CN103448824B - 一种仿生越沙跨障步行轮轮足结构 - Google Patents

一种仿生越沙跨障步行轮轮足结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种仿生越沙跨障步行轮轮足结构，是由轮毂、轮腿和轮足构成，五条轮腿均匀排布在轮毂的周面上，各轮腿下方以圆弧水平连接轮足。基于鸵鸟腿足奔跑姿态，各轮腿与过轮毂中心线的夹角α=40°，轮腿与轮足之间的夹角β=130°；所述的轮足的形状为仿鸵鸟足形的类梯形，所述的轮足具有轮趾，所述的轮趾的形状为鸵鸟足趾甲的倒三角形状；轮毂上五条轮腿的设置，使本发明具有良好的大范围跨障功能；五条轮腿的设计，使一个轮足的轮趾即将离开地面时，下一个轮足刚好平行地以最大接触面积接触地面，轮足和轮趾的分别仿鸵鸟足形和仿鸵鸟足趾甲形状设计，起到了固沙限流作用，提高了牵引性能。<!--1-->

Description

一种仿生越沙跨障步行轮轮足结构
技术领域
本发明涉及一种车轮结构，特别涉及一种仿生越沙跨障步行轮轮足结构。
背景技术
随着科技进步和社会发展，人们对资源尤其是能源需求的不断加剧，常规地区的资源储量已经开始日益匮乏，人们逐渐将开采地域转向恶劣极端环境（如沙漠、戈壁）。经探测发现，月球和火星富含矿藏资源和珍贵能源，因此进行深空探测也已经成为中国乃至全球未来的重要方向。无论是地球极端环境的沙漠和戈壁，还是深空复杂环境的月球和火星，它们的共同特点是分布着部分石块、凹坑及凸包的松散沙土（月壤和火星的土物理力学特性类似于松散沙土）工作环境。作为在完成探测、运输及开采任务的重要装备，车辆的基本功能是非规则结构松软介质表面的通过能力。由于车辆通过性能在很大程度上取决于直接与地面发生作用的车轮，因此越沙与跨障车轮研究已经成为重要的地（月）面车辆系统研究领域。在松软介质工作环境中，由于介质的承载能力和抗剪强度较差，导致普通车轮的牵通过性非常不理想。安装普通车轮的轮式车辆在沙地上行驶时，由于车轮滑转下陷，严重影响了车辆的通过性能，限制了对松软介质工作环境中矿藏资源及能源的勘探与开采。虽然国内外专家学者针对步行轮的优势，对沙地步行轮进行了大量研究，并取得一定成果，但仅在一定程度上改善了车辆通过性，并且大多数只注重松软介质的牵引通过性，难以兼顾石块、凹坑及凸包等非规则路面的跨障性能。因此，研制出一种高通过性的越沙跨障步行轮轮足结构对于改善和提高非规则结构松软介质工作环境中车辆的越野通过性能具有重要理论意义和应用价值。
发明内容
本发明要解决的技术问题是解决步行轮越沙与跨障兼顾的问题，为非规则结构松软介质路面工作环境提供一种高越野通过性能的仿生越沙跨障步行轮轮足结构。
构思的由来：非洲鸵鸟（以下简称鸵鸟）原产于非洲和阿拉伯温差较大的沙漠地区，主要生活在空旷的沙漠地带和干燥无树的大草原。鸵鸟属于平胸类鸟，胸骨扁平不具龙骨突起，锁骨退化，前肢演化成翅膀，已经退化不能飞翔，但后肢强壮而有力，在沙地环境中具有神奇的稳健、持久和高速奔跑能力，鸵鸟每一步跨越距离可达3.5～7米，持续奔跑速度约50~60公里/小时，并可维持约30分钟而不感觉累，冲刺速度可达70公里/小时以上，是当之无愧的沙地及荒原奔跑健将。鸵鸟后肢（腿足）承载鸵鸟体重，在鸵鸟越沙跨障性能中起到至关重要作用。从自然界获取灵感，施法自然，以鸵鸟腿足结构与奔跑姿态为生物原型，采用工程仿生学技术及相似性原理，结合地面车辆力学理论，优化设计出非规则结构松软介质工作环境下优越牵引性和越障性的仿生车轮构型具有重要理论意义和应用前景。
本发明采用的技术方案是：
通过鸵鸟奔跑腿足结构与奔跑姿态数据采集、鸵鸟腿足结构与姿态数据处理及模型重构，进行仿生信息获取和优化。基于鸵鸟腿足结构和奔跑姿态，采用工程仿生学技术，依据步行轮轮足运动特点，设计了本发明。
本发明是由轮毂、轮腿和轮足构成，五条轮腿均匀排布在轮毂的周面上，各轮腿下方以圆弧水平连接轮足。基于鸵鸟腿足奔跑姿态，各轮腿与过轮毂中心线的夹角α=40°，轮腿与轮足之间的夹角β=130°；所述的轮足的形状为仿鸵鸟足形的类梯形，所述的轮足具有轮趾，所述的轮趾的形状为鸵鸟足趾甲形状。
本发明的有益效果：
1、轮毂上五条轮腿的设置，使本发明具有良好的大范围跨障功能；
2、五条轮腿的设计，使一个轮足的轮趾即将离开地面时，下一个轮足刚好平行地以最大接触面积接触地面，轮足和轮趾的分别仿鸵鸟足形和仿鸵鸟足趾甲形状设计，起到了固沙限流作用，提高了牵引性能。
附图说明
图1是本发明的立体示意图。
图2是本发明的主视图。
图3为图2的左视图。
具体实施方式
请参阅图1、图2和图3所示，本实施例是由轮毂1、轮腿2和轮足3构成，五条轮腿2均匀排布在轮毂1的周面上，各轮腿2下方以圆弧水平连接轮足3，各轮腿2与过轮毂1中心线的夹角α=40°，轮腿2与轮足3之间的夹角β=130°；所述的轮足3的形状为仿鸵鸟足形的类梯形，所述的轮足3具有轮趾4，所述的轮趾4的形状为鸵鸟足趾甲的倒三角形状。
本发明的行进过程如下：
行进时，轮腿2与地面夹角为50°，五条轮腿2的设计及轮腿2与轮足3之间的夹角β=130°，使一个轮足3的轮趾4即将离开地面时，下一个轮足3刚好平行地以最大接触面积接触地面，满足鸵鸟奔跑时腿足运动姿态特点，即轮腿间大范围跨障与轮脚良好沙地通过性兼顾，实现仿生越沙跨障的功能。

Claims (2)

1.一种仿生越沙跨障步行轮轮足结构，其特征在于：是由轮毂（1）、轮腿（2）和轮足（3）构成，五条轮腿（2）均匀排布在轮毂（1）的周面上，各轮腿（2）下方以圆弧水平连接轮足（3），各轮腿（2）与过轮毂（1）中心线的夹角α=40°，轮腿（2）与轮足（3）之间的夹角β=130°；所述的轮足（3）具有轮趾（4）。
2.根据权利要求1所述的一种仿生越沙跨障步行轮轮足结构，其特征在于：所述轮足（3）的形状为仿鸵鸟足形的类梯台形；所述的轮趾（4）的形状为鸵鸟足趾甲的倒三角形状。
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沙地环境车辆仿鸵足步行机构的研究;张四华;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》;20130815(第08期);正文第61-69页，第5.1节，图5.2 *

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