CN111098948A - 一种腿轮式汽车行走机构及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于汽车领域，提供一种腿轮式汽车行走机构，所述腿轮式汽车行走机构包括多个机械腿组件1、机轮组件2、第一驱动电源3和控制***4；所述机械腿组件1的一端与汽车底盘连接，另一端与机轮组件2连接；机械腿组件1可带动机轮组件2相对汽车底盘收起或伸展；所述第一驱动电源3与机械腿组件1电连接，用于向机械腿组件1提供动力；所述控制***4与机械腿组件1信号连接，用于控制机械腿组件1相对汽车底盘收起或伸展。由多自由度机械腿组件、机轮组件及相应控制***组成，使得汽车具有底盘升降、轮距轴距可调等功能，可以通过传统驾驶模式、腿部行走等多个模式选择。

Description

一种腿轮式汽车行走机构及控制方法
技术领域
本发明属于汽车领域，具体涉及一种腿轮式汽车行走机构。
背景技术
经过400多年的发展，汽车的发展已趋于成熟，已经可以完全适应普通路面工作。近年来，汽车领域的发展主要集中于功能性车辆的研究，追求更高的性能和智能化水平，以及更强的环境适应能力。专为崎岖地面使用而设计的越野型汽车，具有较高的底盘、抓地性较好的轮胎，可以更好的适应野外各种路面状况，越来越受到大众的喜爱。在军用汽车中，大都具有一定的越野行驶能力，可以在质量很差的路面或根本没有路的地区和战场行驶。其实，不仅是军用车，矿用车因为多行驶于地形结构复杂、路面情况较差的矿区，越野能力对于矿用汽车也是非常重要的指标。这说明在汽车研究领域，越野性能的提高与改善具有重要的研究意义。
为了满足崎岖泥泞、沙地及险要山坡等环境的驾驶，传统的汽车设计时，通常采用增加差速锁、四轮驱动或采用全地形轮胎、强化底盘、升高离地间距等方式提高汽车的越野性能。通过以上方式可以提高汽车的越野性能，但是还是难以满足人们对汽车的要求与期待，对地形条件还是具有较大的限制，也需要驾驶员具有过硬的越野驾驶技术和经验，还需要掌握许多实际的自救经验，否则也难以满足困难地形的驾驶要求。在未知山区的探索与海啸/地震灾害后救援方面，由于环境复杂、驾驶地形未知，普通车辆的进入还存在巨大的困难，对作业效率和救援速度非常不利。
发明内容
本发明的目的：提出一种腿轮式汽车行走机构，由多自由度机械腿组件、机轮组件及相应控制***组成。安装于汽车底盘下方，使得汽车具有底盘升降、轮距轴距可调等功能，可以通过传统驾驶模式、腿部行走等多个模式选择。
本发明的技术方案：一方面，提供一种腿轮式汽车行走机构，所述腿轮式汽车行走机构包括多个机械腿组件1、机轮组件2、第一驱动电源3和控制***4；
所述机械腿组件1的一端与汽车底盘连接，另一端与机轮组件2连接；机械腿组件1可带动机轮组件2相对汽车底盘收起或伸展；
所述第一驱动电源3与机械腿组件1电连接，用于向机械腿组件1提供动力；
所述控制***4与机械腿组件1信号连接，用于控制机械腿组件1相对汽车底盘收起或伸展。
进一步地，所述机械腿组件1包括多个连接杆12和多个驱动关节11，所述多个连接杆12通过驱动关节11连接；驱动关节11驱动连接杆12转动；其中一个连接杆的一端与汽车底盘转动连接，另一个连接杆的一端与机轮组件2转动连接。
进一步地，所述机械腿组件1还包括连接轴13，其中一个连接杆的一端通过连接轴13与汽车底盘转动连接。
进一步地，所述机械腿组件1还设置有扭矩传感器14，用于检测连接杆12承受的扭矩。
进一步地，所述机械腿组件1还设置有多个载荷传感器15；载荷传感器15分别位于机轮组件2与连接杆的连接处、连接杆与汽车底盘的连接处。
进一步地，所述机轮组件2包括轮毂推进电机21、刹车组件22、轮毂23和轮胎24；
所述轮毂推进电机21的输出轴与轮毂23连接，轮毂23周向安装轮胎24；轮毂推进电机21与第一驱动电源3电连接，第一驱动电源3与控制***4信号连接；控制***4控制第一驱动电源3给轮毂推进电机21供电；
所述刹车组件22与轮毂推进电机21机械连接；刹车组件22与控制***4信号连接，控制***4控制刹车组件22锁定轮毂推进电机21的输出轴。
进一步地，所述腿轮式汽车行走机构还包括总体动力组件5，轮毂推进电机21与总体动力组件5电连接，总体动力组件5与控制***4信号连接；控制***4控制总体动力组件5是否给轮毂推进电机21供电。
另一方面，提供一种腿轮式汽车控制方法，利用如上所述的腿轮式汽车行走机构，所述控制方法包括：
控制机械腿组件1处于行走模式时：首先，控制***4控制刹车组件22锁定轮毂推进电机21的输出轴；然后，第一驱动电源3给机械腿组件1供电，控制***4控制驱动关节11转动，驱动关节11带动连接杆12转动，实现机械腿组件1的姿态变化，使机轮组件2相对汽车底盘收起或伸展，从而带动汽车行走；
控制车轮滚动及机械腿组件1处于行走模式时：控制***4控制刹车组件22解除对轮毂推进电机21输出轴的锁定；然后，第一驱动电源3给机械腿组件1供电，控制***4控制驱动关节11转动，驱动关节11带动连接杆12转动，实现机械腿组件1的姿态变化；总体动力组件5给轮毂推进电机21供电，轮毂推进电机21带动车轮转动；
控制腿轮式汽车处于车轮滚动模式：控制***4控制刹车组件22解除对轮毂推进电机21输出轴的锁定；第一驱动电源3停止给机械腿组件1供电，机械腿组件1处于锁定状态；总体动力组件5给轮毂推进电机21供电，轮毂推进电机21带动车轮转动。
本发明的技术效果：
采用腿轮式的汽车行走机构，将多自由度机械腿与机轮组件进行结合，时汽车具有轮胎转动运行和机械腿爬行运动两种功能，并将两种功能有效结合，既可以保证汽车在平整路面的行驶速度，又可以增加在复杂地形环境下的适应能力。
使汽车具有多种驾驶模式可以选择，可以短时完成驾驶模式的切换，可以根据需要进行随时切换，保证汽车可以用于多种作业场合，具有更加广泛的应用场景。
附图说明
图1腿轮式汽车行走机构组成示意图；
图2为机轮组件组成示意图；
图3为传统驾驶模式示意图；
图4为爬行行走模式示意图。
具体实施方式
实施例1
图1腿轮式汽车行走机构组成示意图，如图1所示，本实施例，提供一种腿轮式汽车行走机构，所述腿轮式汽车行走机构包括多个机械腿组件1、机轮组件2、第一驱动电源3和控制***4。
所述机械腿组件1的一端与汽车底盘连接，另一端与机轮组件2连接；机械腿组件1可带动机轮组件2相对汽车底盘收起或伸展；所述第一驱动电源3与机械腿组件1电连接，用于向机械腿组件1提供动力；所述控制***4与机械腿组件1信号连接，用于控制机械腿组件1相对汽车底盘收起或伸展。
安装本实施例的腿轮式汽车行走机构以后，机械腿组件1相对汽车底盘收起或伸展，汽车的底盘高度可调、轮距轴距可调、可采用轮胎滚动快速形式、可采用腿部机构行走移动、可将腿部机构收起采用传统驾驶模式。
进一步地，如图1所示，所述机械腿组件1包括多个连接杆12和多个驱动关节11，所述多个连接杆12通过驱动关节11连接；驱动关节11驱动连接杆12转动；其中一个连接杆的一端与汽车底盘转动连接，另一个连接杆的一端与机轮组件2转动连接。所述机械腿组件1还包括连接轴13，其中一个连接杆的一端通过连接轴13与汽车底盘转动连接。
所述机械腿组件1为腿轮式汽车行走机构的重要组成部分，安装于汽车底盘的下方，直接与汽车悬挂***连接，用于替换原有的机轮轮胎组件。机械腿组件1由多个自由度组成，可以根据使用环境的需求和成本控制需要，选择使用3个、4个或5个自由度，多个自由度由多个驱动关节11和连接杆12实现，并由符合刚度和强度要求的高强度铝合金或复合材料制成。多个连接杆12之间采用铰链连接，中间安装驱动关节11，实现机械腿的收起和伸展，起到车体高度变化的和行走机构姿态变化的作用。
进一步地，所述机械腿组件1还设置有扭矩传感器14，用于检测连接杆12承受的扭矩。机械腿组件1还设置有多个载荷传感器15；载荷传感器15分别位于机轮组件2与连接杆的连接处、连接杆与汽车底盘的连接处；通过换算测量，可以得出各连接杆的承载。本实施例，在机械腿组件1的关节和连接杆连接处安装有扭矩传感器14，以及安装载荷传感器15，用于外界地形环境与自身状态的感知与反馈。
进一步地，图2机轮组件组成示意图，如图2所示，所述机轮组件2包括轮毂推进电机21、刹车组件22、轮毂23和轮胎24。所述轮毂推进电机21的输出轴与轮毂23连接，轮毂23周向安装轮胎24；轮毂推进电机21与第一驱动电源3电连接，第一驱动电源3与控制***4信号连接；控制***4控制第一驱动电源3给轮毂推进电机21供电。
所述刹车组件22与轮毂推进电机21机械连接；刹车组件22与控制***4信号连接，控制***4控制刹车组件22锁定轮毂推进电机21的输出轴。本实施例，刹车***22用于行走时锁定电机的输出轴，避免轮胎转动，可通过电磁制动器或抱闸器等实现。
进一步地，所述腿轮式汽车行走机构还包括总体动力组件5，轮毂推进电机21与总体动力组件5电连接，总体动力组件5与控制***4信号连接；控制***4控制总体动力组件5是否给轮毂推进电机21供电。
本实施例，第一驱动电源3安装于汽车车体内部、车架的上方，用于为腿轮式汽车行走机构的运动提供动力。轮毂推进电机21的动力可以由总体动力组件5或第一驱动电源3提供。当采用腿部折叠收起的汽车驾驶模式时，切断第一驱动电源3的电源，以调高电池的使用时间。采用类似于动物的爬行行走模式时，由第一驱动电源3为机械腿组件1供电，驱动机械腿组件1运动并采用刹车***22锁定轮毂推进电机21的输出轴。
此外，本实施例，也可以采用腿轮结合的形式运动于复杂地形，即将轮毂滚动模式和行走模式结合，控制***控制机械腿组件1的姿态变化。第一驱动电源3自带蓄电池，可由汽车总体动力***和外部电网实现对蓄电池的充电，通过动力传输线缆实现对驱动关节11的供电。
本实施例，控制***4安装于汽车车体内部，同时与机械腿组件1、机轮组件2和第一驱动电源3连接，作用为控制机械腿组件实现其功能。控制***4包括电机驱动器、控制器、操作显示界面和各种辅助I/O设备。电机驱动器作用于驱动关节，使驱动关节的电机实现正转、反转、加速、减速和断电锁死等功能，控制器用于控制整个***，实现各种预设功能。操作显示界面和各种辅助I/O设备位于车身驾驶舱的内部，方便驾驶员的操作与控制，并通过操作显示界面显示状态参数信息。
实施例2
本实施例，提供一种腿轮式汽车控制方法，利用如上所述的腿轮式汽车行走机构，所述控制方法包括：
控制机械腿组件1处于行走模式时：首先，控制***4控制刹车组件22锁定轮毂推进电机21的输出轴；然后，第一驱动电源3给机械腿组件1供电，控制***4控制驱动关节11转动，驱动关节11带动连接杆12转动，实现机械腿组件1的姿态变化，使机轮组件2相对汽车底盘收起或伸展，从而带动汽车行走；
控制车轮滚动及机械腿组件1处于行走模式时：控制***4控制刹车组件22解除对轮毂推进电机21输出轴的锁定；然后，第一驱动电源3给机械腿组件1供电，控制***4控制驱动关节11转动，驱动关节11带动连接杆12转动，实现机械腿组件1的姿态变化；总体动力组件5给轮毂推进电机21供电，轮毂推进电机21带动车轮转动。
具体地，如图4所示，图4为爬行行走模式示意图，在台阶地面、陡坡环境、破坏混凝土废墟地面等复杂地形条件下运动时，主要要求汽车的地形适应能力，腿轮式汽车行走机构处于爬行行走模式，轮毂23和橡胶轮胎24等组成的机轮组件2处于锁定状态，起到支撑、缓冲及防滑的作用。此时，刹车***22锁住机轮组件2的轮毂推进电机21输出轴，橡胶轮胎24处于不能转动的状态。行走运动过程中，机械腿组件由第一驱动电源3供电，驱动机械腿组件1的驱动关节11旋转，带动连接杆12运动，实现汽车的地面爬行行走。
当然，如图3所示，图3为传统驾驶模式示意图，在平坦的路面行驶时，主要要求汽车的行驶速度，腿轮式行走机构1处于收起状态，汽车在传统驾驶模式中工作。机械腿式机构1处于收起状态，折叠于底盘下方，所有的驱动关节11处于锁定状态，只有轮毂23和橡胶轮胎24露出车体，类似于传统的汽车。此时，动力***3切断对机械腿式机构1的供电电源，轮毂推进电机21在总体动力组件5或第一驱动电源3的作用下工作。
此外，在崎岖山路等复杂路面行驶时，可以采用机械腿组件1和机轮组件2结合作业的模式，实现混合作业，既能保证汽车的地形适应能力，又能保证行驶的速度。混合作业过程中，汽车总体动力组件5为机轮组件2提供动力，汽车通过机轮转动前进。但是由于行驶道路崎岖，机械腿式机构1处于被动控制适应地形状态，根据地形的崎岖程度变化，监测汽车车身的水平状态，控制机械腿式机构1的姿态变化，适应地形，实现车体的水平。
本发明公开的一种腿轮式汽车行走机构，用于代替传统的汽车机轮结构，可以使汽车具有更强的越野性能。安装该行走机构以后，汽车的底盘高度可调、轮距轴距可调、可采用轮胎滚动快速形式、可采用腿部机构行走移动、可将腿部机构收起采用传统驾驶模式。行走机构采用独立的控制***，可作为子控制***与汽车原有电控***结合，行走机构采用独立的模块和结构，便于更换维修，具有较高的独立性和智能化水平，该设计可以使汽车带领人们更容易的前往传统汽车无法到达的区域。
本发明，使汽车的轮距轴距、底盘高度等性能参数可调，有效改善汽车的越野性能，保证汽车在复杂地形行驶时，不会出现一些侧翻等危险的情况，保证野外行驶的安全性，减少对驾驶水平的依赖。
在遇到障碍物影响时，可以通过伸直机械腿的方式使车身升起，可越过障碍物，也可将该方式应用于交通拥堵的情况，越过拥堵车辆，适用于城市交通中，有利于在拥堵路段节约等待时间。

Claims (8)

1.一种腿轮式汽车行走机构，其特征在于，所述腿轮式汽车行走机构包括多个机械腿组件(1)、机轮组件(2)、第一驱动电源(3)和控制***(4)；
所述机械腿组件(1)的一端与汽车底盘连接，另一端与机轮组件(2)连接；机械腿组件(1)可带动机轮组件(2)相对汽车底盘收起或伸展；
所述第一驱动电源(3)与机械腿组件(1)电连接，用于向机械腿组件(1)提供动力；
所述控制***(4)与机械腿组件(1)信号连接，用于控制机械腿组件(1)相对汽车底盘收起或伸展。
2.根据权利要求1所述的腿轮式汽车行走机构，其特征在于，所述机械腿组件(1)包括多个连接杆(12)和多个驱动关节(11)，所述多个连接杆(12)通过驱动关节(11)连接；驱动关节(11)驱动连接杆(12)转动；其中一个连接杆的一端与汽车底盘转动连接，另一个连接杆的一端与机轮组件(2)转动连接。
3.根据权利要求2所述的腿轮式汽车行走机构，其特征在于，所述机械腿组件(1)还包括连接轴(13)，其中一个连接杆的一端通过连接轴(13)与汽车底盘转动连接。
4.根据权利要求2所述的腿轮式汽车行走机构，其特征在于，所述机械腿组件(1)还设置有扭矩传感器(14)，用于检测连接杆(12)承受的扭矩。
5.根据权利要求4所述的腿轮式汽车行走机构，其特征在于，所述机械腿组件(1)还设置有多个载荷传感器(15)；载荷传感器(15)分别位于机轮组件(2)与连接杆的连接处、连接杆与汽车底盘的连接处。
6.根据权利要求1所述的腿轮式汽车行走机构，其特征在于，所述机轮组件(2)包括轮毂推进电机(21)、刹车组件(22)、轮毂(23)和轮胎(24)；
所述轮毂推进电机(21)的输出轴与轮毂(23)连接，轮毂(23)周向安装轮胎(24)；轮毂推进电机(21)与第一驱动电源(3)电连接，第一驱动电源(3)与控制***(4)信号连接；控制***(4)控制第一驱动电源(3)给轮毂推进电机(21)供电；
所述刹车组件(22)与轮毂推进电机(21)机械连接；刹车组件(22)与控制***(4)信号连接，控制***(4)控制刹车组件(22)锁定轮毂推进电机(21)的输出轴。
7.根据权利要求6所述的腿轮式汽车行走机构，其特征在于，所述腿轮式汽车行走机构还包括总体动力组件(5)，轮毂推进电机(21)与总体动力组件(5)电连接，总体动力组件(5)与控制***(4)信号连接；控制***(4)控制总体动力组件(5)给轮毂推进电机(21)供电。
8.一种腿轮式汽车控制方法，利用权利要求1至7任一项所述的腿轮式汽车行走机构，其特征在于，所述控制方法包括：
控制机械腿组件(1)处于行走模式时：首先，控制***(4)控制刹车组件(22)锁定轮毂推进电机(21)的输出轴；然后，第一驱动电源(3)给机械腿组件(1)供电，控制***(4)控制驱动关节(11)转动，驱动关节(11)带动连接杆(12)转动，实现机械腿组件(1)的姿态变化，使机轮组件(2)相对汽车底盘收起或伸展，从而带动汽车行走；
控制车轮滚动及机械腿组件(1)处于行走模式时：控制***(4)控制刹车组件(22)解除对轮毂推进电机(21)输出轴的锁定；然后，第一驱动电源(3)给机械腿组件(1)供电，控制***(4)控制驱动关节(11)转动，驱动关节(11)带动连接杆(12)转动，实现机械腿组件(1)的姿态变化；总体动力组件(5)给轮毂推进电机(21)供电，轮毂推进电机(21)带动车轮转动；
控制腿轮式汽车处于车轮滚动模式：控制***(4)控制刹车组件(22)解除对轮毂推进电机(21)输出轴的锁定；第一驱动电源(3)停止给机械腿组件(1)供电，机械腿组件(1)处于锁定状态；总体动力组件(5)给轮毂推进电机(21)供电，轮毂推进电机(21)带动车轮转动。
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