一种用于圆曲面行走的可变向车轮组的制作方法

本技术属于可变向车轮组，涉及一种用于圆曲面行走的可变向车轮组。

背景技术：

1、在建筑工程检测、盾构隧道施工等领域，爬壁机器人、基建设备等常需在圆曲面结构上完成移动作业，车轮组作为设备与作业面接触的核心部件，其对曲面的适配能力直接决定作业效率与安全性。随着建筑物形状多样性提升，小半径弧面、圆柱面等复杂曲面的作业需求日益增多，具备可变向、曲面适配功能的车轮组成为相关设备的关键技术支撑，其需实现对不同曲率圆曲面的动态适配，确保设备行走平稳、作业精准。

2、然而，传统车轮组在圆曲面行走时存在显著技术缺陷。传统车轮组的从动轮多为固定安装结构，无法根据圆曲面的曲率变化动态调整位置与角度，导致履带与曲面之间易出现间隙，贴合不紧密。这一问题不仅会造成设备行走时打滑、偏移，影响移动稳定性与作业精度，还可能因受力不均加剧履带磨损，降低设备使用寿命。在小半径圆曲面作业场景中，该问题更为突出，甚至可能引发设备倾翻等安全隐患，严重限制了相关设备在复杂曲面作业场景中的应用。

3、经检索查阅相关资料，目前针对曲面行走的车轮组改进已有部分技术方案。其中，专利号为cn104564133a的专利名称为一种曲面行走万向轮，通过在横梁中部设置开放式凹槽，凹槽内的基座顶部和底部分别安装相互正交垂直的第一销轴和第二销轴，利用基座与基建设备底架沿第一销轴的左右摆动、基座与横梁沿第二销轴的前后摆动，确保滚轮作用力始终垂直于盾构管片曲面。该专利的优势在于结构简单、可靠性高，无需铺设临时轨道即可实现设备在曲面的运行，缩短了施工周期；但缺点是仅适用于单个万向轮的独立适配，难以形成车轮组协同工作，且缺乏履带配合结构，在较大载荷或复杂曲率圆曲面上的稳定性不足，无法解决履带与曲面贴合不紧密的问题。另一类常见方案是采用多组独立悬挂的万向轮组合，通过单个轮体的独立摆动适配曲面，其优势是可分散载荷，适配中等曲率的曲面；但缺点是轮组协调控制难度大，履带与轮体之间易出现受力不均，对圆曲面曲率变化的响应灵敏度不足，仍存在行走稳定性差的问题。此外，部分方案通过增加履带张紧装置改善贴合度，但仅能调节履带松紧，无法从根本上解决从动轮位置与曲面曲率不匹配的核心矛盾，适配性提升有限。综合分析现有技术，现有技术中的动态摆动适配原理为曲面接触提供了重要思路，但现有方案均未实现车轮组中从动轮的主动动态位置调整与履带结构的有效结合。因此，本实用新型借鉴动态适配的核心逻辑，采用弧形滑动槽与转动驱动装置相结合的结构，实现从动轮位置的主动动态调节，搭配弹性履带确保与圆曲面的紧密贴合，最终解决传统车轮组在圆曲面行走时的适配性与稳定性问题。

技术实现思路

1、本实用新型提供一种用于圆曲面行走的可变向车轮组，解决传统车轮组在圆曲面行走时难以通过动态调整从动轮位置以适配曲面曲率变化，导致履带贴合不紧密、行走稳定性差的技术问题。

2、为了解决上述问题，实用新型所采用的技术方案是：

3、一种用于圆曲面行走的可变向车轮组，包括机器本体，所述机器本体的底部两侧固定有连接侧板，所述连接侧板远离机器本体的一端固定连接有轮组固定侧板；所述轮组固定侧板上转动连接有主动轮和从动轮，所述轮组固定侧板对应从动轮的位置开设有弧形滑动槽，所述从动轮的轮轴两端固定有滑动块，所述滑动块与弧形滑动槽滑动配合；所述轮组固定侧板上还固定有转动驱动装置，所述转动驱动装置的输出端连接有转动杆，所述转动杆远离转动驱动装置的一端与从动轮的轮轴铰接；所述主动轮的一侧设有驱动电机，所述驱动电机的输出轴与主动轮的轮轴传动连接；所述主动轮与从动轮之间套设有弹性履带。

4、本方案的原理与优点在于：

5、机器本体通过连接侧板与轮组固定侧板形成稳固支撑，主动轮在驱动电机的带动下提供行走动力，弹性履带则实现主动轮与从动轮之间的动力传递与曲面接触。轮组固定侧板上的弧形滑动槽为从动轮提供了弧形移动轨迹，从动轮轮轴两端的滑动块与弧形滑动槽形成滑动配合，限定从动轮的移动路径；同时，转动驱动装置通过转动杆与从动轮轮轴铰接，可根据圆曲面的曲率变化，驱动转动杆伸缩或转动，从而带动从动轮沿弧形滑动槽实时调整位置与角度。这一设计使得从动轮能够动态适配不同曲率的圆曲面，确保弹性履带始终与曲面保持贴合状态，避免出现间隙或受力不均的情况，为设备行走提供稳定支撑。

6、与现有技术相比，现有技术中仅能实现单个轮体的摆动适配，无法形成车轮组与履带的协同工作，在复杂曲率曲面或较大载荷下稳定性不足；而多组独立悬挂万向轮组合方案则存在协调控制难度大、履带贴合度差的问题。本方案通过弧形滑动槽与转动驱动装置的联动设计，实现了从动轮位置的主动动态调节，相比现有技术的被动适配，响应更迅速、适配精度更高，能够精准应对小半径圆曲面、变曲率曲面等复杂场景。并且弹性履带与动态调节的从动轮配合，确保了履带与曲面的紧密贴合，彻底解决了传统车轮组打滑、偏移的问题，例如在圆柱形桥梁支柱检测场景中，设备行走偏差可缩小至毫米级，显著提升作业精度；主动动态调节结构降低了履带磨损，延长了设备使用寿命，相比传统固定轮组，履带更换周期可延长；并且本方案无需额外铺设轨道或改造作业面，适用范围更广，既能适配凸曲面、凹曲面等不同类型的圆曲面，又可满足爬壁机器人、基建设备等多种设备的安装需求，大幅降低了施工与检测成本。

7、进一步，所述滑动槽为弧形滑动槽，该滑动槽与从动轮之间配合连接，圆曲面的几何特性决定了其表面任意点的切线方向随曲率变化而改变，若采用直线型滑动槽，从动轮仅能沿固定直线轨迹移动，无法匹配曲面的弧形轮廓，易导致履带与曲面出现间隙或局部过度挤压；而弧形滑动槽的曲率设计可与目标适配圆曲面的曲率范围相匹配，能引导从动轮始终沿贴合曲面轮廓的弧形路径调整位置，避免从动轮偏移或卡顿。同时，弧形滑动槽与从动轮轮轴两端滑动块的配合，可限制从动轮仅在预设的弧形轨迹内运动，防止其在受力过程中出现横向偏移或角度错位，确保从动轮与主动轮之间的相对位置稳定，进而保证弹性履带始终处于张紧且贴合曲面的状态。例如在爬壁机器人检测圆柱形支柱时，弧形滑动槽能引导从动轮随圆柱曲面的弧度实时调整高度与角度，使履带始终完整贴合柱面，避免因轨迹约束不当导致履带局部悬空或磨损加剧，为设备在圆曲面上的平稳行走提供可靠的结构支撑。

8、进一步，所述转动驱动装置设置在滑动槽的圆心位置处，该转动驱动装置为正反转结构设置，弧形滑动槽的圆心是该弧形轨迹的基准点，转动驱动装置位于此处时，其输出端连接的转动杆可视为从圆心延伸至从动轮轮轴的半径，转动杆的正反转能直接带动从动轮沿弧形滑动槽做圆周轨迹运动，无需额外的导向矫正结构即可确保从动轮始终贴合滑动槽轨迹，避免因转动中心偏移导致的调节卡顿或轨迹偏差，显著提升调节精度。例如在适配不同半径的圆曲面时，若需增大从动轮与主动轮的间距以贴合大曲率凸曲面，转动驱动装置正转可带动转动杆推动从动轮沿弧形槽向外移动；若需减小间距以贴合凹曲面，反转则可拉动从动轮向内移动，整个调节过程无需改变转动驱动装置与滑动槽的相对位置，操作便捷且响应迅速。此外，正反转结构赋予了从动轮双向调节能力，使其不仅能适配固定曲率的圆曲面，还能应对变曲率曲面，如椭圆面、不规则弧面的实时变化，相比单向调节结构，适配范围更广、实用性更强，同时转动中心与滑动槽圆心的重合设计，能最小化转动杆的受力损耗，降低装置运行噪音与部件磨损。

9、进一步，所述轮组固定侧板的一侧设置有曲面曲率传感器，该曲面曲率传感器为四芯光纤曲率传感器，其探测方向与所述车轮组的行走方向保持一致，四芯光纤曲率传感器相较于传统机械或单芯光纤传感器，具有更高的探测精度与抗干扰能力，其通过多芯光纤的光强变化精准计算曲面曲率，可有效避免粉尘、振动等施工环境因素对探测结果的干扰，确保曲率数据的真实性与稳定性。而将探测方向与行走方向保持一致，能让传感器提前感知设备前方即将接触的曲面曲率状态，而非仅检测当前接触位置，为从动轮调节预留充足响应时间，例如在爬壁机器人检测变曲率圆柱面时，传感器可提前0.5～1秒探测到前方曲面曲率的细微变化，并将信号传输至控制系统，使转动驱动装置及时带动从动轮沿弧形滑动槽调整位置，避免因调节滞后导致履带贴合不紧密。此外，该设计还能实现曲率变化的实时量化反馈，控制系统可根据传感器输出的精确曲率参数，自动计算从动轮所需调整的角度与位移，相比传统依赖人工判断或预设参数的调节方式，不仅大幅提升了适配精度，还能适配更多未知曲率的圆曲面场景，无需针对不同曲面重新调试设备。

10、进一步，所述履带内侧设置有曲面贴合压力监测传感器，该曲面贴合压力监测传感器为薄膜式压力传感器，沿所述履带长度方向间隔20～30mm布置，能实时、全面地捕捉履带与圆曲面之间的贴合压力分布状态，为从动轮动态调节提供精准的闭环反馈，确保履带始终以最优压力贴合曲面，同时及时预警异常受力风险。从传感器特性来看，薄膜式压力传感器具有厚度薄、柔韧性强的优势，能紧密贴合履带内侧的弧形轮廓，随履带形变同步感知压力变化，避免因传感器刚性过大影响履带正常运动或造成压力探测偏差；而20～30mm的间隔布置，既能保证压力监测的覆盖密度，该间距小于多数圆曲面作业场景下履带与曲面的接触宽度，可实现无死角的压力分布监测，又能避免因传感器过于密集导致的成本浪费与信号冗余。当履带某区域因从动轮调节不到位出现贴合过松（压力过低）或过紧（压力过高）时，对应位置的传感器会实时将压力数据传输至控制系统：若检测到某段履带压力低于阈值，系统可驱动转动驱动装置调整从动轮位置，增大该区域履带张力以提升贴合度，避免打滑；若某段压力高于阈值，则可适当放松履带，防止过度挤压导致履带磨损加剧或曲面损伤。例如在爬壁机器人检测小半径圆柱凸面时，履带上下端易因曲率变化出现压力不均，通过传感器反馈的压力分布数据，从动轮可针对性调节高度。

11、进一步，所述主动轮和从动轮内侧设置有压力传感器，该压力传感器为微型压阻式压力传感器，沿主动轮和从动轮的齿轮圆周方向均匀布置3～4个，微型压阻式压力传感器体积小、响应速度快，可适配轮体齿轮的紧凑空间，避免对轮齿啮合运动造成干扰；而沿圆周均匀布置3～4个的设计，既能实现对轮体圆周方向受力的全面覆盖，3～4个传感器的间隔角度可确保轮体转动过程中始终有传感器处于有效监测位置，无监测盲区，又能通过多传感器数据对比，精准判断轮齿与履带的啮合是否存在局部过紧、过松或错位问题。在实际运行中，当主动轮通过齿轮驱动履带时，若某一区域轮齿与履带啮合压力过低，可能导致打滑、动力传递损耗；若压力过高，则会加剧轮齿与履带的磨损，甚至引发齿面变形。此时，对应位置的压力传感器可实时将数据反馈至控制系统：若检测到压力不均，系统可通过微调驱动电机转速或从动轮位置，优化轮齿与履带的啮合状态，确保动力稳定传递；同时，通过长期监测压力数据，还能预判轮齿或履带的磨损趋势，例如当某一传感器监测到的压力值持续异常时，可提前预警部件损耗，避免突发故障。例如在爬壁机器人攀爬圆曲面过程中，轮体因曲面曲率变化可能出现局部啮合压力骤增，传感器可在0.1秒内捕捉到压力异常并触发调节，相比无监测的传统轮组，能将轮齿与履带的磨损率降低，同时避免因啮合不良导致的设备停滞或行走偏移，显著提升设备运行的可靠性与耐久性。

12、进一步，所述从动轮的在滑动槽滑动的高度位移小于从动轮的直径半径，从动轮能动态适配圆曲面曲率变化的同时，避免因位移过大导致轮组结构稳定性下降、履带张力失控或设备重心偏移等问题；从动轮的直径半径是其自身结构稳定的关键基准：若高度位移超过半径，从动轮在滑动过程中可能出现过度倾斜，导致轮轴与滑动槽的配合间隙增大，引发晃动或卡顿，甚至造成轮组固定侧板受力不均；同时，过大的位移会使主动轮与从动轮之间的中心距变化超出弹性履带的伸缩极限，要么导致履带过度松弛出现打滑，要么使履带过度张紧加剧磨损，破坏动力传递的稳定性。而将位移控制在半径以内时，从动轮既能沿弧形滑动槽完成足够幅度的位置调整，以适配小半径圆曲面、变曲率曲面等场景下的曲率变化需求，例如在爬壁机器人检测直径1米的圆柱形构件时，该位移范围足以让从动轮贴合柱面弧度实时微调，确保履带无间隙接触；又能始终保持轮体与履带的合理啮合状态，避免中心距突变对履带张力的影响，同时防止设备重心因从动轮位移过大而出现明显偏移，尤其在垂直或倾斜圆曲面作业时，可有效降低设备倾翻风险。

13、进一步，所述主动轮的直径是从动轮直径的两倍，主动轮直径更大，其转动时的线速度与驱动力矩更优：在驱动电机输出功率相同的情况下，更大直径的主动轮可通过更大的接触面积将动力更平稳地传递至履带，减少单位面积受力，降低履带与轮体的局部磨损；同时，较大的主动轮力矩能更好地克服圆曲面行走时的阻力，避免电机过载，例如在爬壁机器人攀爬圆柱形凸曲面时，大直径主动轮可提供更强的牵引力，防止设备下滑。从曲面适配与行走平稳性来看，小直径从动轮更易实现灵活的位置调节，结合此前弧形滑动槽的设计，直径更小的从动轮沿槽滑动时所需的调整空间更小，能更精准地适配圆曲面的曲率变化，确保履带始终贴合曲面；而主动轮直径更大，其与曲面的接触点更稳定，可作为轮组的支撑基准，减少因从动轮微调带来的设备整体晃动，例如在变曲率圆曲面行走时，大直径主动轮能维持设备行进方向的稳定性，小直径从动轮则快速适配曲率变化，二者配合实现稳定导向和灵活适配的协同效果。此外，主动轮与从动轮的直径比例设计，还能优化轮组整体布局：大主动轮可提升设备底盘高度，避免行走时被曲面凸起或障碍物卡滞，小从动轮则降低轮组整体重量与占用空间，尤其适配爬壁机器人等对重量和体积敏感的设备。

14、进一步，所述微处理器与曲面贴合压力监测传感器、压力传感器、转动驱动装置电连接，用于根据传感器数据控制转动驱动装置的转动，进而控制从动轮在滑动槽内的位置，微处理器可实时采集两类传感器的监测数据：曲面贴合压力监测传感器反馈的履带与曲面全域压力分布，能反映履带整体贴合状态，避免局部悬空或过度挤压；主动轮、从动轮内侧的压力传感器反馈的轮齿啮合压力，可判断动力传递是否均衡，防止打滑或部件磨损。微处理器通过预设算法对这些数据进行快速分析，例如当检测到履带某区域压力低于阈值时，可判定该区域贴合过松，随即计算出从动轮需沿弧形滑动槽调整的位移量，再向转动驱动装置发送精准控制信号，驱动转动杆带动从动轮移动至目标位置，直至传感器反馈压力恢复至合理范围。这种闭环控制相比传统方案，不仅响应速度更快，还能实现自适应调节，无需人工干预即可应对变曲率圆曲面、曲面障碍物等复杂场景。例如在爬壁机器人检测圆柱形构件时，若构件表面存在微小凸起导致履带局部压力骤增，微处理器可在0.5秒内识别异常并驱动从动轮微调，避免履带过度磨损或设备偏移；同时，微处理器还可存储历史数据，通过数据分析优化调节参数，进一步提升适配精度，例如针对不同曲率的圆曲面自动匹配最优调节策略，无需反复调试设备。