CN112848790A - 一种具有松软月面快速高牵引性能的仿生步行轮面 - Google Patents

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Abstract

一种具有松软月面快速高牵引性能的仿生步行轮面，包括6个仿生轮面单体和轮辋结构，仿生轮面单体包括一体化的外轮面和弹性金属片。弹性金属片的一端固接于外轮面和轮辋，外轮面通过弹性金属片与轮辋结构连接。外轮面表面由凹形槽、仿骆驼蹄凸体和仿鸵鸟乳突凸体复合而成，外轮面两端有限位机构。凹形槽有助于减少车轮沉陷，仿骆驼蹄凸体有助于减少车轮沉陷和增加牵引，仿鸵鸟乳突凸体有助于增加车轮的附着力。每组弹性金属片由6片S形弹性金属片组成，弹性金属片起到支撑和缓震的作用。本发明提出了一种新概念‑步行轮面，具有传统步行轮的功能和优势，但避免了传统步行轮的低效和振动，发挥了步行轮的松软地面高牵引、抗沉陷和主动脱困功能。

Description

一种具有松软月面快速高牵引性能的仿生步行轮面
技术领域
本发明属于工程仿生技术领域，涉及一种具有松软月面快速高牵引性能的仿生步行轮面。
背景技术
月球表面不但含有大量的核聚变材料—氦3，同时含有稀土元素和钛铁矿等。随着全球能源危机的加剧和资源的枯竭，全球能源战略逐渐将目光投向了月球探索。但是，月球探测车在月壤上行驶时很容易打滑、沉陷甚至不能正常通行。因此，开发在松软地形上具有高牵引力通过性的步行机构已成为了亟待解决的问题。
车轮是月面快速移动装置重要组成部分，车轮的月面高附着特性和高牵引特性对于提升月面移动装置高通过性能至关重要。车轮轮面与月面直接接触，轮面形貌将影响车轮的附着牵引性能和对月壤的扰动性能，对于提升高速重载行驶车轮的附着牵引性能发挥至关重要的作用。以提高月面快速移动装置的附着性和牵引性为研究目标，设计具有月面高通过行驶特征的轮面结构，可为载人登月任务的顺利实施提供技术支持。
普通车轮适合结构化路面，行驶效率高，平顺性好，但是存在松软地面通过性差的缺点。传统步行轮大多采用单一的刚性轮脚或轮刺结构，可充分利用轮脚约束松软介质流动，提高牵引效率优势，但是存在平顺性差、机动性不强的缺点。因此，本发明针对探测车现有技术不足，提出了步行轮面思想，在松软地面环境中，在保证车轮行驶效率、平顺性及稳定性前提下，将步行轮特征结合到轮面设计中，提高轮面在松软地面环境中的牵引通过性。沙漠环境典型动物足部特性使其具有固沙、限流、高附着等运动特性，基于沙土与月壤相似的机械特性，本发明采用工程仿生技术，将沙漠环境典型动物的足部特征应用到步行轮面的设计中，有助于研制高附着、强牵引月面自适应仿生步行轮面。
发明内容
本发明的目的是为了解决月球探测车在松软的月面出现的打滑和沉陷的难题，以沙漠环境典型动物足部结构为仿生原型，利用工程仿生学原理，设计了一种仿生步行轮面结构，未来可应用在深空探测车的车轮上。
本发明包括6个仿生轮面单体和一体化的轮辋，6个仿生轮面单体均匀固接在轮辋上且各仿生轮面单体之间的间隙一致，每个缝隙的夹角都为α，α为8°。仿生轮面单体均由一体化的外轮面和一组弹性金属片组成，外轮面表面由凹形槽、仿骆驼蹄凸体和仿鸵鸟乳突凸体复合而成，外轮面两端有限位机构。外轮面通过弹性金属片与轮辋连接，弹性金属片的一端固接于外轮面，弹性金属片的另一端固接于轮辋。凹形槽在外轮面中间位置，凹形槽的曲率半径ρ为60mm。每个仿生轮面单体有9组仿驼蹄凸体，每组有两个凸体，分布在凹形槽两侧，紧挨着凹形槽。每组仿驼蹄凸体呈“人”字形排列，夹角为β，β为134°。仿鸵鸟乳突凸体在外轮面外侧对称分布，每个仿生轮面单体有90组，每组12个仿鸵鸟乳突凸体，每组都呈“人”字形排列，夹角为θ，θ为134°，朝向和仿骆驼蹄凸体相反。外轮面两端的限位机构结构相同，限位机构与轮辋之间有一定的距离。每组弹性金属片由6片S形弹性金属片组成。
本发明的工作过程：
仿生轮面向前滚动，一个轮面单体独自与环境表面接触，受力压缩，弹性金属片起到支撑和缓震的作用。轮子继续向前滚动，下一个轮面单体也受力压缩，这时两个轮面单体同时与环境表面接触。随着轮子继续向前滚动，第一个轮面单体回弹，仅第二个轮面单体与环境表面接触。车轮滚动时，单体独立运动，相互作用。外轮面两端有限位机构，起到限位作用，防止轮面单体过度压缩。外轮面表面的凹形槽把松软的月壤固着在凹形槽内，限制月壤的流动。外轮面表面的仿驼蹄凸体呈“人”字形排列，能限制月壤的流动，增大牵引。仿鸵鸟乳突凸体有助于增加轮面的附着力。
本发明的有益效果：
1、轮面分布6个独立单体，单体间平滑过渡，提高了平顺性、机动性。车轮滚动时，单体独立运动，相互作用，自主适应表面环境，提高牵引。
2、外轮面表面由凹形槽、仿骆驼蹄凸体和仿鸵鸟乳突凸体复合而成，外轮面两端有限位机构。凹形槽有助于减少车轮沉陷，仿骆驼蹄凸体有助于减少车轮沉陷和增加牵引，仿鸵鸟乳突凸体助于增加车轮附着力。。
3、外轮面和轮辋之间通过弹性金属片连接，弹性金属片起到支撑和缓震的作用，使发明的轮面具有缓震特征。
附图说明
图1是本发明的结构立体图。
图2是本发明的主视图。
图3是本发明的俯视图。
图4是本发明的外轮面的主视图。
图5是本发明的外轮面的俯视图。
图6是本发明的弹性金属片的结构立体图。
图7是本发明的轮辋结构的结构立体图。
具体实施方式
如图1、图2、图3和图7所示，本发明由一体化的轮辋1和6个仿生轮面单体构成。6个仿生轮面单体均匀固接在轮辋上且各仿生轮面单体之间的间隙一致，每个缝隙的夹角都为α，α为8°。
如图4、图5和图6所示，仿生轮面单体均由一体化的外轮面3和一组弹性金属片2组成，外轮面3表面由凹形槽、仿骆驼蹄凸体和仿鸵鸟乳突凸体复合而成，外轮面3两端有限位机构；外轮面3通过弹性金属片2与轮辋1连接，弹性金属片2的一端固接于外轮面3，弹性金属片2的另一端固接于轮辋1。凹形槽在外轮面3中间位置，凹形槽的曲率半径ρ为60mm。每个仿生轮面单体有9组仿驼蹄凸体，每组有两个凸体，分布在凹形槽两侧，紧挨着凹形槽。每组仿驼蹄凸体呈“人”字形排列，夹角为β，β为134°。仿鸵鸟乳突凸体在外轮面3外侧对称分布，每个仿生轮面单体有90组，每组12个仿鸵鸟乳突凸体，每组都呈“人”字形排列，夹角为θ，θ为134°，朝向和仿骆驼蹄凸体相反。外轮面3两端的限位机构结构相同，限位机构与轮辋之间有一定的距离。每组弹性金属片2由6片S形弹性金属片组成。

Claims (2)

1.一种具有松软月面快速高牵引性能的仿生步行轮面，其特征在于：由一体化的轮辋(1)和6个仿生轮面单体构成；6个仿生轮面单体均匀固接在轮辋上且各仿生轮面单体之间的间隙一致，每个缝隙的夹角都为α，α为8°。
2.根据权利要求1所述的一种具有松软月面快速高牵引性能的仿生步行轮面，其特征在于：所述的仿生轮面单体均由一体化的外轮面(3)和一组弹性金属片(2)组成，外轮面(3)表面由凹形槽、仿骆驼蹄凸体和仿鸵鸟乳突凸体复合而成，外轮面(3)两端有限位机构；外轮面(3)通过弹性金属片(2)与轮辋(1)连接，弹性金属片(2)的一端固接于外轮面(3)，弹性金属片(2)的另一端固接于轮辋(1)；凹形槽在外轮面(3)中间位置，凹形槽的曲率半径ρ为60mm；每个仿生轮面单体有9组仿驼蹄凸体，每组有两个凸体，分布在凹形槽两侧，紧挨着凹形槽；每组仿驼蹄凸体呈“人”字形排列，夹角为β，β为134°；仿鸵鸟乳突凸体在外轮面(3)外侧对称分布，每个仿生轮面单体有90组，每组12个仿鸵鸟乳突凸体，每组都呈“人”字形排列，夹角为θ，θ为134°，朝向和仿骆驼蹄凸体相反；外轮面(3)两端的限位机构结构相同，限位机构与轮辋之间有一定的距离；每组弹性金属片(2)由6片S形弹性金属片组成。
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