一种集成式步履转向驱动桥

摘要

本发明公开了一种集成式步履转向驱动桥，包括上部旋转臂、腿部关节、中部旋转臂、膝关节、踝关节、底部车轮行走装置；其中，所述腿部关节位于车身连接件和上部旋转臂之间，所述腿部关节与所述上部旋转臂铰接；所述膝关节连接上部旋转臂和中部旋转臂，中部旋转臂通过所述膝关节与所述上部旋转臂铰接；踝关节连接中部旋转臂和底部车轮行走装置，所述底部车轮行走装置通过所述踝关节与所述中部旋转臂铰接，所述踝关节控制所述底部车轮行走装置转向运动和驱动运动。本发明集成了步履、转向和驱动功能，采用三段式结构，通过关节电机改变相接合的两旋转臂的相对位置，从而使步履式水陆两栖汽车在道路上行驶，在陆地上行走和在水面上航行。

权利要求

1.一种集成式步履转向驱动桥，其特征在于：包括上部旋转臂、腿部关节、中部旋转臂、膝关节、踝关节、底部车轮行走装置；其中，所述腿部关节位于车身连接件和上部旋转臂之间，所述腿部关节与所述上部旋转臂铰接；

所述膝关节连接上部旋转臂和中部旋转臂，中部旋转臂通过所述膝关节与所述上部旋转臂铰接；

踝关节连接中部旋转臂和底部车轮行走装置，所述底部车轮行走装置通过所述踝关节与所述中部旋转臂铰接，所述踝关节控制所述底部车轮行走装置转向运动和驱动运动，所述踝关节包括踝关节外壳、踝关节电机、输入行星齿轮结构，输出行星齿轮结构、转向制动器、鼓式制动器、输出转轴齿轮和输出转轴，所述踝关节电机的外端与中部旋转臂用紧固件连接，同时电机外壳与踝关节外壳用电机轴承配合，电机的转轴直接作为输入行星齿轮机构的太阳轮输入，踝关节外壳的另一端用踝关节轴承与中部旋转臂配合，端盖用以轴向定位踝关节轴承；所述输入行星齿轮结构的行星架与所述输出行星齿轮结构的行星架固定连接，输入行星齿轮结构和输出行星齿轮结构均与所述输出转轴上的输出转轴齿轮啮合，所述输出转轴连接底部车轮行走装置，所述鼓式制动器安装在中部旋转臂上对所述踝关节外壳进行制动，所述转向制动器对所述输出转轴进行制动。

2.根据权利要求1所述的一种集成式步履转向驱动桥，其特征在于：所述腿部关节包括腿部关节电机和腿部关节轴承，腿部关节电机的内定子与车身连接件用紧固件连接，与上部旋转臂用腿部关节轴承配合，其外转子与上部旋转臂的内侧用花键配合。

3.根据权利要求1所述的一种集成式步履转向驱动桥，其特征在于：所述膝关节包括膝关节电机和膝关节轴承，所述膝关节电机的内定子与上部旋转臂用紧固件连接，其间装有膝关节轴承用以配合，外转子与中部旋转臂的内侧用花键配合。

4.根据权利要求1所述的一种集成式步履转向驱动桥，其特征在于：所述输入行星齿轮结构包括第一外齿圈，第一行星轮，电机输入齿轮，第一行星架，所述输出行星齿轮结构包括第二外齿圈，第二行星轮，第二太阳轮，第二行星架；所述第一外齿圈与第一齿圈锥齿轮内圈固定连接，第二外齿圈与第二齿圈锥齿轮固定连接，其中，第一行星架，第二行星架和踝关节外壳固联在一起，电机输入齿轮固定连接在所述踝关节电机的电机轴上。

5.根据权利要求1所述的一种集成式步履转向驱动桥，其特征在于：所述鼓式制动器包括制动缸和制动蹄，所述制动缸和制动蹄安装在中部旋转臂上。

6.根据权利要求1所述的一种集成式步履转向驱动桥，其特征在于：所述底部车轮行走装置包括足部控制臂，减振器，导向臂，行走装置，半轴和车轮，输出转轴下端与足部控制臂用花键配合连接，足部控制臂的前两个圆孔通过销轴与减振器的上端相连，后两个圆孔通过销轴与导向臂的上端相连，减振器的下端，导向臂的下端以及行走装置和车轮都安装在半轴上。

7.根据权利要求6所述的一种集成式步履转向驱动桥，其特征在于：所述行走装置包括气泵，三通阀和橡胶胎，所述行走装置的中部固定连接在所述半轴上，所述橡胶胎内设有气室，所述三通阀分别连接气泵、橡胶胎内的气室以及排空管道，所述气泵对橡胶胎内的气室进行充气，排空管道对所述橡胶胎内的气室进行排气。

8.根据权利要求6所述的一种集成式步履转向驱动桥，其特征在于：踝关节外壳与足部控制臂间装有控制臂轴承，上止推轴承和下止推轴承，控制臂轴承用于承受径向力，上止推轴承和下止推轴承承受轴向力。

9.根据权利要求6所述的一种集成式步履转向驱动桥，其特征在于：还包括限位块，所述限位块安装在上部旋转臂内侧，所述限位块限定了中部旋转臂的最大旋转角度，防止部件碰撞。

说明书

一种集成式步履转向驱动桥

技术领域

[0001] 本发明属于车辆技术领域，尤其涉及一种集成式步履转向驱动桥。

背景技术

[0002] 随着社会和科技的不断发展，人们对于汽车的依赖性越来越高，同时，对汽车的行驶要求也越来越高。由于汽车的便捷性和实用性，很多人会将汽车作为自己旅游出行的首
选方式。但是当车辆遇到河流、积水、凹坑或凸台等路面条件不足以让汽车驶过时，汽车必
须绕道行驶。如果能有一种多功能汽车设计，把汽车在陆地上的行驶，船在水面上的漂浮航
行，与机器人的行走结合起来，那么就可以优化集合三者优势，以其新颖性，实用性迅速普
及，产生巨大的经济效应。另一方面，大大提高汽车的越障能力。

[0003] 基于这种新型的汽车，有必要对其车桥进行设计，以满足这种步履式水陆两栖汽车的行驶条件。

发明内容

[0004] 针对背景技术存在的问题，本发明主要目的在于一种集成式步履转向驱动桥的结构设计。重点突出该步履转向驱动桥的关节结构、行走装置以及其三种工况下的姿态。该步
履转向驱动桥集成了步履、转向和驱动功能，并且可实现三种运动姿态。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种集成式步履转向驱动桥，包括上部旋转臂、腿部关节、中部旋转臂、膝关节、踝关节、底部车轮行走装置；其中，

[0006] 所述腿部关节位于车身连接件和上部旋转臂之间，所述腿部关节与所述上部旋转臂铰接；

[0007] 所述膝关节连接上部旋转臂和中部旋转臂，中部旋转臂通过所述膝关节与所述上部旋转臂铰接；

[0008] 踝关节连接中部旋转臂和底部车轮行走装置，所述底部车轮行走装置通过所述踝关节与所述中部旋转臂铰接，所述踝关节控制所述底部车轮行走装置转向运动和驱动运
动。

[0009] 进一步，所述腿部关节包括腿部关节电机和腿部关节轴承，腿部关节电机的内定子与车身连接件用紧固件连接，与上部旋转臂用腿部关节轴承配合，其外转子与上部旋转
臂的内侧用花键配合。

[0010] 进一步，所述膝关节包括膝关节电机和膝关节轴承，所述膝关节电机的内定子与上部旋转臂用紧固件连接，其间装有膝关节轴承用以配合，外转子与中部旋转臂的内侧用
花键配合。

[0011] 进一步，所述踝关节包括踝关节外壳、踝关节电机、输入行星齿轮结构，输出行星齿轮结构、转向制动器、鼓式制动器、输出转轴齿轮和输出转轴，所述踝关节电机的外端与
中部旋转臂用紧固件连接，同时电机外壳与踝关节外壳用电机轴承配合，电机的转轴直接
作为输入行星齿轮机构的太阳轮输入，踝关节外壳的另一端用踝关节轴承与中部旋转臂配
合，端盖用以轴向定位踝关节轴承；所述输入行星齿轮结构的行星架与所述输出行星齿轮
结构的行星架固定连接，输入行星齿轮结构和输出行星齿轮结构均与所述输出转轴上的输
出转轴齿轮啮合，所述输出转轴连接底部车轮行走装置，所述鼓式制动器安装在中部旋转
臂上对所述踝关节外壳进行制动，所述转向制动器对所述输出转轴进行制动。

[0012] 进一步，所述输入行星齿轮结构包括第一外齿圈，第一行星轮，电机输入齿轮，第一行星架，所述输出行星齿轮结构包括第二外齿圈，第二行星轮，第二太阳轮，第二行星架；
所述第一外齿圈与第一齿圈锥齿轮内圈固定连接，第二外齿圈与第二齿圈锥齿轮固定连
接，其中，第一行星架，第二行星架和踝关节外壳固联在一起，电机输入齿轮固定连接在所
述踝关节电机的电机轴上。

[0013] 进一步，所述鼓式制动器包括制动缸和制动蹄，所述制动缸和制动蹄安装在中部旋转臂上。

[0014] 进一步，所述底部车轮行走装置包括足部控制臂，减振器，导向臂，行走装置，半轴和车轮，输出转轴下端与足部控制臂用花键配合连接，足部控制臂的前两个圆孔通过销轴
与减振器的上端相连，后两个圆孔通过销轴与导向臂的上端相连，减振器的下端，导向臂的
下端以及行走装置和车轮都安装在半轴上。

[0015] 进一步，所述行走装置包括气泵，三通阀和橡胶胎，所述行走装置的中部固定连接在所述半轴上，所述橡胶胎内设有气室，所述三通阀分别连接气泵、橡胶胎内的气室以及排
空管道，所述气泵对橡胶胎内的气室进行充气，排空管道对所述橡胶胎内的气室进行排气。

[0016] 进一步，踝关节外壳与足部控制臂间装有控制臂轴承，上止推轴承和下止推轴承，控制臂轴承用于承受径向力，上止推轴承和下止推轴承承受轴向力。

[0017] 进一步，还包括限位块，所述限位块安装在上部旋转臂内侧，所述限位块限定了中部旋转臂的最大旋转角度，防止部件碰撞。

[0018] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

[0019] 本发明三段式的步履转向驱动桥良好的将汽车的车轮与机器人的行走臂结合，使汽车在行驶过程中有较低的质心高度和较好的平顺性，在行走过程中具备三段式的灵活性
和可靠性，该集成式步履转向驱动桥的可折叠特性也减小了航行过程中的动力损失。

附图说明

[0020] 图1为本发明集成式步履转向驱动桥的结构示意图；

[0021] 图2为集成式步履转向驱动桥的腿部关节结构示意图；

[0022] 图3为本发明集成式步履转向驱动桥的膝关节结构示意图；

[0023] 图4为本发明集成式步履转向驱动桥的踝关节结构剖面示意图；

[0024] 图5为本发明为集成式步履转向驱动桥的踝关节结构立体示意图；

[0025] 图6为本发明集成式步履转向驱动桥的踝关节机构简图；

[0026] 图7为本发明集成式步履转向驱动桥的行走装置未充气状态示意图；

[0027] 图8为本发明集成式步履转向驱动桥的行走装置充气状态示意图；

[0028] 图9为本发明行驶姿态下步履转向驱动桥的示意图；

[0029] 图10为本发明行走姿态下步履转向驱动桥的示意图；

[0030] 图11为本发明航行姿态下步履转向驱动桥的示意图；

[0031] 图中：1‑腿部关节，2‑上部旋转臂，3‑限位块，4‑膝关节，5‑中部旋转臂，6‑踝关节，7‑转向制动器，8‑足部控制臂，9‑减振器，10‑导向臂，11‑行走装置，12‑半轴，13‑车轮，14‑
车身连接件，15‑腿部关节电机，16‑腿部关节轴承，17‑膝关节轴承，18‑膝关节电机，19‑制
动缸，20‑踝关节轴承，21‑端盖，22‑制动蹄，23‑输出行星齿轮机构，24‑踝关节外壳，25‑踝
关节电机，26‑输入行星齿轮机构，27‑电机轴承，28‑输出转轴，29‑控制臂轴承，30‑上止推
轴承，31‑下止推轴承，32‑气泵，33‑三通阀，34‑橡胶胎，35‑鼓式制动器，36‑第一外齿圈，
37‑第一行星轮，38‑电机输入齿轮，39‑第一行星架，40‑第二外齿圈，41‑第二行星轮，42‑第
二太阳轮，43‑第二行星架，44‑输出转轴齿轮，45‑第一齿圈锥齿轮，46‑第二齿圈锥齿轮。

具体实施方式

[0032] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。

[0033] 需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵
向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方
位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，
并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因
此不能理解为对本发明的限制。

[0034] 此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构
一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

[0035] 在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一
体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接
相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上
述术语在本申请中的具体含义。

[0036] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，本发明提供一种集成式步履转向驱动桥，如图1所示，集成式步履转向驱动桥的结构示意图，主要包括腿部关节1，上部旋
转臂2，限位块3，膝关节4，中部旋转臂5，踝关节6，转向制动器7，足部控制臂8，减振器9，导
向臂10，行走装置11，半轴12，车轮13等。腿部关节1位于车身连接件14和上部旋转臂2之间，
限位块3安装在上部旋转臂2内侧，膝关节4连接上部旋转臂2和中部旋转臂5，踝关节6连接
中部旋转臂5和足部控制臂8。转向制动器7安装在足部控制臂8上，用于限制足部控制臂8和
踝关节外壳24的相对转动。足部控制臂8的前两个圆孔通过销轴与减振器9的上端相连，后
两个圆孔通过销轴与导向臂10的上端相连。减振器9的下端，导向臂10的下端以及行走装置
11和车轮13都安装在半轴12上。

[0037] 如图2所示，集成式步履转向驱动桥的腿部关节结构示意图，主要包括上部旋转臂2，车身连接件14，腿部关节电机15，腿部关节轴承16。腿部关节电机15的内定子与车身连接
件14用紧固件连接，与上部旋转臂2用腿部关节轴承16配合，其外转子与上部旋转臂2的内
侧用花键配合。

[0038] 如图3所示，集成式步履转向驱动桥的膝关节结构示意图，主要包括上部旋转臂2，中部旋转臂5，膝关节轴承17，膝关节电机18。膝关节电机18的内定子与上部旋转臂2用紧固
件连接，其间装有膝关节轴承17用以配合，外转子与中部旋转臂5的内侧用花键配合。

[0039] 如图4和5所示，集成式步履转向驱动桥的踝关节结构示意图，主要包括中部旋转臂5，转向制动器7，鼓式制动器35，足部控制臂8，踝关节轴承20，端盖21，输出行星齿轮机构
23，踝关节外壳24，踝关节电机25，输入行星齿轮机构26，电机轴承27，输出转轴28，控制臂
轴承29，上止推轴承30，下止推轴承31。其中鼓式制动器35包括制动缸19和制动蹄22。踝关
节电机25的外端与中部旋转臂5用紧固件连接，同时电机外壳与踝关节外壳24用电机轴承
27配合，电机的转轴直接作为输入行星齿轮机构26的太阳轮输入。踝关节外壳24的另一端
用踝关节轴承20与中部旋转臂5配合，端盖21用以轴向定位踝关节轴承20。制动缸19和制动
蹄22安装在中部旋转臂5上，可以制动踝关节外壳24。输出转轴28上的输出转轴齿轮44与输
入行星齿轮机构26和输出行星齿轮机构23啮合，下端与足部控制臂8用花键配合，可传递转
向动力。转向制动器7安装在足部控制臂8上，可以限制足部控制臂8和踝关节外壳24的相对
转动。踝关节外壳24与足部控制臂8间装有控制臂轴承29，上止推轴承30和下止推轴承31，
控制臂轴承29用于承受径向力，上止推轴承30和下止推轴承31承受轴向力。之所以采用两
个行星齿轮机构，是因为输出转轴28的啮合更加牢靠，受力更加均匀，并且机构的布置更合
理。

[0040] 如图6所示，集成式步履转向驱动桥的踝关节机构简图，主要包括中部旋转臂5，转向制动器7，踝关节外壳24，踝关节电机25，输出转轴28，鼓式制动器35，第一外齿圈36，第一
行星轮37，电机输入齿轮38，第一行星架39，第二外齿圈40，第二行星轮41，第二太阳轮42，
第二行星架43。第一外齿圈36与第一齿圈锥齿轮45内圈固定连接，第二外齿圈40与第二齿
圈锥齿轮46固定连接，第一行星架39，第二行星架43和踝关节外壳24固联在一起。当集成式
步履转向驱动桥需要使输出转轴28旋转，而不使踝关节外壳24转动时，转向制动器7松开，
鼓式制动器35抱死。此时相当于锁死了第一行星架39和第二行星架43。电机输入齿轮38旋
转带动第一行星轮37自转，第一外齿圈36旋转带动输出转轴28和第二外齿圈40旋转。第二
行星轮41和第二太阳轮42都在其转轴上空转。当集成式步履转向驱动桥需要使踝关节外壳
24转动，而不使输出转轴28旋转时，转向制动器7抱死，鼓式制动器35松开。此时相当于锁死
了输出转轴28的自转，而输出转轴28，第一外齿圈36，第二外齿圈40，第一行星轮37，第二行
星轮41，第二太阳轮42和电机输入齿轮38是常啮合的，故电机输出齿轮38会使踝关节外壳
24旋转而输出转轴28不自转。

[0041] 如图7、8所示，集成式步履转向驱动桥的行走装置结构示意图，主要包括气泵32，三通阀33，橡胶胎34。在汽车行驶姿态下，需要排空橡胶胎34内的空气，利用三通阀33的阀
芯接通橡胶胎34的气室和排空管道。在汽车要切换至行走姿态时，三通阀33的阀芯接通橡
胶胎34的气室和进气管道，气泵32工作，充满气后，三通阀33的阀芯闭紧橡胶胎34的气室，
气泵32停止工作。

[0042] 如图9所示，行驶姿态下步履转向驱动桥的结构示意图。由于步履转向驱动桥在完全伸展的状态下纵向高度过大，必须改变各旋转臂的相对位置，降低步履转向驱动桥与汽
车安装点到地面的垂直距离。在行驶姿态下，中部旋转臂5转入上部旋转臂2的内侧，有效的
降低了整车的质心高度，提高了汽车行驶的平稳性。限位块3限定了中部旋转臂5的最大旋
转角度，防止部件碰撞。踝关节电机25能够调整输出转轴28与地面垂直方向的角度，保证一
定的主销后倾角。鼓式制动器35抱死，踝关节电机25控制足部控制臂8的旋转，保证汽车的
转向能力。为了使汽车行驶平稳，腿部关节电机15和膝关节电机18皆锁紧。当汽车受到路面
冲击时，车轮13会绕导向臂10的旋转中心上下跳动。为了缓和冲击，在车轮13与足部控制臂
8之间装有减振器9。行走装置11放气，防止其对车辆行驶的干涉。

[0043] 如图10所示，行走姿态下步履转向驱动桥的结构示意图。在汽车行走姿态下，腿部关节电机15驱动上部旋转臂2绕其旋转中心来回摆动，以此模拟人类大腿的运动。膝关节电
机18驱动中部旋转臂5配合上部旋转臂2摆动，来模拟人类小腿的运动。转向制动器7抱死，
踝关节电机25驱动足部控制臂8的转动，保证行走装置11与地面的接触。在汽车行走时，先
要将行走装置11充气，并将足部控制臂8向负方向转动一定的角度，使橡胶胎34接地。如果
允许半轴12相对旋转臂的跳动，会对汽车的平衡不利，所以要使减振器9刚性闭锁。此时的
减振功能主要由橡胶胎34和驾驶室悬挂系统实现。

[0044] 如图11所示，航行姿态下步履转向驱动桥的结构示意图。为了减小步履转向驱动桥对汽车航行时的阻力，需要将桥举起。上部旋转臂2旋转动至与路面大致水平的位置，中
部旋转臂5转动到上部旋转臂2内侧，足部控制臂8旋转至上部旋转臂2的上侧。同时，各旋转
电机、轮毂电机以及减振器9皆锁紧。限位块3防止部件碰撞。

[0045] 综上，本申请实施例中，将集成式步履转向驱动桥模块化的分为三大部分，即三段式步履转向驱动桥。第一部分为腿部关节及上部旋转臂，第二部分为膝关节及中部旋转臂，
第三部分为踝关节、车轮及行走装置部分。汽车主要通过上部旋转臂、中部旋转臂、踝关节
和足部控制臂之间的相对转动来切换汽车行驶、行走和航行的姿态。将步履转向驱动桥设
计成三段式的原因是为了模拟人体的腿部结构，用每个旋转臂间的电动机代表人体腿部关
节。腿部和膝关节处电机采用外转子电机，内定子用紧固件与旋转臂连接，外转子用花键与
另一旋转臂的内侧啮合。在不同工况下，踝关节电机既要使车轮主销与地面法线方向保持
一定的角度，同时通过传动机构控制车辆的转向，还能够控制足部控制臂的转动。足部控制
臂通过导向臂与半轴、行走装置和车轮相连，其间还安装有减振器，用以缓冲减振。

[0046] 上述实施例只是用于对本发明的举例和说明，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明不局限于上述实施例，根据本发
明教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围
内。