

而处于成本等考虑，当采用块状永磁铁时，首先需要对块状永磁铁表面进行了光滑处理，并对尖锐的边缘和角度进行圆角或倒角处理，使其在空腔内能够平滑移动，不会出现磁铁被卡住的情况。块状永磁铁中最常见的就是长方体永磁体，此时，对长方体永磁体的要求是其三个方向中的最大尺寸不大于环形空腔外圈面部位的母线长度(即轴向长度)，这样可保证磁铁不被倾斜搭在空腔内，确保磁铁与金属表面有足够的吸附面积。图4所示为长方体永磁铁4.1在环形空腔3中的不同位置示意，当金属表面与车轮轴平行时，磁铁位于图中7所示的位置，当金属表面位与车轮轴有夹角时，磁铁位于图中8所示的位置，当金属表面位于车轮侧面时，磁铁则会移动到图中9所示的位置。在整个运动过程中，永磁铁4始终与金属表面保持距离最近。图6所示为不同金属表面形状情况下，永磁铁4的分布方式，可以看出所设计的车轮结构可以适应不同的金属表面形状。

当然，块状永磁铁也可以采用截面外侧轮廓与环形空腔内壁能够贴合的l形永磁铁，该永磁铁随车轮运动的主要运动方向是沿车轮滚动方向的移动。图5所示为l形永磁铁4.2在环形空腔3中的位置示意，l形磁铁截面外侧轮廓形状基本与环形空腔3形状重合，由于l形磁铁4.2磁性面积大，即使金属表面与车轮存在夹角，永磁铁4.2也能提供充足的吸附力。

为了使侦察机器人具备了水面漂浮前进的能力，对所述车轮壳体的环形空腔进行密封处理，这样多个车轮也能够为侦察机器人提供较大的浮力，而且车轮中较少的永磁体也大大减轻了侦察机器人的自身重量。

在车轮壳体的外侧盖上采用可拆装的非磁性材质的连接结构同轴安装有非磁性材质的螺旋桨，连接结构采用卡扣，螺栓或键等方式连接，所述螺旋桨能够随车轮同步转动。所述螺旋桨具有螺旋桨轴和桨叶，多片桨叶沿周向均匀布置在螺旋桨轴表面，桨叶与螺旋桨轴采用一体加工成型或单独加工后再通过胶粘或卡接等方式固定连接。桨叶的外形为弧形或者矩形，当螺旋桨随着车轮转动时，可为机器人提供水面漂浮前进的推力。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。