Адаптивный колесно-шагающий движитель с раздвижным ободом

Полезная модель относится к движителям высокой проходимости, способным совершать движение в режиме качения и в режиме шагания, а также способным изменять свои геометрические характеристики (диаметр), и может использоваться в различных сферах деятельности (сельскохозяйственной, промышленной, в сфере безопасности и т. д.).
Известно устройство колесно-шагающий движитель с функцией активной подвески [Авторское свидетельство РФ 2671661, МПК B62D57/02, 2018], который содержит два равноплечих шарнирно-сочлененных рычага, связанных между собой суммирующей передачей с передаточным отношением, равным +0,5, первый из которых своим свободным концом поворотно соединен с корпусом транспортного средства, а второй поворотно соединен со ступицей колеса, тяговый привод, включающий двигатель и редуктор, размещенные в ступице колеса, размещенные в первом рычаге редуктор шагания и блокирующий механизм, выполненный в виде планетарной передачи, водило и эпицикл которой снабжены управляемыми тормозами, неповоротно связанными с корпусом, отличающийся тем, что с целью улучшения возможностей адаптации движителя к рельефу и повышения подвижности путем регулирования относительного положения колес и корпуса по вертикали в процессе движения в колесном режиме корпус транспортного средства жестко связан со стаканом, в котором размещен поворотный корпус со встроенными в него двигателем и редуктором поворотного корпуса, выходной вал которого связан зубчатой передачей с упомянутым стаканом, редуктором шагания, выходной вал которого жестко связан с первым рычагом, блокирующим механизмом, солнечная шестерня которого связана с валом двигателя, эпицикл - с входным валом редуктора поворотного корпуса, водило - с входным валом редуктора шагания, а корпус тягового привода соединен со стаканом с помощью двух реактивных цепных передач, одна из свободных звездочек которых неповоротно соединена с корпусом тягового привода, другая - со стаканом, а две звездочки соединены общим валом, соосным с осью сочленения рычагов, одна из опор которого установлена поворотно в первом, а вторая - во втором рычаге.
Недостатком устройства является неспособность данного транспортного средства автоматически адаптироваться под профиль преодолеваемых препятствий по ходу движений в реальном времени с учетом очувствления элементов движителя при помощи оснащения его тензометрической системой. А также у устройства отсутствует возможность использования различных режимов движения с учетом сложного рельефа пересекаемой местности, а именно режима шагания.
Известно устройство  шагающее колесо транспортного средства повышенной проходимости [Авторское свидетельство РФ 2455172, МПК B60B19/00, B62D57/032, 2012], содержащее две спаренные опоры с выпуклыми опорными секторами, образованными дугами окружности, закрепленные на установленных на водиле в противофазе сателлитах, взаимодействующих посредством внутреннего зацепления с зубчатым венцом планетарного механизма, закрепленным на корпусе транспортного средства, отличающееся тем, что опорные секторы закреплены на опорах шарнирно в вертикальной плоскости движения и подпружинены относительно опоры с возможностью упругого поворота вокруг шарнира, а шарнир закреплен на оси опоры в центре кривизны сектора.
Недостатком данного устройства является то, что оно работает только в одном режиме - в режиме шагания, отличающемся своей низкой скоростью и неустойчивостью.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков и принятым за прототип является [П.м. 180692 Российская Федерация, МПК B60B3/00, B60B15/00, B60B23/12, 2018.] адаптивное колесо с раздвижным ободом, содержащее смонтированную на цапфе ступицу с закраиной обода, несущую подвижную в осевом направлении втулку с другой закраиной, упругую шину, размещенную между названными закраинами обода, и силовой орган, изменяющий расстояние между ними, отличающееся тем, что колесо снабжено микропроцессором, входы которого соединены с выходами тензометрических датчиков расположенных на внутренней части упругой шины, а выходы микропроцессора соединены с  силовым органом с возможностью управления его перемещением.
Недостатком устройства является отсутствие возможности использования различных режимов движения с учетом сложного рельефа пересекаемой местности, а именно режима шагания.
Задачей является создание устройства с возможностью автоматического управления диаметром движителя на ходу транспортного средства, исходя из геометрических размеров преодолеваемых препятствий, и автоматического перехода с режима колесного движения на режим шагания.
Техническим результатом является повышение проходимости транспортных систем с колесно-шагающим движителем, обладающим механизмом адаптации к профилю преодолеваемых препятствий.
Указанный технический результат достигается тем, что адаптивный колесно-шагающий движитель с раздвижным ободом, содержащий упругие опорные элементы, образующие каркас шины движителя, размещенный на неподвижном основании, и силовой орган, задающий диаметр колеса, колесо снабжено микропроцессором, входы которого соединены с выходами тензометрических датчиков, расположенных на внутренней части опорных элементов, а выходы микропроцессора соединены с силовым органом с возможностью управления перемещением, причем дополнительно снабжен закрепленным на подшипнике зубчатым колесом, находящимся в зацеплении с упругими опорными элементами.
Дополнительное снабжение заявляемого устройства закрепленным на подшипнике зубчатым колесом, находящимся в зацеплении с упругими опорными элементами, позволяет осуществлять движение в различных режимах (вращения и шагания) за счет регулирования диаметра движителя, происходящего в плоскости, перпендикулярной плоскости преодолеваемого рельефа транспортного средства.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид адаптивного колесно-шагающего движителя с раздвижным ободом, на фиг.2 – сечение по А-А, на фиг.3 изображены геометрические параметры для расчета определения высоты препятствия.
Адаптивный колесно-шагающий движитель с раздвижным ободом состоит из неподвижного основания 1 с подшипником 2, на котором размещено зубчатое колесо 3, находящееся в зацеплении с упругими опорными элементами 4, образующими каркас шины, которые в свою очередь находится в зацеплении с силовым органом, задающим диаметр колеса, представляющим собой сервоприводы 5, закрепленные на основании 1. Адаптивный колесно-шагающий движитель снабжен микропроцессором 6, входы которого соединены с выходами тензометрических датчиков 7, расположенных на внутренней части упругих элементов 4, а выходы микропроцессора 6 соединены с сервоприводами 5, изменяющими диаметр колеса (фиг. 1 и фиг. 2).
Адаптивный колесно-шагающий движитель с раздвижным ободом работает следующим образом.
На внутреннюю часть упругого опорного элемента 4, смонтированного на основании 1, размещаются тензометрические датчики 7 (резисторы изгиба), работающие таким образом, что дискретный участок шины без нагрузки выдает сопротивление, взятое за базовое значение, под нагрузкой тензометрический датчик 7 будет иметь меньшее сопротивление (так как происходит его разгибание). Показания тензометрических датчиков 7 передаются в микропроцессор 6, где происходит сравнение, определение места контакта с поверхностью для определения геометрических параметров препятствия. Так если сопротивление тензометрического датчика 7, расположенного на внутренней части упругого элемента 4, после соприкосновения с грунтом уменьшится, значит, присутствует препятствие и необходимо определить возможность его преодоления и при необходимости увеличить радиус движителя или сменить режим движения на шагание. Изменение радиуса происходит следующим образом: сигнал с микропроцессора 6 подается на сервоприводы 5, закрепленные на основании 1, от действия которых приводится в движение зубчатое колесо 3, закрепленное на подшипнике 2. От вращения зубчатого колеса 3 находящиеся в зацеплении с ним упругие опорные элементы 4 выдвигаются, тем самым увеличивая диаметр движителя.
Необходимо разобрать процесс изменения геометрических характеристик (диаметра) или режима движения на шагание на ходу транспортного средства в зависимости от преодолеваемых препятствий. Для очувствления движителя на внутреннюю часть упругих опорных элементов 4 закреплен тензометрический датчик 7, который реагирует на деформацию поверхности. В случае наличие препятствия он срабатывает, сигнал от него идет на микропроцессор 6, который в зависимости от резисторов высоты изгиба, дает команду силовым органам (сервоприводам 5) на изменение диаметра движителя или изменение режима движения на шагание.
Проведем геометрические расчеты для определения высоты препятствия адаптивным колесно-шагающего движителем с раздвижным ободом (фиг. 3).
При передвижении движителя в реальном времени происходит автоматическое определение высоты препятствия при помощи установленных на упругих элементах 4 тензометрических датчиков 7. Тензометрические датчики 7 расположены в определенном порядке и в определенном количестве. При соприкосновении тензометрического датчика 7 с препятствием или с полотном дороги автоматически определяется номер тензометрического датчика 7 и определяется угол между серединой упругого элемента 4 и точкой соприкосновения тензометрического датчика 7 с препятствием.
Угол между серединами упругих 4 элементов равен 90°.
Тогда сумма углов будет составлять:
,
где угол между серединной осью упругого элемента 4 и точкой касания упругого элемента 4 с препятствием;
угол между точкой касания упругого элемента4 с препятствием и точкой касания следующего упругого элемента 4 с землей;
угол между точкой касания следующего упругого элемента 4 с землей и серединной осью этого упругого элемента 4.
Угол  и находится из формулы длины дуги:
,
,
где это длины дуг между серединной осью упругого элемента 4 и точкой касания с препятствием и поверхностью, соответственно, которые определяются автоматически, исходя из того, какой по счету датчик срабатывает;
радиус движителя без нагрузки.
Тогда угол  находится как:
.
Из прямоугольного треугольника находим расстояние k между центром движителя и точкой соприкосновения упругого элемента 4 с препятствием:
Тогда высота препятствия :
Рассмотрим пример.
Пусть на каждом упругом элементе 4 расположено 8 тензометрических датчиков 7. Длина дуги L каждого упругого элемента 4 составляет 160 мм, длина тензометрических датчиков 7 составляет 20 мм. Диметр d колеса без нагрузки 220 мм.
Пусть один из упругих элементов 4 наталкивается на препятствие и опирается на 6-й тензометрический датчик 7, тогда расстояние от середины упругого элемента 4 до сработавшего тензометрического датчика 7 составляет:
Другой упругий элемент 4 соприкасается с поверхностью 1-м тензометрическим датчиком 7, тогда длина составляет:
Высота препятствия h определяется как:
Стоит отметить, что изменение диаметра и режима движения ведет не только к увеличению проходимости, маневренности, но и к возможности функционирования в условиях сложного рельефа преодолеваемых препятствий с малой зоной контакта опорной точки (режим шагания).
Таким образом, за счет дополнительной установки в адаптивном колесно-шагающем движителе закрепленного на подшипнике зубчатого колеса, находящегося в зацеплении с упругими опорными элементами, появляется возможность автоматического управления диаметром адаптивного движителя на ходу транспортного средства, исходя из геометрических размеров преодолеваемых препятствий, и переключения различных режимов движения.