CN103879227B - 一种仿鸵鸟足底三维曲面的仿生越沙车轮鼓形轮面 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿鸵鸟足底三维曲面的仿生越沙车轮鼓形轮面，是由若干个仿生轮面单体在基圆圆周上阵列分布构成，仿生轮面单体是由椭球面、凹槽面和缓曲面构成；以半椭圆弧线为轮廓线，分别以第一导线和第二导线为扫掠导线扫掠得到轮面的椭球面、凹槽面、缓曲面和两个过渡面；所述的椭球面、凹槽面和缓曲面是仿鸵鸟足第Ⅲ趾足底曲面。本发明解决了车辆在沙漠中难以正常行驶的难题，提高了松散沙土路面上行驶车轮或轮胎的通过性和牵引性能，适用于沙漠、戈壁、月球和火星等松软介质环境运行。与相同尺寸光滑鼓形轮面结构的车轮相比，本发明的挂钩牵引力提高了2.8%-5.7%，牵引效率提高了3.2%-6.5%，轮面下沙土相对流动速度降低了8.9%-11.6%。

Description

一种仿鸵鸟足底三维曲面的仿生越沙车轮鼓形轮面

技术领域

本发明属于工程仿生技术领域，特别涉及一种仿鸵鸟足底三维曲面的仿生越沙车轮鼓形轮面。

背景技术

在竞争日益激烈的当今社会，生产力的高低是衡量一个国家综合国力的重要指标，而一个国家的石油、煤炭、金属等矿产资源开采量直接关系到一个国家生产力的发展。我国是一个幅员辽阔的大国，矿产资源蕴藏丰富，但是有相当一部分资源都储藏在沙漠、戈壁等道路条件极差的地区。2006年6月公布的沙漠普查数据显示：我国沙漠化土地已达173万平方公里，占国土总面积的18％，其中沙漠戈壁约116万平方公里。这些沙漠戈壁区域，能源矿藏储存丰富，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％。就以素有中国能源“聚宝盆”美誉之称的塔里木盆地中的塔克拉玛干沙漠地下储藏量为例，已探明地下石油蕴藏量就达500亿吨，相当于全球石油蕴藏量的1/3，天然气储量也高达8万亿立方米，相当于美国的2倍，车辆是开采矿藏的必备工具，车辆难以顺利前行也是制约这些矿藏资源难以开采的重要原因之一。这些地区地表松散，大部分是由松散的沙土组成，普通车辆的车轮(轮胎)都是按照硬路面上行驶标准和力学性能设计的，因此安装常规车轮的车辆行驶在沙漠地带时，很容易出现打滑、沉陷等问题，致使车辆无法顺利前行。此外，目前已经探明火星、月球上蕴藏有丰富的矿藏资源，世界各国已经开始了以抢占资源为目的的太空争夺赛。而月球和火星的地貌同样都是以沙漠为主。美国于2003年6月10日发射的“勇气号”火星车就是因为在通过相对较软的沙丘时，鼓形轮面车轮通过性能降低陷入软土无法脱身，勇气号因此失去行走能力，被迫中止任务。近年来，虽有不少国内外学者对沙地车轮做了相关研究，但还是未能从根本上解决沙地车轮通过性问题。车轮能否在沙地顺利行驶与车轮的轮面特征有着直接关系，普通轮面的固沙限流效果差，沙土在轮下流动性大，对车轮的摩擦力小，从而车轮的牵引力小，因此通常会出现打滑、沉陷等现象。因此研制出一种高通过性越沙轮面结构对于改善和提高松散沙土工作环境中车轮的沙地越野通过性具有重要理论意义和应用价值。

非洲鸵鸟原产自非洲与阿拉伯地区，生活在辽阔的沙漠地区和大草原之上，是世界上最大最重的鸟。根据鸟类属性，鸵鸟属于平胸类，即胸骨扁平不具龙骨突起而锁骨退化。鸵鸟具有翅膀，但是不能飞翔，主要用于运动平衡作用，所以其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。鸵鸟优秀的奔跑能力与越沙能力与其身体结构、器官、羽毛、脖颈、翅膀以及腿等多方面密切相关，是多部位共同合作的结果。但是，鸵鸟腿足直接与沙地接触，在其越沙过程起关健作用，值得深入研究。由于自然进化优化，鸵鸟足仅剩下两个足趾，分别为第Ⅲ趾(内趾)和第Ⅳ趾(外趾)，第Ⅲ趾粗壮较为发达，朝向正前方，趾末端具有发达而坚硬的趾甲。第Ⅳ趾较小，长度仅为第三趾的1/2，足趾甲已经退化。鸵鸟在奔跑过程中，只有第Ⅲ趾着地，第四趾只起到保持身体平衡的作用。无论是行走还是奔跑过程，鸵鸟足第Ⅲ趾足底曲面始终与沙土直接接触，因此鸵鸟足底Ⅲ趾足底曲面是影响鸵鸟在沙漠中快速稳健奔跑的重要因素之一，特别是足底中间凹槽部分固沙限流防滑移作用显著。把第Ⅲ趾曲面形貌特征应用到越沙车轮上将会对车轮在沙漠中的通过性有明显改善。

发明内容

本发明的目的是解决车辆在沙漠中难以正常行驶的难题，而提供一种仿鸵鸟足底三维曲面的仿生越沙车轮鼓形轮面，本发明提高了松散沙土路面上行驶车轮(轮胎)的通过性和牵引性能，可应用在能源开采车辆、军用车辆、沙漠行驶车辆、沙漠机器人，甚至是深空探测车等在松软路面作业的行走机械上。

本发明以常年生活在沙漠中善于高速奔跑的鸵鸟足主要触沙部位的第Ⅲ趾底曲面形貌为仿生原型，通过分析发现鸵鸟足第Ⅲ趾底存在三个典型曲面，通过数学建模方法得到三个典型曲面的形状特征，并根据工程仿生学原理，基于越沙轮面与沙土的作用关系，把三个曲面形状应用到越沙车轮鼓形轮面设计上，设计出一种高通过性的仿生越沙车轮鼓形轮面结构。

本发明是由若干个仿生轮面单体在基圆圆周上阵列分布构成，仿生轮面单体是由椭球面、凹槽面和缓曲面构成；以半椭圆弧线为轮廓线，分别以第一导线和第二导线为扫掠导线扫掠得到轮面的椭球面、凹槽面、缓曲面和两个过渡面；

所述第一导线由四段圆弧组成，相邻的两段圆弧之间相切，半径分别为R₁＝50mm，R₂＝38.675mm，R₃＝50mm，R₇＝275mm，圆心分别为O₁(0，0,250)，O₂(0,80.268,287.687)，O₃(0,100.41,201.337)，O(0,0,0)；角θ₁＝64.849°，角θ₂＝77.999°，角θ₃＝39.663°，角θ₇＝20.161°，其中半径为R₁的圆弧一端点在半椭圆弧的顶端，半径为R₂的圆弧分别与两边圆弧及半径为R₆的圆相切，半径为R₃的圆弧与半径为R₇的圆相切；

所述的第二导线是由两条圆弧组成，第二导线作为椭球面另外一侧与车轮缓曲面的过渡导线，第二导线的圆心分别为O₁(0,0,250)，O₄(0，-74.906,316.25)，第二导线的半径分别为R₁＝50mm，R₄＝50mm；角θ₄＝35.184°，角θ₅＝48.509°。

所述椭球面、凹槽面和缓曲面的仿生方法：

首先通过三维扫描仪扫描获得鸵鸟足第Ⅲ趾足底几何模型，把鸵鸟足第Ⅲ趾足底进行分区处理，即前掌缓曲面、中间凹槽面和足跟凸冠面，并分别获取三个曲面的点云数据，导入到CATIA数字化设计模块中进行点云过滤保留能体现曲面特征的特征点，并以txt文本形式导出特征点云的三维坐标。

把前掌缓冲曲面和中间凹槽曲面的特征点云数据分别导入到Matlab软件中进行曲面拟合，得到两曲面拟合后的曲面图形，中间凹槽区曲面是一个中间低两边高的凹槽，前掌缓冲区拟合曲面中间部位趋于平缓，两边略低于中间部位。把足跟凸冠面特征点云数据导入到SAS软件的非线性回归模块中以椭圆模型进行曲面拟合，得到拟合后的图形，其中足跟凸冠曲面类似一个椭球面。根据三个图形的形状特征，把三个曲面圆滑的连接起来，得到仿生轮面的单体结构。

本发明的有益效果：

本发明解决了车辆在沙漠中难以正常行驶的难题，提高了松散沙土路面上行驶车轮或轮胎的通过性和牵引性能，适用于沙漠、戈壁、月球和火星等松软介质环境运行。与相同尺寸光滑鼓形轮面结构的车轮相比，本发明的挂钩牵引力提高了2.8％-5.7％，牵引效率提高了3.2％-6.5％，轮面下沙土相对流动速度降低了8.9％-11.6％，体现了仿生越沙车轮鼓形轮面优越的沙地通过性和固沙限流效果。

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是本发明的仿生轮面单体立体示意图。

图4是本发明的半椭圆弧线示意图。

图5是本发明的第一导线和第二导线示意图。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3和图4所示，本发明是由若干个仿生轮面单体1在基圆2圆周上阵列分布构成，仿生轮面单体1是由椭球面11、凹槽面12和缓曲面13构成；以半椭圆弧线3为轮廓线，分别以第一导线4和第二导线5为扫掠导线扫掠得到轮面的椭球面11、凹槽面12、缓曲面13和两个过渡面；

如图5所示，所述第一导线4由四段圆弧组成，相邻的两段圆弧之间相切，半径分别为R₁＝50mm，R₂＝38.675mm，R₃＝50mm，R₇＝275mm，圆心分别为O₁(0，0,250)，O₂(0,80.268,287.687)，O₃(0,100.41,201.337)，O(0,0,0)；角θ₁＝64.849°，角θ₂＝77.999°，角θ₃＝39.663°，角θ₇＝20.161°，其中半径为R₁的圆弧一端点在半椭圆弧的顶端，半径为R₂的圆弧分别与两边圆弧及半径为R₆的圆相切，半径为R₃的圆弧与半径为R₇的圆相切；所述的第一导线4在图2中以粗实线表示、在图5中以实线表示。

如图5所示，所述的第二导线5是由两条圆弧组成，第二导线5作为椭球面另外一侧与车轮缓冲面的过渡导线，第二导线5的圆心分别为O₁(0,0,250)，O₄(0，-74.906,316.25)，第二导线5的半径分别为R₁＝50mm，R₄＝50mm；角θ₄＝35.184°，角θ₅＝48.509°。所述的第二导线5在图2中以中实线表示、在图5中以虚线表示。

Claims (1)

1.一种仿鸵鸟足底三维曲面的仿生越沙车轮鼓形轮面，其特征在于：由若干个仿生轮面单体(1)在基圆(2)圆周上阵列分布构成，所述仿生轮面单体(1)是由椭球面(11)、凹槽面(12)和缓曲面(13)构成；以半椭圆弧线(3)为轮廓线，分别以第一导线(4)和第二导线(5)为扫掠导线扫掠得到轮面的椭球面(11)、凹槽面(12)、缓曲面(13)和两个过渡面；

所述第一导线(4)由四段圆弧组成，相邻的两段圆弧之间相切，半径分别为R₁＝50mm，R₂＝38.675mm，R₃＝50mm，R₇＝275mm，圆心分别为O₁(0，0，250)，O₂(0，80.268，287.687)，O₃(0，100.41，201.337)，O(0，0，0)；角θ₁＝64.849°，角θ₂＝77.999°，角θ₃＝39.663°，角θ₇＝20.161°，其中半径为R₁的圆弧一端点在半椭圆弧的顶端，半径为R₂的圆弧分别与两边圆弧及半径为R₆的圆相切，半径为R₃的圆弧与半径为R₇的圆相切；

所述的第二导线(5)是由两条圆弧组成，第二导线(5)作为椭球面另外一侧与车轮缓曲面的过渡导线，第二导线(5)的圆心分别为O₁(0，0，250)，O₄(0，-74.906，316.25)，第二导线(5)的半径分别为R₁＝50mm，R₄＝50mm；角θ₄＝35.184°，角θ₅＝48.509°。