CN105882782B - 仿生低振步行轮 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种仿生低振步行轮，是由第一轮腿机构和第二轮腿机构组成，第一轮腿机构通过数个连接螺栓固定设置在第二轮腿机构上，第一轮腿机构与第二轮腿机构结构相同；本发明是基于鸵鸟双足协同运动及足跖趾关节肌腱吸能减振特性，并结合工程仿生学原理设计完成的，在沙地面和硬地面行驶过程中，在达到普通步行轮牵引性能的同时，轮心波动和振动明显降低。本发明结构简单，运行平稳，具有良好的抗沉陷性能，其轮辙显示仿生步行轮对土壤扰动小，其牵引性能优于传统步行轮，同时，仿生步行轮的轮心波动幅度小，随着转速增大，减振效果更加明显，提高驾驶员舒适度，使车辆机械部件造成不易疲劳破坏，适合广泛的推广和使用。

Description

仿生低振步行轮
技术领域
本发明涉及仿生领域，特别涉及一种仿生低振步行轮。
背景技术
我国的沙漠、戈壁及半干旱地区的沙地总面积达130.8万平方公里，约占全国土地总面积的13.6％，沙漠科学考察、军事防御、沙漠综合治理以及开发沙漠中的矿产资源和旅游资源等都需要高性能的沙漠越野行走机构。另外，随着嫦娥三号成功登陆月球以及火星探测的启动，深空探测受到前所未有的关注，研究在松软沙地等复杂地面环境行驶的深空巡视探测器不仅具有科学意义还具有深远的战略意义，因步行轮在松软地面环境具有高通过性的特点，为了提高车辆在松软路面的牵引力，研究人员开发出了多种形式的步行轮结构。但是传统步行轮存在多边形效应，轮腿在硬地面接触瞬间会爆发很大的瞬时冲击力，这样的冲击力所造成的振动使得驾乘人员很难适应，同时容易使车辆机械部件造成疲劳破坏，因此设计一种低振步行轮对沙漠环境开发以及深空探测均具有重要价值和潜在应用前景。
发明内容
本发明的目的是要解决上述现有步行轮存在多边形效应，轮腿在硬地面接触瞬间会爆发很大的瞬时冲击力，这样的冲击力所造成的振动使得驾乘人员很难适应，同时容易使车辆机械部件造成疲劳破坏等问题，而提供一种仿生低振动步行轮。
本发明是由第一轮腿机构和第二轮腿机构组成，第一轮腿机构通过数个连接螺栓固定设置在第二轮腿机构上，第一轮腿机构与第二轮腿机构结构相同；
第一轮腿机构包括数个第一轮腿和第一轮毂，数个第一轮腿分别固定设置在第一轮毂上，第一轮腿包括第一跟腱弹簧、第一足面、第一限位销和第一支撑杆，第一支撑杆固定设置在第一轮毂上，第一足面通过第一限位销固定设置在第一支撑杆下端，第一跟腱弹簧两端分别固定设置在第一足面和第一支撑杆上；
第二轮腿机构包括数个第二轮腿和第二轮毂，数个第二轮腿分别固定设置在第二轮毂上，第二轮腿包括第二跟腱弹簧、第二足面、第二限位销和第二支撑杆，第二支撑杆固定设置在第二轮毂上，第二足面通过第二限位销固定设置在第二支撑杆下端，第二跟腱弹簧两端分别固定设置在第二足面和第二支撑杆上；
数个第一足面和数个第二足面构成一个直径为L1的正圆，L1＝384mm，第一足面的宽度为L2，L2＝14mm，第一轮毂和第二轮毂的间距为L3，L3＝20mm；
所述第一轮腿数量分别为八，相邻第一轮腿之间的夹角为θ1，θ1＝45°，相邻第一轮腿与第二轮腿之间的夹角为θ2，θ2＝22.5°。
本发明的工作原理和过程：
本发明基于鸵鸟双足协同运动及足跖趾关节肌腱吸能减振特性，采用工程仿生学技术，在行走过程中，第一轮腿机构与第二轮腿机构结构相同，工作原理相同，第一轮腿与第二轮腿交替触地，始终保持第一足面和第二足面平稳且连续与地面接触，第一跟腱弹簧是基于鸵鸟足跖趾关节肌腱的位置，具有吸能减振功能，第一轮腿触地初期，第一跟腱弹簧处于收缩状态，第一足面的前端接地，第一足面受到冲击后可以迅速地绕中心旋转从而减少第一轮腿受到的冲击作用，在此过程中，第一跟腱弹簧被拉伸，进而将动能转化为势能，减小轮心的加速度，在触地中期，当第一支撑杆与第一足面垂直时，第一支撑杆被第一限位销阻挡，第一足面不能再继续旋转，使第一支撑杆和第一足面保持垂直状态，本发明沿第一足面滚动，由于接地面的圆心与本发明轮心重合，使得此时的轮心上下波动较小，在触地后期，本发明不断向前滚动过程中，第一跟腱弹簧的收缩力大于外部阻力时，第一跟腱弹簧开始收缩，使得第一足面蹬地，将第一跟腱弹簧的弹性势能转化为步行轮前进的动能。
本发明的有益效果：
本发明结构简单，运行平稳，具有良好的抗沉陷性能，其轮辙显示仿生步行轮对土壤扰动小，其牵引性能优于传统步行轮，同时，仿生步行轮的轮心波动幅度小，随着转速增大，减振效果更加明显，提高驾驶员舒适度，使车辆机械部件造成不易疲劳破坏，在硬路面上，当车轮转速为30°/s时，与传统步行轮相比，仿生步行轮的加速度减少了15％，振幅减小了9.6％，适合广泛的推广和使用。
附图说明
图1是本发明的立体示意图。
图2是本发明的正视图。
图3是本发明的侧视图。
图4是本发明第一轮腿的立体示意图。
图5是本发明第二轮腿的立体示意图。
图6是本发明第一轮腿触地初期时的结构示意图。
图7是本发明第一轮腿触地中期时的结构示意图。
图8是本发明第一轮腿触地末期时的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8所示，本发明是由第一轮腿机构1和第二轮腿机构2组成，第一轮腿机构1通过数个连接螺栓3固定设置在第二轮腿机构2上，第一轮腿机构1与第二轮腿机构2结构相同；
第一轮腿机构1包括数个第一轮腿11和第一轮毂12，数个第一轮腿11分别固定设置在第一轮毂12上，第一轮腿11包括第一跟腱弹簧111、第一足面112、第一限位销113和第一支撑杆114，第一支撑杆114固定设置在第一轮毂12上，第一足面112通过第一限位销113固定设置在第一支撑杆114下端，第一跟腱弹簧111两端分别固定设置在第一足面112和第一支撑杆114上；
第二轮腿机构2包括数个第二轮腿21和第二轮毂22，数个第二轮腿21分别固定设置在第二轮毂22上，第二轮腿21包括第二跟腱弹簧211、第二足面212、第二限位销213和第二支撑杆214，第二支撑杆214固定设置在第二轮毂22上，第二足面212通过第二限位销213固定设置在第二支撑杆214下端，第二跟腱弹簧211两端分别固定设置在第二足面212和第二支撑杆214上；
数个第一足面112和数个第二足面212构成一个直径为L1的正圆，L1＝384mm，第一足面112的宽度为L2，L2＝14mm，第一轮毂12和第二轮毂22的间距为L3，L3＝20mm；
所述第一轮腿11数量分别为八，相邻第一轮腿11之间的夹角为θ1，θ1＝45°，相邻第一轮腿11与第二轮腿21之间的夹角为θ2，θ2＝22.5°。
本发明的工作原理和过程：
请参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8所示，本发明基于鸵鸟双足协同运动及足跖趾关节肌腱吸能减振特性，采用工程仿生学技术，在行走过程中，第一轮腿机构1与第二轮腿机构2结构相同，工作原理相同，第一轮腿11与第二轮腿21交替触地，始终保持第一足面112和第二足面212平稳且连续与地面接触，第一跟腱弹簧111是基于鸵鸟足跖趾关节肌腱的位置，具有吸能减振功能，第一轮腿11触地初期，第一跟腱弹簧111处于收缩状态，第一足面112的前端接地，第一足面112受到冲击后可以迅速地绕中心旋转从而减少第一轮腿11受到的冲击作用，在此过程中，第一跟腱弹簧111被拉伸，进而将动能转化为势能，减小轮心的加速度，在触地中期，当第一支撑杆114与第一足面11垂直时，第一支撑杆114被第一限位销113阻挡，第一足面112不能再继续旋转，使第一支撑杆114和第一足面112保持垂直状态，本发明沿第一足面112滚动，由于接地面的圆心与本发明轮心重合，使得此时的轮心上下波动较小，在触地后期，本发明不断向前滚动过程中，第一跟腱弹簧111的收缩力大于外部阻力时，第一跟腱弹簧111开始收缩，使得第一足面112蹬地，将第一跟腱弹簧111的弹性势能转化为步行轮前进的动能。

Claims (2)

1.一种仿生低振步行轮，其特征在于：是由第一轮腿机构(1)和第二轮腿机构(2)组成，第一轮腿机构(1)通过数个连接螺栓(3)固定设置在第二轮腿机构(2)上，第一轮腿机构(1)与第二轮腿机构(2)结构相同；
第一轮腿机构(1)包括数个第一轮腿(11)和第一轮毂(12)，数个第一轮腿(11)分别固定设置在第一轮毂(12)上，第一轮腿(11)包括第一跟腱弹簧(111)、第一足面(112)、第一限位销(113)和第一支撑杆(114)，第一支撑杆(114)固定设置在第一轮毂(12)上，第一足面(112)通过第一限位销(113)固定设置在第一支撑杆(114)下端，第一跟腱弹簧(111)两端分别固定设置在第一足面(112)和第一支撑杆(114)上；
第二轮腿机构(2)包括数个第二轮腿(21)和第二轮毂(22)，数个第二轮腿(21)分别固定设置在第二轮毂(22)上，第二轮腿(21)包括第二跟腱弹簧(211)、第二足面(212)、第二限位销(213)和第二支撑杆(214)，第二支撑杆(214)固定设置在第二轮毂(22)上，第二足面(212)通过第二限位销(213)固定设置在第二支撑杆(214)下端，第二跟腱弹簧(211)两端分别固定设置在第二足面(212)和第二支撑杆(214)上。
2.根据权利要求1所述的一种仿生低振步行轮，其特征在于：所述数个第一足面(112)和数个第二足面(212)构成一个直径为L1的正圆，L1＝384mm，第一足面(112)的宽度为L2，L2＝14mm，第一轮毂(12)和第二轮毂(22)的间距为L3，L3＝20mm；
所述第一轮腿(11)数量分别为八，相邻第一轮腿(11)之间的夹角为θ1，θ1＝45°，相邻第一轮腿(11)与第二轮腿(21)之间的夹角为θ2，θ2＝22.5°。
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