CN104527322A - 融合六维力/力矩测试功能的星球车车轮 - Google Patents

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丁亮
高海波
郭军龙
邓宗全
吴跃
陶建国
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融合六维力/力矩测试功能的星球车车轮，它涉及一种星球车车轮。本发明解决了现有的星球车车轮不具备精确进行与土壤作用的力和力矩测量的功能的问题。轮辋适配器内嵌在车轮本体的内壁上且位于车轮本体的内环中部，六维力/力矩传感器同轴安装在轮辋适配器上，轮毂适配器同轴安装在六维力/力矩传感器上，爪盘的一端设有爪盘轴，爪盘同轴固装在轮毂适配器的中心处，爪盘轴穿过两个盖板中的一个并通过联轴器与减速器同轴连接；信号放大器安装在六维力/力矩传感器上，滑环转动安装在信号放大器上，导向装置的一端固装在滑环上，导向装置的另一端通过固定装置限位，固定装置固装在两个盖板中余下的一个盖板上。本发明用于星球车探测领域。

Description

融合六维力/力矩测试功能的星球车车轮
技术领域
本发明涉及一种融合六维力/力矩测试功能的星球车车轮，属于航天技术领域。
背景技术
月球车、火星车等星球车车轮在松软崎岖的星球表面运行时受力苛刻，如果可以对其受力情况进行精确测量，不但可以通过科学实验了解星球地貌的力学特性，还可以优化星球车控制，避免陷车等问题的发生。目前的星球车车轮不具备精确进行与土壤作用的力和力矩测量的功能，只能够通过测量电机电流对驱动力矩进行估计，精度较低，且对于其它维度的力和力矩无法测量，包括法向力、牵引力、测向力、转向力矩和倾覆力矩。
地面实验中通常采用商业六维力/力矩传感器产品安装在车轮上方或者侧面，与机体固连，不随车轮转动。由于其安装位置不能直接测量车轮受力和力矩，通过坐标轴的旋转和平移变换估算地面作用到车轮上的力，无法准确获得车轮受力信息，同时由于现有六维力/力矩传感器独立安装，增加了整体质量和安装空间。地面试验中的方法存在测量精度差、附加质量大、不便于热防护的问题，不适用与星球车。因此设计制造一体化测量装置迫在眉睫。
综上，现有的星球车车轮不具备精确进行与土壤作用的力和力矩测量的功能。
发明内容
本发明为解决现有的星球车车轮不具备精确进行与土壤作用的力和力矩测量的功能的问题，进而提供了一种融合六维力/力矩测试功能的星球车车轮。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
本发明的融合六维力/力矩测试功能的星球车车轮包括车轮本体、驱动电机、减速器、联轴器、爪盘、轮辋适配器、六维力/力矩传感器、轮毂适配器、信号放大器、滑环、固定装置、导向装置和两个盖板，两个盖板安装在车轮本体的两侧，轮辋适配器内嵌在车轮本体的内壁上且位于车轮本体的内环中部，六维力/力矩传感器的轮廓为圆盘形状，六维力/力矩传感器上加工有中心通孔，六维力/力矩传感器同轴安装在轮辋适配器上，轮毂适配器同轴安装在六维力/力矩传感器的中心通孔上，爪盘的一端设有爪盘轴，爪盘同轴固装在轮毂适配器的中心处且位于车轮本体内，爪盘轴穿过两个盖板中的一个并通过联轴器与减速器同轴连接，驱动电机与减速器连接，驱动电机、减速器和联轴器均设置在车轮本体外；
信号放大器安装在六维力/力矩传感器上，滑环转动安装在信号放大器上，滑环内设置有角度传感器，导向装置的一端固装在滑环上，导向装置的另一端通过固定装置限位，固定装置固装在两个盖板中余下的一个盖板上。
本发明与现有的星球车车轮相比具有以下有益效果：
本发明的融合六维力/力矩测试功能的星球车车轮上设置有轮辋适配器、六维力/力矩传感器和轮毂适配器和信号放大器，轮辋适配器、六维力/力矩传感器和轮毂适配器和信号放大器跟随车轮本体一起转动，并且六维力/力矩传感器安装在车轮本体的内环中部，无需进行力/力矩的旋转和平移坐标变换，就可以更直接、更准确地测量车轮的受力情况，提高了测量精度；
本发明的融合六维力/力矩测试功能的星球车车轮实现了力/力矩测量与车轮一体化，将传统意义上安放在车轮上方或旁侧的六维力/力矩传感器等部件安装到车轮本体内，减小了含有力学测试装置的车轮系统的安装尺寸，节约了空间，有利于星球车车轮的热防护；
本发明的六维力/力矩传感器可以安装在轮辋与轮彀中间，代替了原来车轮中部的结构，采用滑环解决了角度传感器的绕线问题，其中的绝对式角度传感器用于测量六维力/力矩传感器相对于轮轴的旋转角度；与单独安装六维力/力矩传感器的方式相比，节省了重量，有利于星球车车轮的轻量化设计。
附图说明
图1是本发明的融合六维力/力矩测试功能的星球车车轮的分解立体图；图2是本发明的融合六维力/力矩测试功能的星球车车轮的整体结构立体图(驱动电机10一侧)；图3是本发明的融合六维力/力矩测试功能的星球车车轮的整体结构立体图(导向装置15一侧)。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1～3所示，本实施方式的融合六维力/力矩测试功能的星球车车轮包括车轮本体1、驱动电机10、减速器9、联轴器、爪盘5、轮辋适配器2、六维力/力矩传感器3、轮毂适配器4、信号放大器11、滑环12、固定装置16、导向装置15和两个盖板，两个盖板安装在车轮本体1的两侧，轮辋适配器2内嵌在车轮本体1的内壁上且位于车轮本体1的内环中部，六维力/力矩传感器3的轮廓为圆盘形状，六维力/力矩传感器3上加工有中心通孔，六维力/力矩传感器3同轴安装在轮辋适配器2上，轮毂适配器4同轴安装在六维力/力矩传感器3的中心通孔上，爪盘5的一端设有爪盘轴，爪盘5同轴固装在轮毂适配器4的中心处且位于车轮本体1内，爪盘轴穿过两个盖板中的一个并通过联轴器与减速器9同轴连接，驱动电机10与减速器9连接，驱动电机10、减速器9和联轴器均设置在车轮本体1外；
信号放大器11安装在六维力/力矩传感器3上，滑环12转动安装在信号放大器11上，滑环12内设置有角度传感器，导向装置15的一端固装在滑环12上，导向装置15的另一端通过固定装置16限位，固定装置16固装在两个盖板中余下的一个盖板上。
两个盖板为第一盖板6和第二盖板14。
具体实施方式二：如图1～3所示，本实施方式车轮本体1外侧壁上沿圆周方向均布设置有多个轮刺。如此设计，可以增加车轮本体1在松软地形中产生的牵引力。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：如图1～3所示，本实施方式轮刺的数量为16～32个。如此设计，可以根据需要增减轮刺的数量，从而改变车轮本体1在松软地形中产生的牵引力。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：如图1～3所示，本实施方式轮刺的宽度范围为60～300mm，轮刺的高度范围为0～20mm。如此设计，可以根据需要选择不同宽度和高度的轮刺，从而改变车轮本体1在松软地形中产生的牵引力。其它组成及连接关系与具体实施方式二或三相同。
具体实施方式五：如图2所示，本实施方式联轴器为膜片联轴器，联轴器包括第一半联轴器7和第二半联轴器8。如此设计，膜片联轴器靠膜片的弹性变形来补偿所联两轴的相对位移，是一种高性能的金属强元件挠性联轴器，不用润油，结构较紧凑，强度高，使用寿命长，无旋转间隙，不受温度和油污影响，具有耐酸、耐碱防腐蚀的特点，适用于高温、高速、有腐蚀介质工况环境的轴系传动。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。
工作原理：
车轮本体1相对于地面产生运动，其他部件与之相连接提供动力和力/力矩测量；
两个盖板，其设于车轮两侧，用于保护内部部件防止沙土进入车轮内部；
一个驱动电机10、一个减速器9、一个联轴器和一个爪盘5，驱动电机10、减速器9和联轴器设于车轮本体1外侧，爪盘5设于车轮本体内部，通过驱动电机10、减速器9、联轴器和爪盘5的串联连接，将动力输出传递给车轮本体1；
一个轮辋适配器2，轮辋适配器2设于被测车轮内环中部并安装在被测车轮上，轮辋适配器2与车轮本体1内环的构型和尺寸相同；
六维力/力矩传感器3设于被测车轮内环正中央的位置并安装在轮辋适配器2上；
一个轮毂适配器4设于车轮本体1内部并安装在六维力/力矩传感器3上；
一个信号放大器11和一个滑环12，滑环12内部设有角度传感器，用于测量车轮与轮轴之间的绝对角度，滑环12安装在信号放大器11上，信号放大器11安装在六维力/力矩传感器3上；
一个固定装置16和一个导向装置15，固定装置1不随车轮转动，导向装置15一端固定在滑环12上，另一端穿过固定装置16，实现对滑环12旋转的限制。

Claims (5)

1.一种融合六维力/力矩测试功能的星球车车轮，其特征在于：所述星球车车轮包括车轮本体(1)、驱动电机(10)、减速器(9)、联轴器、爪盘(5)、轮辋适配器(2)、六维力/力矩传感器(3)、轮毂适配器(4)、信号放大器(11)、滑环(12)、固定装置(16)、导向装置(15)和两个盖板，两个盖板安装在车轮本体(1)的两侧，轮辋适配器(2)内嵌在车轮本体(1)的内壁上且位于车轮本体(1)的内环中部，六维力/力矩传感器(3)的轮廓为圆盘形状，六维力/力矩传感器(3)上加工有中心通孔，六维力/力矩传感器(3)同轴安装在轮辋适配器(2)上，轮毂适配器(4)同轴安装在六维力/力矩传感器(3)的中心通孔上，爪盘(5)的一端设有爪盘轴，爪盘(5)同轴固装在轮毂适配器(4)的中心处且位于车轮本体(1)内，爪盘轴穿过两个盖板中的一个并通过联轴器与减速器(9)同轴连接，驱动电机(10)与减速器(9)连接，驱动电机(10)、减速器(9)和联轴器均设置在车轮本体(1)外；
信号放大器(11)安装在六维力/力矩传感器(3)上，滑环(12)转动安装在信号放大器(11)上，滑环(12)内设置有角度传感器，导向装置(15)的一端固装在滑环(12)上，导向装置(15)的另一端通过固定装置(16)限位，固定装置(16)固装在两个盖板中余下的一个盖板上。
2.根据权利要求1所述的融合六维力/力矩测试功能的星球车车轮，其特征在于：车轮本体(1)外侧壁上沿圆周方向均布设置有多个轮刺。
3.根据权利要求2所述的融合六维力/力矩测试功能的星球车车轮，其特征在于：轮刺的数量为16～32个。
4.根据权利要求2或3所述的融合六维力/力矩测试功能的星球车车轮，其特征在于：轮刺的宽度范围为60～300mm，轮刺的高度范围为0～20mm。
5.根据权利要求1、2或3所述的融合六维力/力矩测试功能的星球车车轮，其特征在于：联轴器为膜片联轴器，联轴器包括第一半联轴器(7)和第二半联轴器(8)。
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