CN111361355A - 一种用于攀爬阶梯装置的仿生步行轮 - Google Patents

Abstract

一种用于攀爬阶梯装置的仿生步行轮，包括轮毂、液压装置、外壳套和轮腿；液压装置和轮腿均为十六个，十六个轮腿通过销钉连接于轮毂并随轮毂转动。轮毂和外壳套之间通过若干个双头螺栓连接；液压装置通过螺纹与外壳套及轮腿连接。在十六个轮腿内部安装液压装置，通过轮腿的收缩模仿人双腿攀爬时通过屈膝而保障的平稳性；同时通过多组轮腿交替收缩以实现上下阶梯的功能。在阶梯攀爬的过程中，在达到传统攀爬阶梯装置的牵引攀爬性能外，本发明可使得装置波动降低，运行平稳。且本发明可实现功能模块的切换：在无需攀爬越障时，可通过限位销将伸缩轮腿固定在最小直径状态下，减少轮腿的使用次数，增长使用寿命。

Description

一种用于攀爬阶梯装置的仿生步行轮

技术领域

本发明涉及仿生工程技术领域，特别涉及一种可用于攀爬阶梯的仿生步行轮。

背景技术

人口老龄化的问题已经成为当今世界所面临的主要危机之一。根据***所发布的《世界人口展望》2017年修订版报告，目前全球60岁及以上人口约为9.62亿人，根据这一趋势，到2050年这一年龄层的人口数量将是现在的两倍多。我国人口老龄化的趋势也进一步加快，截止去年年底，我国60岁以上老年人口已经达到2.41亿，约占我国人口总数的17.3％，预计到2020年老年人口数量可以达到2.48亿。此外，根据全国残疾人抽样调查，我国残疾人口总数已达到8502万，其中肢体残疾为2472万人，约占我国人口总数的1.8％。如此庞大数量的老龄化人口和残疾人口，其无障碍通行是目前世界范围内广泛关注的热点和难点问题，因此研究一款服务于老年群体以及下肢有运动功能障碍人士的攀爬阶梯装置不仅具有科学意义，还有十分现实的社会意义。因此亟需开发一种轻便低廉，灵活平稳的攀爬阶梯装置，应对人口老龄化以及满足运动障碍人士的生活需求。

文献调研表明，研究人员现已开发出多种形式的攀爬阶梯装置，其中履带式机构技术相对成熟，但机构体积庞大笨重，灵活性差，对地面损坏性较大；星轮式机构则局限于行星轮个数和平稳性与轮椅体积和成本的矛盾关系；复合式机构虽弥补了单种爬楼机构的不足，但对协调控制与研发成本要求更高，难以推广。以上轮系结构存在结构复杂、运行状态不平稳、造价高昂等缺点；本发明基于此，设计开发一种适于攀爬阶梯装置的仿生步行轮，此仿生步行轮在设计上简单灵活，具有较高的运动平稳性，具有重要的应用价值和潜在应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种可用于攀爬阶梯的仿生步行轮。本发明采用液压装置实现了平稳可控的伸缩及良好稳定的性能。本发明通过限位销的同步触发开关实现平地行走和爬楼越障功能模块的切换；且轮心波动幅度小，对路面适应性强，提高了使用者的舒适度，安全性和平稳性。

本发明包括轮毂、液压装置、外壳套和轮腿；液压装置和轮腿均为十六个，相邻轮腿之间夹角为23.5°。十六个轮腿通过销钉连接于轮毂并随轮毂转动。轮毂和外壳套之间通过若干个双头螺栓连接；液压装置通过螺纹与外壳套及轮腿连接。

所述的轮腿包括轮足、缓冲胎、限位销、矩形滑槽和矩形卡槽；轮足与液压装置连接固定，限位销限制轮足在矩形滑槽中径向运动；轮腿通过限位销与外壳套连接，通过螺纹与液压装置连接。轮腿通过限位销在矩形滑槽内的径向滑动实现轮腿相对外壳套沿半径单方向的伸缩运动。

所述的限位销的截面为矩形，安装在外壳套矩形限位孔内，其限位端近似于立方体并位于截面为矩形的滑槽内，当轮足处于最小直径收缩状态时，限位端可通过控制开关使十六个限位销同步触发产生电磁吸附使限位销落入矩形卡槽中，限制轮足的收缩，达到定直径状态。

所述的液压装置包括液压缸和活塞杆；液压缸的一端安装于三角形外壳套内的预留接口上，活塞杆的一端与轮腿的轮足连接，带动轮足进行伸缩运动；轮足安装于轮体内与液压装置连接，其接触地面的一端安装有缓冲胎，侧面具有矩形滑槽，矩形滑槽最远端为矩形卡槽；限位销一端套连于三角形外壳套套上预留的外壳套矩形限位孔内；另一端位于矩形滑槽内，防止轮足相对轮体发生转动。

所述的外壳套由十六个三角形外壳套组成，每个三角形外壳套外部有外壳套矩形限位孔，外壳套矩形限位孔用于固定轮腿的限位销，三角形外壳套底部有螺纹接头，用于连接三角形外壳套与液压装置；三角形外壳套通过双头螺栓与轮毂固定连接在一起。

所述的三角形外壳套通过一个双头螺栓、一对双头螺母和一对垫片与轮毂固定连接在一起，液压装置底部通过内螺纹与三角形外壳套的接头相连接实现径向固定。

所述轮腿全部达到最大伸缩量时，其构成一个直径为L的正圆，L＝6mm；所述轮腿全部处于最小伸缩量，其构成一个直径为L的正圆，L＝mm。

本发明的工作过程：

本发明可以实现定直径状态和变直径状态的切换，从而能够应用到爬楼越障轮椅，不规则路面运送车，沙漠等路况的小型车辆或运输机器上.

在攀爬越障功能模块时，由于几个轮腿同时接触地面，且接触地面的角度不同，因此作用于几个轮腿所连接的液压装置的力不同，所以不同轮腿的收缩量不同。以第一轮腿为例，通过限位销在矩形滑槽中的径向运动带动轮腿伸缩。因此，此时每个轮腿所对应的轮径都不相同，即每个轮腿的行程不同，产生行程差，从而实现攀爬越障功能。当不需攀爬越障时，可切换至正常圆轮功能模块，通过控制开关使十六个限位销同步触发，限位销触发后受到电磁吸附力作用，十六个限位销被分别吸附到各自轮腿的矩形卡槽中，被固定在最短直径收缩状态，形成定直径的正常圆轮，从而适合平整路况使用。

本发明的有益效果：

1、本发明不同于行星轮组式、履带式等传统爬楼机构，本发明结构简单，易于使用，爬楼时运行平稳高效。其具体实现方法如下：攀爬阶梯时仿生步行轮各轮腿中与地面接触的轮腿受到压力，而使液压装置受压收缩带动各自的轮足收缩，轮体整体降低，因收缩程度不同，使相邻轮腿之间产生行程差得以攀于下一级阶梯之上，随着轮体周而复始的旋转，即可完成攀爬多层阶梯的功能。

2、本发明利用液压装置实现爬楼时轮腿的收缩，同时具有行程变化平稳、临界压力可调的优点。

3、本发明可实现功能模块的切换。本发明分为攀爬越障功能模块和正常路况功能模块。由攀爬越障功能模块切换至正常路况功能模块时，通过控制开关使十六个限位销同步触发，限位销触发后受到电磁吸附力作用，十六个限位销被分别吸附到各自轮腿的矩形卡槽中，被固定在最短直径收缩状态，形成定直径的正常圆轮，从而适合平整路况使用。

附图说明

图1是本发明的立体示意图。

图2是本发明的主视图。

图3是本发明的侧视图。

图4是本发明的轮毂立体示意图。

图5是本发明的外壳套立体示意图。

图6是本发明的液压装置立体示意图。

图7是本发明的轮腿立体示意图。

图8是本发明的限位销立体示意图。

图9是本发明在攀爬阶梯时的四个过程示意图。

图10是本发明在攀越障碍时的示意图。

图11是本发明切换至正常路况功能模块时的两个过程示意图。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，本发明包括轮毂1、液压装置2、外壳套3和轮腿4；液压装置2和轮腿4均为十六个，相邻轮腿4之间夹角为22.5°。十六个轮腿4通过销钉连接于轮毂1并随轮毂1转动。轮毂(1)和外壳套(3)之间通过若干个双头螺栓(5)连接；液压装置2通过螺纹与外壳套(3)及轮腿(4)连接。

如图7所示，轮腿(4)包括轮足(41)、缓冲胎(42)、限位销(43)、矩形滑槽(44)和矩形卡槽45；轮足(41)与液压装置(2)连接固定，限位销(43)限制轮足(41)在矩形滑槽(44)中径向运动；轮腿(4)通过限位销(43)与外壳套(3)连接，通过螺纹与液压装置(2)连接。轮腿(4)通过限位销(43)在矩形滑槽(44)内的径向滑动实现轮腿(4)相对外壳套(3)沿半径单方向的伸缩运动。

如图8所示，限位销(43)的截面为矩形，安装在外壳套矩形限位孔(311)内，其限位端近似于立方体并位于截面为矩形的滑槽内，当轮足41处于最小直径收缩状态时，限位端可通过控制开关使16组限位销43同步触发产生电磁吸附使限位销43落入矩形卡槽45中，限制轮足41的收缩，达到定直径状态。

如图5、图6和图7所示，液压装置(2)包括液压缸(21)和活塞杆(22)；液压缸(21)的一端安装于三角形外壳套(31)内的预留接口上，活塞杆(22)的一端与轮腿(4)的轮足41连接，带动轮足41进行伸缩运动；轮足41安装于轮体内与液压装置2连接，其接触地面的一端安装有缓冲胎42，侧面具有矩形滑槽44，矩形滑槽(44)最远端为矩形卡槽45；限位销43一端套连于三角形外壳套(31)套上预留的外壳套矩形限位孔(311)内；另一端位于矩形滑槽(44)内，防止轮足41相对轮体发生转动。

如图5和图7所示，外壳套(3)由十六个三角形外壳套(31)组成，每个三角形外壳套(31)外部有外壳套矩形限位孔(311)，外壳套矩形限位孔(311)用于固定轮腿(4)的限位销(43)，三角形外壳套(31)底部有螺纹接头，用于连接三角形外壳套(31)与液压装置(2)；三角形外壳套(31)通过双头螺栓(5)与轮毂(1)固定连接在一起。

所述的三角形外壳套(31)通过一个双头螺栓、一对双头螺母和一对垫片与轮毂(1)固定连接在一起，液压装置(2)底部通过内螺纹与三角形外壳套(31)的接头相连接实现径向固定。

所述轮腿全部达到最大伸缩量时，其构成一个直径为L1的正圆，L1＝650mm；所述轮腿全部处于最小伸缩量，其构成一个直径为L2的正圆，L2＝350mm。

本发明的工作过程：

使用时，由外部动力源(如驱动轴)驱动轮毂1转动，轮毂1带动各轮腿4同轴转动，从而为仿生步行轮的行进及爬楼提供动力。

在攀爬越障功能模块下，通过轮腿4受力不同导致液压装置2的伸缩程度不同，进而产生行程差，使仿生步行轮能够平稳的攀爬阶梯、攀越障碍。下面分别以爬楼和越障两种情况进行说明。

如图9所示，在爬楼时分为初始状态A、攀爬第一阶梯状态B、攀爬第二阶梯状态C、结束状态D四个过程。

初始状态A下，轮腿4即将与第一阶梯发生接触。

在攀爬第一阶梯状态B下，由于不同轮腿4的伸缩程度不同，与阶梯接触的相邻两轮腿4-1之间产生行程差，在外加动力作用下，使仿生步行轮爬上第一台阶；此时轮腿4-2即将与第二阶梯发生接触。

在攀爬第二阶梯状态C下，与攀爬第一阶梯原理相同。因此在面对多层台阶时，与此过程原理相同。

在结束状态D下，所有轮腿4均未与阶梯接触，仿生步行轮完成阶梯的攀越。

如图10所示，在不规则路面攀越障碍时，各轮腿4接触的受力面高度不同，因此液压装置2伸缩程度不同，与攀越阶梯原理相似，通过相邻轮腿4间的行程差使仿生步行轮能够平稳的攀越障碍。

如图11所示，当路况较为平整时，如果继续保持攀爬越障状态，会造成液压装置2使用次数的增加，降低使用寿命，此时通过控制开关实现十六个限位销43同步触发产生电磁，吸附固定在矩形滑槽(44)的矩形卡槽45中，此时，图11中的轮腿4-3已处于固定状态。在旋转一周后，所有轮腿4都被限位销43固定在最小直径状态，如图11所示，此时功能模块切换完成，仿生步行轮成为一个定直径普通圆轮。

本发明可以实现定直径状态和变直径状态的切换，从而能够应用到爬楼越障轮椅，不规则路面运送车，沙漠等路况的小型车辆或运输机器上

在攀爬越障功能模块时，由于几个轮腿4同时接触地面，且接触地面的角度不同，因此作用于几个轮腿4所连接的液压装置2的力不同，所以不同轮腿4的收缩量不同。以第一轮腿为例，通过限位销43在矩形滑槽(44)中的径向运动带动轮腿4伸缩。因此，此时每个轮腿4所对应的轮径都不相同，即每个轮腿4的行程不同，产生行程差，从而实现攀爬越障功能。当不需攀爬越障时，可切换至正常圆轮功能模块，通过控制开关使十六个限位销43同步触发，限位销43触发后受到电磁吸附力作用，十六个限位销4被分别吸附到各自轮腿4的矩形卡槽(45)中，被固定在最短直径收缩状态，形成定直径的正常圆轮，从而适合平整路况使用。

Claims (3)

1.一种用于攀爬阶梯装置的仿生步行轮，其特征在于：包括轮毂(1)、液压装置(2)、外壳套(3)和轮腿(4)；液压装置2和轮腿4均为十六个；相邻轮腿(4)之间夹角为22.5°；轮腿(4)通过销钉连接于轮毂(1)并随轮毂(1)转动；轮毂(1)和外壳套(3)之间通过若干个双头螺栓(5)连接；液压装置2通过螺纹与外壳套(3)及轮腿(4)连接；

所述的轮腿(4)包括轮足(41)、缓冲胎(42)、限位销(43)、矩形滑槽(44)和矩形卡槽(45)；轮足(41)与液压装置(2)连接固定，限位销(43)限制轮足(41)在矩形滑槽(44)中径向运动；轮腿(4)通过限位销(43)与外壳套(3)连接，通过螺纹与液压装置(2)连接；轮腿(4)通过限位销(43)在矩形滑槽(44)内的径向滑动实现轮腿(4)相对外壳套(3)沿半径单方向的伸缩运动；

所述的限位销(43)的截面为矩形，安装在外壳套矩形限位孔(311)内；

所述的液压装置(2)包括液压缸(21)和活塞杆(22)；液压缸(21)的一端安装于三角形外壳套(31)内的预留接口上，活塞杆(22)的一端与轮腿(4)的轮足41连接，带动轮足(41)进行伸缩运动；轮足(41)安装于轮体内与液压装置(2)连接，其接触地面的一端安装有缓冲胎(42)，侧面具有矩形滑槽(44)，矩形滑槽(44)最远端为矩形卡槽(45)；限位销(43)一端套连于三角形外壳套(31)套上预留的外壳套矩形限位孔(311)内；另一端位于矩形滑槽(44)内，防止轮足(41)相对轮体发生转动；

所述的外壳套(3)由十六个三角形外壳套(31)组成，每个三角形外壳套(31)外部有外壳套矩形限位孔(311)，外壳套矩形限位孔(311)用于固定轮腿(4)的限位销(43)，三角形外壳套(31)底部有螺纹接头，用于连接三角形外壳套(31)与液压装置(2)；三角形外壳套(31)通过双头螺栓(5)与轮毂(1)固定连接在一起。

2.根据权利要求1所述的一种用于攀爬阶梯装置的仿生步行轮，其特征在于：所述的三角形外壳套(31)通过一个双头螺栓、一对双头螺母和一对垫片与轮毂(1)固定连接在一起，液压装置(2)底部通过内螺纹与三角形外壳套(31)的接头相连接实现径向固定。

3.根据权利要求1所述的一种用于攀爬阶梯装置的仿生步行轮，其特征在于：所述轮腿(4)全部达到最大伸缩量时，其构成一个直径为L1的正圆，L1＝650mm；所述轮腿(4)全部处于最小伸缩量，其构成一个直径为L2的正圆，L2＝350mm。

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