一种高通过性螺旋轮及其使用方法与流程

本发明涉及一种轮子，尤其涉及一种具有高通过性的螺旋轮及其使用方法。

背景技术：

现有的各类轮子只擅长在平地上滚动，当遇到阶梯状障碍物时，如爬楼梯或下楼梯则无法跨越，通过性差。星形轮虽能爬楼梯，但会发生撞地现象，而且只能前进或后退，不能进行横向移动，履带也是如此。这就使得很多使用轮子或履带的设备的功能受到很大限制。

技术实现要素：

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供了一种结构简单、制造容易、机动灵活、跨越障碍平稳的高通过性螺旋轮。本发明打破了对轮子外圈为封闭的圆这一传统理解，创新地引入开放螺旋的概念。

本发明所述高通过性螺旋轮，包括一个三维螺旋体或者两个以上相同、同向、彼此等距的三维螺旋体，以及将以上三维螺旋体与其轴心刚性相连的连接体。

使用本发明所述高通过性螺旋轮时，使三维螺旋体绕轴心旋转，整个轮子即发生位移；若遇较高或较低障碍物，轮子前端产生倾角，顺时针三维螺旋体绕轴心顺时针转动或者逆时针三维螺旋体绕轴心逆时针转动，前端的螺旋接触到障碍物顶部，后面的螺旋依次到达，直至整个轮子全部翻越障碍物顶部，反向旋转可平稳再返回。

进一步地，所述三维螺旋体的半径沿轴向从一端至另一端逐渐变小，螺旋的外轮廓形成渐近轴心的连续、光滑曲线或直线。从而在行进中遇障碍物时，无须给轮子一个倾斜的角度，而是轮子前端较小部分的螺旋先接触障碍物顶部，后面的螺旋依次到达，于是增加轮子翻越障碍物的能力，更加便捷。

进一步地，所述三维螺旋体位于大端的螺旋，其等径螺旋的旋转角度构成至少完整的一周。这样，当轮子在水平方向滚动时，其轴心与地面距离为常数，从而增加轮子行进中的顺畅性和稳定性。

进一步地，所述三维螺旋体大端的螺旋半径沿其轴向减小的方向是向两端均减小。这样，轮子的前后端都具有前端较小的部分，当攀升或下降时，两端均能发挥作用，同时还能相互配合，特别是与轮子的支架系统、车架等配合，仰角能大幅增加。例如，当轮子行进中遇到陡峭低洼处（下楼梯时），后部会均匀释放轮子，当车体前倾时，轮子前部会提前与地面接触，与轮子后部配合，平稳降到底部，从而轻松地实现轮子的爬楼梯、下楼梯等跨越障碍物的功能。

进一步地，所述三维螺旋体外轮廓上设有若干相互平行子轴和子轮，子轮可绕子轴自由旋转，相邻的子轮之间保持间隙；位于端部的子轴轴向与三维螺旋体的横截面形成非90°夹角，其余子轴轴向与相应螺旋的切线方向在三维螺旋体的横截面及横截面的切面均形成非90°夹角。这样的设计可以将滑动摩擦转变为滚动摩擦，降低能耗，避免划伤地面；其次，更好模拟三维螺旋体，运行过程中更加平稳顺畅；再次，可防止子轮向非预期方向滚动，避免主轮在通过障碍物时，从其上滑脱。当轴心与行进方向被限定在一定夹角时，主轮旋转，则子轮在与接触面间静摩擦力作用下旋转，并将部分主轮转向力转化到该子轮的法向力上面，最终产生向前的动力。

进一步地，位于两端的子轮为半球形；其余的子轮形状为中间鼓形、两边半球形相结合。鼓形加半球形子轮的设计，是为了更好地模拟从子轮所在部位经过的那段螺旋线，从而增加轮子爬越障碍物的平稳性。由于端部空间较小，到最两端就简化成半球形，当行进中遇到陡峭凸起障碍物时，最先与障碍物顶部接触的部位往往是子轮的端部，半球形设计可降低其对地面的压强。

进一步地，所述中间鼓形、两边半球形的子轮是分体式，沿子轴方向分割成不同组成部分。分体式结构可增加辐条、子轴和子轮的牢固程度，但在狭小部位，也可在尽量保有其完整形状的同时，做成一个整体或从中间等分的两部分。

进一步地，所述分体式子轮各组成部分之间同轴或者不同轴。同轴时结构简单，易于装配，缺点是子轮过大，两端与中间部分的截面半径存在较大差距，造成在角速度相同时线速度差距过大。不同轴时，可将中间部分变细，使其截面半径接近两端，缺点是结构复杂，装配繁琐。

进一步地，本发明所述高通过性螺旋轮还包括固定轴，所述轴心为具有中心孔的轮毂，固定轴穿过轮毂的中心孔，轮毂可绕固定轴自由转动。主轴固定在车架支撑系统上，用马达驱动轮毂转动，从而降低马达轴承的磨损，延长其使用寿命。

进一步地，所述轮毂沿轴向分割成若干段，相应地三维螺旋体也随之分割成若干段，各段之间刚性连接。从而可大大简化安装过程。

进一步地，所述连接体为从三维螺旋体至轴心的若干实心面或者若干辐条。

进一步地，本发明所述高通过性螺旋轮在内部设置电动马达驱动或固定轴上加装从动轮，通过链条或皮带与外部马达连接驱动。

进一步地，所述同一螺旋轮上的三维螺旋体全部为顺时针方向或者全部为逆时针方向。

本发明还提供了一种高通过性螺旋轮的使用方法：顺时针三维螺旋体绕轴心顺时针转动或者逆时针三维螺旋体绕轴心逆时针转动，所述高通过性螺旋轮向前翻越较高或较低的障碍物；反向旋转则返回翻越障碍物。

进一步地，本发明所述高通过性螺旋轮单个使用或顺时针方向与逆时针方向的三维螺旋体成夹角两两相邻结合使用。当单个使用时，需结合本发明之外的其他轮，本发明起到翻越障碍物的作用，其它轮起到支撑车体及导向的作用。当组合使用时，这些轮子依靠各自三维螺旋体转动的方向和速度，在子轮的配合滚动下，会产生不同的法相力，这些力最终合成，可在任何要求的方向上产生一个合力矢量，从而保证在最终的合力矢量的方向上能自由地移动，而不改变自身的方向。

本发明所述高通过性螺旋轮可用在机器人平台、电动轮椅、玩具及传动变速装置等上面。

附图说明

图1 为本发明所述高通过性螺旋轮的实施例一的立体图；

图2为图1的主视图；

图3为图2的侧视图；

图4为图1中主轮的各零部件图；

图5为图4的爆炸图；

图6为图5中子轮B的轴向位置图；

图7为图5中子轮A在轮毂平面的轴向位置图；

图8为图5中子轮A在轮毂切面的轴向位置图；

图9为设有不同数量辐条的轮毂结构示意图；

图10为如图1所示螺旋轮的不同爬坡度时状态图；

图11为如图1所示螺旋轮成组使用的结构示意图；

图12为如图1所示螺旋轮使用在支撑平台的状态图；

图13为利用内置电机驱动如图1所示螺旋轮的结构示意图；

图14为作为从动轮的如图1所示螺旋轮的结构示意图；

图15为本发明所述高通过性螺旋轮的实施例二的立体结构图；

图16为本发明所述高通过性螺旋轮的实施例三的立体结构图；

图17为本发明所述高通过性螺旋轮的实施例四的立体结构图。

图中各件号说明：

1-固定轴；2-主轮；3-轮毂；4-辐条；5-子轴；6-子轮A；7-子轮B；8-子轮B的轴向；9-轮毂平面方向；10-子轮A的轴向；11-轮毂切线方向；12-电机；13-从动轮；14-轴心；15-固定盘；16-三维螺旋体；17-障碍物；18-平面；19-曲面。

具体实施方式

下面结合附图1附图17对本发明所述高通过性螺旋轮进一步详细描述。

实施例一。

如图1至图3所示，本实施例所述高通过性螺旋轮，包括固定轴1和主轮2，固定轴1穿过主轮2中心，可绕固定轴2自由转动。

如图4和图5所示，主轮2包括若干轮毂3和辐条4。如图5所示，所述轮毂3外周延轮毂3径向装有对称的两根辐条4；每个轮毂3上的辐条4还可以是一根以及多根，呈对称分布，如图9所示。

如图4所示，轮毂3上的辐条4轴向上按照从中间向两端逐渐变小的次序排列，各段轮毂3间刚性连接。如图5所示，辐条4顶端设有子轴5和子轮A6、子轮B7，相邻的子轮之间保持间隙，子轮A、子轮B可绕子轴5自由旋转；位于两端的轮毂3上的子轮B7为半球形；其余轮毂3上的子轮A6形状为中间鼓形、两边半球形相结合。

如图1至图3所示，排列后所有子轮A以及子轮B的边缘轮廓连续起来形成中间为等径的柱形、从中间向两端呈锥形的螺旋状。

如图6所示，子轮B的轴向8与轮毂平面方向9之间保持夹角，二者之间非相互垂直。

如图7所示，在轮毂3、辐条4所在的平面，子轮A的轴向10与轮毂切线方向11之间保持非90度的夹角；如图8所示，在轮毂3、辐条4所在平面的切面，子轮A的轴向10与轮毂切线方向11之间保持非90度的夹角。

主轮2延固定轴1转动，顺时针三维螺旋体绕轴心顺时针转动或者逆时针三维螺旋体绕轴心逆时针转动。固定轴1与前进方向被限定在一定夹角时，子轮A、子轮B在与接触面间静摩擦力作用下转动。如图10所示，当前进中遇障碍物时，主轮前端较小部分的子轮先接触障碍物顶部，而后面的子轮依次到达，直至整个轮子全部平稳攀上障碍物顶部。反之，当遇到陡峭低洼处，例如下楼梯时，轮子后部会均匀释放轮子，当车体前倾时，轮子前部会提前与地面接触，与轮子后部配合，平稳降到底部；反向旋转则返回翻越较高或较低障碍物。

本实施例所述高通过性螺旋轮可单个使用，组合使用效果更好。如图11所示，两个顺时针方向的主轮与两个逆时针方向的主轮与前进方向呈45度角两两相邻结合，形成一个按顺时针-逆时针-顺时针-逆时针排列的菱形状，从而可实现横向移动、任意方向移动和定点旋转。

本实施例所述高通过性螺旋轮，配上支架系统和支撑平面，可对轮子进行运用，如图12所示。除此之外，还可以用在电动轮椅、机器人平台等上面。

如图13所示，本实施例所述高通过性螺旋轮在内部设置电机12驱动；或固定轴上加装从动轮13，通过链条或皮带与外部马达连接驱动，可用在传动变速箱装置上。

实施例二。

如图15所示，本实施例所述高通过性螺旋轮，包括两条相同的具有一定螺距的三维螺旋体16和固定盘15，所述三维螺旋体16为带状螺旋，所述固定盘15与两条三维螺旋体16的一端固定连接，固定盘15中心设有三维螺旋体16的轴心14。

使用本实施例所述高通过性螺旋轮时，外部动力源接在轴心14上，给轴心14一个旋转力，使两条三维螺旋体16沿螺旋方向旋转，从而轮子产生前行，当遇障碍物17时，使轮子上倾，前端的螺旋接触到障碍物顶部，后面的螺旋依次到达，直至整个轮子全部平稳攀上障碍物顶部。

实施例三。

如图16所示，本实施例所述高通过性螺旋轮，包括轴心14和两条直接缠绕在轴心14上相同的三维螺旋体16，所述轴心为贯穿三维螺旋体16的一根中心轴，所述三维螺旋体16为实体螺旋，即从其外轮廓至轴心14处设有一体式的连接面。所述三维螺旋体16为半径由大逐渐减少的锥形螺旋，所述螺旋的外轮廓面为平面18。

使用本实施例所述高通过性螺旋轮时，外部动力源接在轴心14上，给轴心14一个旋转力，使两条三维螺旋体16沿螺旋方向旋转，从而轮子产生前行，当遇障碍物17时，由于三维螺旋体16为锥形，所以无须使轮子上倾，轮子前端较小部分的螺旋先接触障碍物顶部，后面的螺旋依次到达，于是增加轮子翻越障碍物的能力，更加便捷。

实施例四。

如图17所示，本实施例所述高通过性螺旋轮与实施例三的区别在于，所述三维螺旋体16的外轮廓面为曲面19，从而提高轮子运行过程中的平稳性。其余与实施例三相同，在此不赘述。

如上所述，结合附图和实施例所给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。