具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例一

如图1所示，一种适用于壁面过渡的柔性三角爬壁履带轮，包括三组齿轮对1，三组齿轮对1分别位于三角形的三个顶点位置，三组齿轮对1分别通过三根弹性连杆2与主轴连接，三根弹性连杆2之间的夹角依次互为120°，齿轮对1包括相互对称设置在弹性连杆2两侧的两个齿轮，三组齿轮对1分别连接至三个独立的电机，三组齿轮对1之间连接有柔性结构的磁性履带3。

其中，主轴和弹性连杆2上设置有与齿轮对1相对应的信号传输线，信号传输线与电机连接；

磁性履带3的内表面与齿轮的外侧之间为可分离连接，具体是磁性履带3的内表面等间距地开设有多个凹槽，凹槽与齿轮的齿部嵌合连接；

弹性连杆2包括杆体，杆体上套设有第一弹簧和第二弹簧，第一弹簧与第二弹簧在杆体的中间位置相互连接，第一弹簧的一端连接至主轴，第二弹簧的一端连接至齿轮对1，杆体为空心结构，信号传输线设置在杆体内部。

此外，主轴连接有用于驱动主轴转动的轴电机，以根据实际情况提供动力。

将上述履带轮应用于实际，其壁面过渡过程如图2所示：

S1、磁性履带保持正三角形形状，三组齿轮对保持同步正方向旋转，在三组齿轮对的配合传动下，履带轮行进至小角度壁面交叉处；

S2、磁性履带的顶部与上壁面接触后受压，与三角形顶部顶点位置齿轮对连接的弹性连杆向下缩短，此时磁性履带发生形变、三角形顶部顶点位置齿轮对开始反方向旋转、三角形底部两端顶点位置齿轮对继续正方向旋转；

S3、履带轮行进至磁性履带的两条边以绷紧状态分别与上壁面、下壁面贴合，磁性履带的另外一条边为放松状态，三角形底部一端顶点位置齿轮对分别与上壁面、下壁面相切；

S4、三角形底部另一端顶点位置齿轮对以及三角形顶部顶点位置齿轮对开始正方向旋转，使三角形底部另一端顶点位置齿轮对接近壁面夹角处、三角形顶部顶点位置齿轮对向上移动；

S5、磁性履带的两条边继续以绷紧状态分别与上壁面、下壁面贴合，磁性履带的另外一条边为绷紧状态，此时三组齿轮对均进行正方向旋转，使得磁性履带的一条边逐渐脱离下壁面、三角形底部一端顶点位置齿轮对不再与下壁面相切，履带轮整体附着于上壁面远离小角度壁面交叉处；

S6、弹性连杆以及磁性履带各边逐渐恢复为原始正常形态，完成壁面过渡。

综上可知，本技术方案包括三组刚性齿轮对、三个互成120°夹角的弹性连杆、中心动力主轴、与三组齿轮对连接的柔性结构磁性履带，主轴通过三个弹性连杆与三组齿轮对相连接，齿轮与磁性履带的接触面可随着齿轮的运行而发生变化，弹性连杆、齿轮、主轴以及磁性履带处于同一平面。三角爬壁履带轮的每个齿轮都由独立电机控制；电机通过穿过主轴与弹性连杆内部的导线向各组齿轮对传输信号。该柔性三角爬壁履带轮能够实现前后平动、转弯，并能提供强吸附力，从而灵活进行小角度壁面过渡运动，具有应用优势。

具体的，履带轮行进过程中齿轮与磁性履带可以分离，但不会脱落；

与齿轮对连接的每个独立电机均由控制线独立控制，可以实现每个齿轮独立的顺、逆时针运转，从而控制磁性履带的移动，三组齿轮对均由独立电机控制的特性也使得履带轮能够适应其他复杂的路面，如：崎岖不平的路面、尖锐突起的路面；

弹性连杆由两段独立弹簧装置在空心杆体中心连接而成，弹性连杆一端连接于中心主轴、另一端连接于电机和齿轮，内部固定有用于控制电机的导线，其中靠近主轴的弹簧装置用于减震和保护内部线路；靠近齿轮装置的弹簧装置用于小角度的壁面过渡时齿轮和履带的调整；三根弹性连杆对于履带轮行进过程中的避震越障功能均有一定的强化作用；

主轴可与履带车主体相连，具有电信号传输的中继作用，主轴可由履带车主体的轴电机控制，在特殊情况下提供动力。

本实施例中单个履带轮在完成小角度壁面过渡时，三角履带运行至小角度壁面交叉处时，三角履带与壁面接触后弹性连杆缩短，履带轮由正三角形发生形变，使得上侧履带贴紧上壁面，从而提供较大的爬壁磁吸附力，当下侧履带逐渐脱离下壁面，各弹性杆和履带逐渐微调恢复原长并完成壁面过渡。

具体的，对于单个履带轮，如图3所示，标定A、B、C为三组齿轮对，a、b、c为三根弹性连杆，AB、BC、AC为磁性履带的三条边，以向右侧的小角度壁面过渡为例，如图4a～图4f和表1所示，其过渡过程为：三角履带运行至小角度壁面交叉处时，三角履带与上壁面接触后开始形变，弹性连杆缩短，履带发生形变并且BC侧履带贴紧下壁面，履带与上壁面接触形变后A齿轮逆时针运转，B、C齿轮仍旧保持顺时针运转，直至AC侧履带与上壁面接触；齿轮A、B顺时针转动，使得A向左上侧爬动，B齿轮向右运动，C齿轮的转速根据A、B齿轮转速和履带运动速度变化，以保证BC、AC边贴合于下壁面、上壁面，保证吸力。齿轮A、B、C均进行顺时针旋转，BC面逐渐脱离下壁面，各弹性杆和履带逐渐微调恢复原长并完成转弯。

表1

其中，在过程四至过程五的行进过程中，如图5所示，对齿轮圆心求矩，有：

式中，M为A齿轮最小力偶，R为齿轮半径，η为弯曲履带的等效吸引力作用角度，F₁为弯曲履带的等效力，f为上壁面摩擦力，f_AB和f_AC分别为AB侧履带与AC处履带对齿轮A的作用力，且沿切线方向，有f_AB＝f_AC＝0，f≤μ·N(N为正压力)，N≤R·η·F_L(即正压力小于或等于最大吸力)。因此，当M大于或等于μ·R²·η·F_L，过程四可发展到过程五，验证了本发明的可行性。

本实施例还将本发明提出的履带轮与传统的三角刚性履带轮进行对比，通过静力学分析，获得传统刚性履带轮和本发明柔性履带轮的启动最小力偶，对比可知本发明具有更优的小角度壁面过渡能力。

在具体分析之前，首先对齿轮、连杆、磁吸附结构(如质量、连接方式、履带单元的宽度)作如下简化和假设：

一、贴合壁面时为理想贴合，不存在褶皱；履带为轻质，质量相对于整体而言忽略不计；齿轮与履带不脱落，齿轮与履带的接触部分视为刚体；将分布履带片等效为连续履带条，履带单元尺寸远远小于整体尺寸，磁性履带在贴合壁面情况下产生的吸引力垂直于接触面，单位长度的履带产生的吸力为F_L。

二、整个运动过程视为准静态，选取壁面过渡过程中的临界状态进行静力学分析。

三、由于齿轮的轮齿尺寸与整体半径相比为小数值，将齿轮视为圆形。

四、对小角度计算时，进行合理的计算近似。

下面的分析过程中涉及的各参数释义如表2所示。

表2

针对传统三角刚性履带轮，其壁面过渡临界状态受力如图6所示，传统履带轮的a、b、c连杆为刚性连杆，无法伸缩，因此履带轮的形状为固定的等边三角形。对传统三角履带轮进行分析，在不考虑主轴存在动力的情况下，传统三角履带轮在壁面过渡过程中，当A轮接触到上壁面时，需要整体作逆时针旋转，然而BC边与下壁面紧贴会导致向下的吸附力远大于向上的吸附力，因为整体结构卡住，无法完成爬坡；在考虑到主轴可以提供动力的情况下，该动力可以使得整体向上调整至可脱离的临界状态，完成爬坡。下面考虑主轴可提供动力的情况，对图6所示的临界情况进行讨论。

由于BC轮尚且位于下壁面，只能提供用于前进的动力，因此主动轮为A。A齿轮处履带与上壁面存在吸引力F₁，下壁面吸引力F₂，会提供一个转矩，在此等效为η弧度上的履带在η/2处产生了贴壁的吸引力，即式(1)、(2)。由于吸引力足够大，力平衡会自然满足下面对O点列出力矩平衡，由于力偶特性，对O点力偶仍为M，则有力矩平衡方程式(3)，由此得到传统三角履带轮A齿轮最小需要的动力偶M_传统的表达式，如式(4)所示。

F₁＝R·η·F_L (1)

针对本发明提出的柔性履带轮，其壁面过渡临界状态受力如图7所示，对O点求矩平衡，得到下壁面磁吸力F_2柔的力矩M₁、重力矩M₂、上壁面吸引力F_3柔力矩M₃、齿轮与上壁面切线处力F₁的力矩M₄(忽略高阶小量η)、F₁对O点力矩M₅如式(5)到(9)所示，其中F₂＝F_2柔＝F_3柔，由对O点力矩平衡可得式(10)，从而得到式(11)，其中M_柔为柔性三角履带轮A齿轮最小需要的动力偶。

M₅＝F₁·L≈0 (9)

M＝M₁+M₂-M₃-M₅ (10)

由式(4)、(11)对比得出：M_柔<M_传统，即改进后的柔性履带齿轮动力偶远小于传统刚性履带齿轮动力偶。取L＝1，G_整体＝1，F_L＝1，R＝1/3，M_柔和M_传统的计算结果如图8所示。可见，柔性履带齿轮动力偶随着壁面过渡角度的增加而增大，但增大很有限。因此，柔性三角爬壁履带轮具有更好的小角度壁面过渡能力，在同等条件下能够在履带材料选取、电机功率成本等方面进行很大优化。

实施例二

本实施例将本发明提出的履带轮组合成一个履带车，如图9所示，该履带车能够搭载平台、探头、前后处理装置、中心控制装置和无线交互装置，因而可应用于磁吸附壁面爬行并进行自动化作业。

以向右侧的小角度壁面过渡为例，如图10a～图10f和表3所示，其过渡过程为：履带车平稳运行，当前履带爬上上壁面时，由于前后履带的连接杆不可压缩，后履带需要进行向后运动以保证前履带继续前进，直到前履带继续前进至合适位置，后履带停止后退、开始向前运动，当后履带接触上壁面并完成壁面过渡(转弯细节与前履带类似)，最终履带车整体完成壁面过渡。

表3