Способ реконфигурирования колеса и реконфигурируемое колесо для его осуществления
WHEEL RE-CONFIGURATION METHOD AND RECONFIGURABLE WHEEL FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Настоящее изобретение относится к области робототехники, преимущественно к напланетным транспортным системам.
Оно может быть использовано в планетоходах с целью улучшения их проходимости, адаптации планетохода к различным типам грунтов и снижения энергозатрат при передвижении.
Кроме того, оно может быть использовано для быстрого преобразования дорожных машин в транспортные средства повышенной или даже высокой проходимости по местности.
Известен патент на полезную модель «Probe vehicle wheel with variable diameter elastically capable of automatic extension» CN 101537770 (А), опубл. 20.04.2009, в котором диаметр колеса может регулироваться автоматически в соответствии с рельефом местности, тем самым увеличивая проходимость транспортного средства и уменьшая воздействия, передающиеся от колеса на планетоход. Недостатком данного технического решения является нарушение целостности обода в крайних рабочих положениях, что отрицательно сказывается на надежности устройства, а также отсутствие возможности изменять ширину обода колеса.
Известен патент на изобретение «Колесо с изменяемой конфигурацией обода» RU 2152880 (С1), опубл. 05.01.1999, в котором колесо содержит обод в виде четырех стержней, расположенных по сторонам квадрата. На каждом стержне поворотно установлена своя двухсторонняя секция шины, одна сторона которой скруглена по радиусу колеса, а другая выполнена плоской. Секция выполнена из нескольких частей, независимо фиксируемых в любом из двух положений, в одном из которых к периферии колеса обращена скругленная сторона части секции шины, а в другом - ее плоская сторона. В одном положении колесо имеет круглую конфигурацию, а в другом -квадратную. Недостатками данного технического решения является форма, которую приобретает колесо после его реконфигурации, - квадрат, а также отсутствие возможности изменять ширину обода колеса.
Известен патент на полезную модель «Single power unfolding and driving integrated mobile robot wheel» CN 102120404 (А), опубл. 02.03.2011, который содержит привод, неравносторонний Х-типа цепной механизм и соединительный механизм ползункового типа. Привод и Х-образный механизм соединены между собой с помощью ползуна. При работе привода происходит перемещение ползуна, который в свою очередь воздействует на Х-образный механизм, раздвигая или сдвигая его. Недостатком данного технического решения является отсутствие возможности изменять ширину обода колеса.
Наиболее близким к заявленному техническому решению, принятому за прототип, является патент на полезную модель «Wheel with changeable wheel diameter» CN 201333898 (Y), опубл. 28.11.2008 (Колесо с изменяемым диаметром).
Прототип включает в себя внешний контур и телескопический механизм для управления внешним контуром, причем внешний контур образован множеством шарнирно соединенных между собой пластин. Телескопический механизм состоит из трех или более коротких плавающих стержней, диска и приводного устройства. Один конец каждого короткого плавающего стержня шарнирно соединен с одной из пластин внешнего контура с помощью штифта, а другой конец соединен с диском с возможностью скольжения. Приводное устройство включает в себя двигатель, размещенный на корпусе транспортного средства, гайку, расположенную на валу колеса, тягу, шарнирно соединенную с гайкой.
Выходной вал двигателя жестко соединен с винтовым штоком, то есть винт вращается вместе с выходным валом двигателя, а гайка навинчивается на вал винта для приведения в действие тяги.
Небольшие пластинки, формирующие внешний контур колеса, соединены чередующимся образом, и в каждой из них предусмотрено три небольших отверстия, при этом два отверстия на концах пластинки используются для соединения с соседними пластинками, а с помощью среднего отверстия пластинки соединяются и между собой, и с коротким стержнем, выполняющим роль спицы колеса, соединенной с его ступицей.
Способ работы механизма заключается в следующем. Выходной вал двигателя, прикрепленного к кузову транспортного средства, приводит в действие винт, его вращение приводит в движение гайку. Когда гайка перемещается, перемещается и тяга, шарнирно соединенная с ней, и движение тяги передается плавающему стержню. Благодаря наличию направляющих на диске скольжение плавающего стержня происходит радиально. При этом происходит втягивание наружного контура колеса. При вращении вала привода в противоположном направлении происходит выталкивание наружного контура колеса.
Недостатком данного технического решения является отсутствие возможности изменять ширину обода колеса.
Для движения по ровной дороге с высокой скоростью колесу целесообразно придавать конфигурацию, при которой оно имеет наибольший диаметр и наименьшую ширину. При необходимости преодоления участков с плохим покрытием с наименьшими энергозатратами, колесу целесообразно придать конфигурацию, при которой оно имеет наименьший диаметр и наибольшую ширину.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение проходимости и экономия энергоресурсов планетохода за счет изменения диаметра и ширины обода колеса.
Предлагаемое реконфигурируемое колесо имеет две конфигурации: 1) больший диаметр и меньшая ширина обода; 2) меньший диаметр и большая ширина обода.
Способ реконфигурирования колеса заключается в разбиении его обода на некоторое число независимых секторов равного размера, изменении длины его спиц между ступицей и сектором обода и развороте секторов обода за счет поворота соответствующих спиц на 90 градусов относительно их оси.
Выбор количества секторов влияет на ширину обода, при этом очевидно, что для увеличения ширины обода при уменьшении диаметра колеса необходимо, чтобы хорда, на которую опирается дуга сектора была больше изначальной ширины обода.
Для реализации этого способа предлагается реконфигурируемое колесо, содержащее ступицу, обод с шиной, разделенные на секторы, и механизм, отвечающий за изменение формы колеса. Каждый сектор в своем геометрическом центре с внутренней стороны имеет крепление к своей спице, оси каждой спицы расположены перпендикулярно оси ступицы и находятся в одной плоскости, совпадающей с плоскостью вращения колеса. Телескопический механизм распределен по спицам, при этом диаметр колеса изменяется путем телескопического выдвигания/втягивания спицы, а ширина обода изменяется за счет поворота сектора обода на 90 градусов вокруг оси спицы. В ступице размещаются устройства распределения крутящего момента, приводимые в действие общим приводом.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является увеличение проходимости планетохода.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
На фиг. 1 - Колесо в сборе с большим диаметром и меньшей шириной обода;
На фиг. 2 - Колесо в сборе с большим диаметром и меньшей шириной обода, (не показаны: труба 12, 13, ролики 14);
На фиг. 3 - Ступица колеса в сборе. Не показан один из электромагнитов;
На фиг. 4 - 1-й этап перехода колеса с большего диаметра на меньший;
На фиг. 5 - 2-й этап перехода колеса с большего диаметра на меньший;
На фиг. 6 - 3-й этап перехода колеса с большего диаметра на меньший.
В примере практического осуществления изобретения (фиг. 1-3) колесо содержит ступицу 1 и обод с шиной 2, разделенный на четное (8) количество секторов. На ступице 1 располагаются подшипники 3, закрепленные наружным кольцом на ступице 1, а внутренним - на валу 4. Вал 4 соединяется со шпилькой 5, один конец которой закреплен на внутренней поверхности сектора обода. Тем самым между валом 4 и шпилькой 5 создается передача типа винт-гайка. К валу 4 присоединяется муфта, состоящая из дисков 6, 7 и пружины 8, посаженных на вал 4, и электромагнита 9. С помощью данной муфты осуществляется передача момента с конической шестерни 10 на вал 4, а также торможение вала. Коническая шестерня 10 входит в зацепление с шестерней 11, установленной на валу приводного двигателя. Электромагнит 9 устанавливается на внутренней поверхности ступицы 1. Также на ступице 1 располагается труба 12, в которую входит труба 13, расположенная на внутренней поверхности обода с шиной 2. Труба 12 имеет направляющие, по которым перемещаются ролики 14, расположенные на трубе 13. Совокупность элементов 4, 5, 12, 13, 14 образуют спицы колеса.
Предложенный способ реализуется в устройстве следующим образом.
Переход с большего на меньший диаметр (и, соответственно, с меньшей на большую ширину обода) осуществляется в четыре этапа:
1) На электромагнитный тормоз привода подается питание, тем самым привод снимается с тормоза. Муфты с нечетными номерами переключаются из замкнутого положения в разомкнутое, отключая зависимые от них валы от конических шестерней. Принцип действия муфты заключается в следующем: при включении электромагнита 9 диск 7 перемещается из исходного положения, в котором его удерживает пружина 8, в положение, при котором диски не соприкасаются, и диск 7 прижимается к выступу на валу 4 и корпусу электромагнита. За счет этого блокируется перемещение вала 4 и становится возможным свободное вращение конической шестерни 10. При отключении электромагнита 9 пружина 8 возвращает диск 7 в исходное положение. При этом перестает блокироваться движение вала 4, и он становится зависимым от движения конической шестерни 10. Коническая шестерня 10 взаимодействует с коническим колесом 11, которое установлено на валу приводного двигателя. Привод осуществляет выдвигание спиц с четными номерами на фиксированное расстояние, достаточное для осуществления поворота секторов с нечетными номерами. После чего данные муфты переключаются в изначальное, замкнутое положение, тем самым подключая валы к коническим шестерням. В результате колесо приобретает конфигурацию, показанную на фиг. 4.
2) Муфты, имеющие четные номера, переключаются из замкнутого положения в разомкнутое, тем самым отключая валы от конических шестерней. Привод осуществляет втягивание спиц, имеющих нечетные номера, с одновременным поворотом их вокруг своих осей. После чего данные муфты переключаются в изначальное положение, тем самым подключая валы к коническим шестерням. В результате колесо приобретает конфигурацию, показанную на фиг. 5.
3) Муфты с нечетными номерами переключаются из замкнутого положения в разомкнутое, тем самым отключая зависимые от них валы от конических шестерней. Привод осуществляет втягивание спиц, имеющих четные номера, с одновременным поворотом их вокруг своих осей на 90 градусов, стягивая сектора обода друг с другом и собирая обод в жесткую конструкцию. В результате колесо приобретает конфигурацию, показанную на фиг. 6.
4) Осуществляется отключение питания тормоза привода, при этом происходит торможение вала привода и переключение всех муфт в замкнутое положение, т.е. осуществляется блокирование каждой спицы от ее самопроизвольного перемещения.
Переход с меньшего на больший диаметр осуществляется аналогичным образом, путем последовательного перехода в состояния, показанные на фиг. 6, фиг. 5, фиг. 4, фиг. 1.