CN103264614B - 仿生越沙步行轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生越沙步行轮，是由数个轮腿与轮毂组成，其中轮腿包括动底板、定底板和轮刺，根据具有优越沙地通过性的非洲鸵鸟足趾的结构形貌与触沙方式得到的启示，通过轮脚的动底板与定底板巧妙地相互配合，实现了对轮下沙土限流固沙，有效地防止车轮下陷与滑移的效果；同时控制轮刺扎入轮下沙土，起到增大牵引附着力的效果；离沙前跨时，轮脚动底板在弹簧反力的作用下对轮下压实沙堆形成“后蹬”，进一步增大挂钩牵引力，此时，轮脚动底板的复位和轮刺收回减少了车轮前跨时对沙土的扰动；同时，通过轮刺的回收与轮脚底板的优化，使本发明在硬路面上具有良好的平顺性。

Description

仿生越沙步行轮

技术领域

本发明涉及一种步行轮，特别涉及一种仿生越沙步行轮。

背景技术

随着易开采的矿藏、油气田等不可再生资源日趋枯竭，我国的能源战略已经瞄向自然条件恶劣、开采难度大的沙漠戈壁。从目前能源勘查情况来看，我国塔里木盆地、吐鲁番哈密盆地和准噶尔盆地等区域的油气储藏量占据我国油气资源总量70%。但是，由于沙漠戈壁恶劣的自然环境和沙漠工程运输设备的局限性，多数已探明丰富的矿藏、油气田资源还都属于未开采状态。开发利用沙地环境农业资源对人类的生存与发展具有极其深远的意义，因而沙地环境车辆及沙地农业机械研究的意义不言而喻。同样，在军事工程、深空探测等领域也面临着车辆易沉陷滑移、牵引附着性差等通过性问题。沙地车辆的通过主要体现在与沙土直接接触的行走机构上，所以开发具有高通过的行走机构具有重要意义。

目前沙地车辆或移动机器人一般使用宽断面车轮，从而降低接地比压，从一定程度上提高了车轮的沙地通过性。但是，车轮结构过大影响车身尺寸和其它装置的布置，进而给沙地环境车辆行走机构的研究与设计带来一定瓶颈。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有沙地车辆车轮的沙地通过性差的问题，而提供一种能克服上述缺点的仿生越沙步行轮。

本发明是由数个轮腿与轮毂组成，其中轮腿包括动底板、定底板和轮刺，动底板通过第一动立柱和第二动立柱固定在轮毂上，第一弹簧穿套在第一动立柱上，第二弹簧穿套在第二动立柱上，二根弹簧设置在轮毂和限位挡板之间，且二根弹簧外部均设置有限位销，定底板通过定立柱固定在限位挡板上，动底板的一侧上设置有数个基座，轮刺通过螺栓与基座枢接，轮刺与动底板之间联接有轮刺弹簧，基座与定底板之间连接有钢丝绳，轮毂通过普通平键与车轴连接传递动力。

本发明的工作原理和过程为：本发明是根据具有优越沙地通过性的非洲鸵鸟足趾的结构形貌与触沙方式得到的启示。

非洲鸵鸟是世界上最大的鸟类，属于平胸类鸟，即胸骨扁平不具龙骨突起而锁骨退化。鸵鸟主要运动能力靠强壮发达的腿脚实现。鸵鸟在沙地环境中奔跑能力十分惊人，主要体现在稳健、持久和高速。经过测量，鸵鸟每步跨距达4-7m，持续奔跑速度约50-60km/h，冲刺速度可超过70km/h，而且可以坚持半个小时以上，远远高于其它鸟类，也是陆上两足类动物中奔跑能力最强的动物。鸵鸟腿足直接与沙地接触，在其越沙过程起关健作用。为了适应沙地生存环境，经过长期进化与优化鸵鸟足趾有异于其它鸟类，结构形貌非常特殊，具有两个足趾（第Ⅰ、Ⅱ趾）已经退化，仅剩下两趾（第Ⅲ、Ⅳ趾），第Ⅲ趾较为发达，末端带有坚硬锋利的趾甲，第Ⅳ趾趾甲近退化。两趾的底面均有由乳突群组角成的质肉垫。

经过观察分析，鸵鸟足触沙时，两个足趾向外张开以及足底乳突群肉垫铺开达到最大接地面积；同时足底形成“内凹”状态限制足下沙土溢出，使足下沙土不断压实。前进时，第三趾锋利的足趾甲深深地扎入足下沙土中，有效地防止鸵鸟在快速奔跑过程滑移与沉陷以及增大牵引附着力。离沙前跨时，足底脂肪垫与乳突群反弹迅速减少接触面积并离开沙土表面， 减少对沙土的扰动。

基于鸵鸟足趾结构形貌及运动方式，将每个轮腿设计有动底板和定底板，本发明的定底板固定在轮毂上，相对轮毂是固定的，动底板是活动的，动底板在弹簧与沙土负载的共同作用下沿着定底板上下运动；“一定一动”相互配合实现对轮下沙土的限流收紧功能。动底板和定底板组成的平面着地触沙时，动底板在负载和沙土反作用力下克服弹簧的作用力沿着定底板向上运动，使轮下沙土向滑块下聚集、收紧和压实；离沙前跨时，在弹簧的反作用力下，对压实沙土堆形成“后蹬”，进而增大本发明的牵引力。定底板上的轮刺通过弹簧和轮腿上的动底板进行控制，实现其两种状态即工作与非工作状态，即在车辆未进入沙地环境或轮上负载较小不需要大牵引力时轮刺属于非工作状态，在弹簧力的作用下收回并且不与地面接触；反之，在动底板的带动下深深地扎入沙土中，提供较大的抓地力，使车辆顺利通过沙地环境路面。

由于表层松散沙土的低压缩性，载荷作用下的变形主要是塑性流动。本发明的功能主要体现在轮脚主动控制轮下沙流方向上，进而提高本发明的的抗沉陷性与牵引附着性。轮轴的旋转运动通过轮毂传递给轮脚，轮脚斜向切入沙土，轮脚定底板边缘处触沙，挤压沙土向后流动；随着车轮转动，轮脚前倾，动底板开始触沙，进而沙土推动动底板向上运动，形成轮下有效空间，使大量沙土向轮下涌入（包括定底板向后挤压的沙土），同时动底板向上运动带动轮刺向下运动，扎入沙土；动底板向上运动达到极限处，由于惯性与导流作用，大量沙土继续往动底板下空间涌入，而轮脚下空间有限，沙土间相互挤压压实，加上此时轮脚达到垂直方位，垂直分力在整个周期内达到最大，车轮向下沉陷的同时大量沙土向轮下流入，共同作用使轮下沙土形成“暂态固体”，有效地控制了车轮继续下陷，此时，轮刺也扎入轮下“暂态固体”沙土中；轮脚向前进方向倾斜时，在弹簧与轮刺作用力下，在“暂态固体”上车轮脚向后蹬，使车轮牵引附着性瞬间增加，随着动底板逐渐向下移动，轮脚工作重心向定底板上转移；随后沙土从轮脚下流出，动底板复位，轮刺回收，轮脚即将离地向下一轮脚过渡。

本发明的有益效果：通过轮脚的动底板与定底板巧妙地相互配合，实现了对轮下沙土限流固沙，有效地防止车轮下陷与滑移的效果；同时控制轮刺扎入轮下沙土，起到增大牵引附着力的效果；离沙前跨时，轮脚动底板在弹簧反力的作用下对轮下压实沙堆形成“后蹬”，进一步增大挂钩牵引力，此时，轮脚动底板的复位和轮刺收回减少了车轮前跨时对沙土的扰动；同时，通过轮刺的回收与轮脚底板的优化，使本发明在硬路面上具有良好的平顺性。

附图说明

图1为本发明的立体图。

图2为本发明的轮脚的立体图。

图3为本发明的轮脚步态示意图。

具体实施方式

请参阅图1、图2和图3所示，为本发明实施例，是由八个轮腿1与轮毂2组成，其中轮腿1包括动底板11、定底板12和轮刺13，动底板11通过第一动立柱111和第二动立柱112固定在轮毂2上，第一弹簧151穿套在第一动立柱111上，第二弹簧152穿套在第二动立柱112上，二根弹簧设置在轮毂2和限位挡板14之间，且二根弹簧外部均设置有限位销16，定底板12通过定立柱121固定在限位挡板14上，动底板11的一侧上设置有三个基座131，轮刺13通过螺栓132与基座131枢接，轮刺13与动底板11之间联接有轮刺弹簧17，基座131与定底板12之间连接有钢丝绳18，轮毂2通过普通平键与车轴连接传递动力。

基于鸵鸟足趾结构形貌及运动方式，将每个轮腿设计有动底板11和定底板12，本发明的定底板12固定在轮毂2上，相对轮毂2是固定的，动底板11是活动的，动底板11在弹簧与沙土负载的共同作用下沿着定底板12上下运动；“一定一动”相互配合实现对轮下沙土的限流收紧功能。动底板11和定底板12组成的平面着地触沙时，动底板11在负载和沙土反作用力下克服弹簧的作用力沿着定底板12向上运动，使轮下沙土向滑块下聚集、收紧和压实；离沙前跨时，在弹簧的反作用力下，对压实沙土堆形成“后蹬”，进而增大本发明的牵引力。定底板12上的轮刺13通过弹簧和轮腿1上的动底板11进行控制，实现其两种状态即工作与非工作状态，即在车辆未进入沙地环境或轮上负载较小不需要大牵引力时轮刺13属于非工作状态，在弹簧力的作用下收回并且不与地面接触；反之，在动底板11的带动下深深地扎入沙土中，提供较大的抓地力，使车辆顺利通过沙地环境路面。

由于表层松散沙土的低压缩性，载荷作用下的变形主要是塑性流动。本实施例的功能主要体现在轮脚1主动控制轮下沙流方向上，进而提高本实施例的抗沉陷性与牵引附着性。轮轴的旋转运动通过轮毂2传递给轮脚1，轮脚1斜向切入沙土，轮脚1定底板12边缘处触沙，挤压沙土向后流动；随着车轮转动，轮脚1前倾，动底板11开始触沙，进而沙土推动动底板11向上运动，形成轮下有效空间，使大量沙土向轮下涌入（包括定底板向后挤压的沙土），同时动底板11向上运动带动轮刺13向下运动，扎入沙土；动底板11向上运动达到极限处，由于惯性与导流作用，大量沙土继续往动底板11下空间涌入，而轮脚1下空间有限，沙土间相互挤压压实，加上此时轮脚1达到垂直方位，垂直分力在整个周期内达到最大，车轮向下沉陷的同时大量沙土向轮下流入，共同作用使轮下沙土形成“暂态固体”，有效地控制了车轮继续下陷，此时，轮刺13也扎入轮下“暂态固体”沙土中；轮脚1向前进方向倾斜时，在弹簧与轮刺13作用力下，在“暂态固体”上车轮脚向后蹬，使车轮牵引附着性瞬间增加，随着动底板11逐渐向下移动，轮脚1工作重心向定底板12上转移；随后沙土从轮脚1下流出，动底板11复位，轮刺13回收，轮脚1即将离地向下一轮脚过渡。

Claims (1)

1.一种仿生越沙步行轮，其特征在于：是由数个轮腿（1）与轮毂（2）组成，其中轮腿（1）包括动底板（11）、定底板（12）和轮刺（13），动底板（11）通过第一动立柱（111）和第二动立柱（112）固定在轮毂（2）上，第一弹簧（151）穿套在第一动立柱（111）上，第二弹簧（152）穿套在第二动立柱（112）上，二根弹簧设置在轮毂（2）和限位挡板（14）之间，且二根弹簧外部均设置有限位销（16），定底板（12）通过定立柱（121）固定在限位挡板（14）上，动底板（11）的一侧上设置有数个基座（131），轮刺（13）通过螺栓（132）与基座（131）枢接，轮刺（13）与动底板（11）之间联接有轮刺弹簧（17），基座（131）与定底板（12）之间连接有钢丝绳（18），轮毂（2）通过普通平键与车轴连接。