CN112848791B - 一种月球表面低扬尘高牵引的仿生步行轮 - Google Patents

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Abstract

一种月球表面低扬尘高牵引的仿生步行轮属工程仿生技术领域，本发明是仿鸵鸟足底曲面形貌、趾甲轮廓和第三趾的运动特性构成，由轮毂、轮胎组件和轮刺组组成，主要应用在载人快速月球车上。仿生步行轮滚动过程中轮刺的伸出长度可根据轮上载荷和月面情况进行自适应的调整，提高仿生步行轮的牵引力和通过性。轮胎面在与月面接触过程中，其表面结构将轮下月壤固着住，降低车轮对月壤的扰动性。通过仿真分析发现，本发明的月球表面低扬尘高牵引的仿生步行轮相比筛网轮的挂钩牵引力提高了约90％，扬尘数量降低了约51％，并且结构简单、质量轻、免充气、牵引性能和抑制扬尘效果好，有助于提高载人快速月球车的附着性、牵引性和抑尘性。

Description

一种月球表面低扬尘高牵引的仿生步行轮
技术领域
本发明属于工程仿生技术领域，具体涉及一种仿鸵鸟足底曲面、趾甲和运动特性的月球表面低扬尘高牵的引仿生步行轮。
背景技术
月球表面蕴藏着许多人类所需要的资源。随着全球资源的开采和能源的短缺，人们开始把目光转向太空中的其他星球。深空探测成为未来发展的必然趋势，深空探测技术也影响着一个国家的综合国力和地位。目前，世界上已经有许多国家成功完成了深空探测任务，然而由于月球表面都是由松散的沙土介质为主，有些深空探测器在松软地面的通过性差、车轮牵引力小，导致车轮沉陷和打滑而无法进行正常工作。车轮作为移动系统的关键性部件和唯一触地，它的性能的好坏直接决定移动系统的性能。
月尘是广泛分布在月球表面的微小颗粒，它具有粒径小、不规则、易飘散和易带电等特点。月尘很容易被扰动而飘散，当他附着在探测设备上时很容易造成探测设备的堵塞和磨损。而且由于他的粘附力特性和带电特性，它容易粘附在设备的表面，很难被清除，例如“Apollo”12号和15号的设备都受月尘的影响出现问题。随着深空探测工程的深入开展，我们发现，有效规避月尘对月球探测的危害，是我们月面探测所急需解决的问题。月球车在月面上行驶时，车轮扰动月面月尘，将月尘向后抛起，这是导致扬尘产生的主要原因之一。因此，采用工程仿生技术，设计一款月面低扬尘高牵引仿生步行轮胎面来有效减少扬尘的产生对月球探测工程的开展具有重要意义。
鸵鸟主要生活在沙漠和荒漠地带，鸵鸟在沙地环境中具有超强的奔跑能力和持久耐力。成年鸵鸟的体重60-160kg，能以为50-60公里/小时的速度持续奔跑30分钟，冲刺速度超过70公里/小时，跨步长度超过5m，是陆地上奔跑速度最快的两条腿动物。鸵鸟的二趾足是其具有优秀奔跑能力的关键，由于二趾足长期与沙地接触，进化形成的足底曲面具有良好的固沙限流的性能。鸵鸟的第三趾是主要的承重趾，鸵鸟第三趾在触地过程具有低速入沙、高速出沙的运动特性，对增大牵引抗沉陷具有显著效果。此外，趾甲位于鸵鸟足第三趾的最前面，最先与沙土进行接触，在奔跑过程中具有固着和增大牵引力的作用。因此，本设计将鸵鸟的足底曲面形貌、趾甲轮廓和第三趾的运动特性进行结合，融入到月面自适应仿生步行轮胎面的设计中，对月球车的牵引性和抑尘有明显提高。
中国发明专利一种弹性筛网月球车车轮(申请号：201510423276.5)的轮面采用了编织筛网结构，该筛网结构在松软的月面环境下牵引力有限，容易沉陷，并且筛网轮结构容易进灰、扬尘。中国发明专利一种仿鸵鸟足底三维曲面的仿生越沙车轮鼓形轮面(申请号：201420185633.X)是将鸵鸟足底曲面应用到整个轮面上，其轮面为连续刚性轮面。该轮面无法实现根据不同地面自适应调整，且牵引力小并不能有效降低扬尘。中国发明专利一种多姿态轮脚仿生越沙步行轮(申请号：201710354431.1)是将鸵鸟足趾的触沙姿态运用到步行轮结构设计中，通过多个轮脚连续触地来模仿鸵鸟的触沙姿态。但该轮面结构复杂、平顺性差，且不能有效降低扬尘。
采用工程仿生技术，以鸵鸟的足底曲面形貌、趾甲轮廓和第三趾的运动特性为仿生原型，设计了一种能根据不同的月面环境进行自适应调整的仿生步行轮。该仿生步行轮能够提高牵引力和地面通过性，并且可以有效的降低扬尘。
发明内容
本发明的目的是为了解决月球车车轮在月球表面牵引力有限，易沉陷、易扬尘等问题，设计了一种月球表面低扬尘高牵引的仿生步行轮。本发明能够根据月面情况进行自适应的调整轮刺的伸出，提高牵引力。同时，轮胎面形貌能够有效的固着月壤，从而降低扬尘。
通过研究发现，鸵鸟在沙地中奔跑时，鸵鸟的足底曲面具有很好的固沙限流和防止滑移的性能。发明人把鸵鸟的足底曲面与步行轮相结合，将鸵鸟的足底曲面形貌应用到每个仿生轮面单体上，使每次轮面触地时都实现了一次固沙作用，从而降低了扬尘。此外，轮胎面采用凹型轮面结构可有效固沙、加强侧向稳定性，并降低扬尘。鸵鸟奔跑时，趾甲能够深深的扎入沙土中，起到固定和增大牵引力的效果，我们将鸵鸟趾甲的外轮廓线应用到轮刺的设计中来提高仿生步行轮的牵引力。我们在每个单体之间设计一个轮刺，这样不但提高了车轮的平顺性，而且车轮行驶时，轮胎面与轮刺的连续作用模仿了鸵鸟的整个触地到离地的运动。
本发明的月球表面低扬尘高牵引的仿生步行轮，由轮毂A、轮胎组件B和轮刺组1组成，其中轮毂A由内轮圈2、辐条组3和外轮圈4组成，内轮圈2经辐条组3的8-10根辐条与外轮圈3固接；轮刺组1由8-10根轮刺组成，轮刺组1的8-10根轮刺均布并固接于轮毂A中外轮圈4的圆周表面，且于轮毂A中8-10根辐条的延长线上；轮胎组件B的8-10个轮胎组合体均布并固接于轮毂A中外轮圈4的圆周表面，且与轮刺组1的8-10根轮刺间隔排列。
所述的轮胎组件B由轮胎面组6的8-10个轮胎面、弹性片组Ⅰ5的8-10个弹性片Ⅰ和弹性片组Ⅱ7的8-10个弹性片Ⅱ组成；轮胎面、弹性片Ⅰ、弹性片Ⅱ各1个，构成1个轮胎组合体；轮胎面的纵截面的轮廓由ab曲线、bc曲线和cd曲线圆滑连接而成，其中：
ab曲线的数学表达式为：y＝-0.0181x2+1.6015x+5.4672，其中：0≤x≤65；
bc曲线的数学表达式为：y＝0.006x2-1.1791x+84.3837，其中：65≤x≤124；
cd曲线的数学表达式为：y＝-0.0033x2+1.1265x-58.5139，其中：124≤x≤250；
弹性片Ⅰ和弹性片Ⅱ的形状相同，开口方向相反，其纵截面的轮廓由ef直线、fg曲线和gh直线圆滑连接而成，其中：
ef直线的长度为：26-28mm；
fg曲线的数学表达式为：
Figure BDA0003011096330000021
gh直线的长度为：20-22mm；
弹性片Ⅰ的上端固接于轮胎面的一端下面；弹性片Ⅱ的上端固接于轮胎面的另一端下面。
所述轮刺组1的轮刺、轮毂A的内轮圈2、辐条组3、外轮圈4和轮胎组件B中轮胎面组6的轮胎面材料为6061铝；弹性片组Ⅰ5和弹性片组Ⅱ7的弹性片材料为弹簧钢。
采用步行轮的结构，分布八个独立的轮胎组合体，并在两轮胎组合体之间设置轮刺结构，轮胎面模仿鸵鸟足底曲面，轮刺模仿鸵鸟趾甲，能提高车轮的平顺性，而且车轮行驶时，轮胎组合体与轮刺的连续作用模仿了鸵鸟的整个触地到离地的运动。
仿生步行轮的轮刺固定，轮胎组合体为活动状态。当仿生步行轮轮胎面接触月面时，受到轮上载荷的作用，弹性片Ⅰ和弹性片Ⅱ发生变形收缩，轮胎组合体收缩导致两侧轮刺伸出。随着车轮的滚动，轮刺深入月壤中起到抓地并提供牵引力的作用。轮刺的伸出长度可根据轮上载荷和月面情况进行自适应的调整，能够在不同月面情况下进行自适应改变，提高车轮的牵引力和通过性。
车轮向前滚动过程中，深入月壤中的轮刺会将月尘向后抛出，但此时由于弹性片Ⅰ和弹性片Ⅱ的作用，刚离地的轮胎组合体发生回弹，阻挡向后抛出的月尘，从而达到将低扬尘高度的目的。月球表面为松软介质、多石块，且月面环境复杂，操作人员不能对车轮进行充气。因此，本设计采用弹性片组Ⅰ5和弹性片组Ⅱ7，具有免充气的特点。
本发明的工作过程如下：
月球表面低扬尘高牵引的仿生步行轮处于自然状态时，轮胎组件B略高于轮刺组1，此时轮刺并未伸出。当仿生步行轮轮胎面接触月面时，受到轮上载荷的作用，弹性片Ⅰ和弹性片Ⅱ发生变形收缩，轮胎组合体收缩导致两侧轮刺伸出。随着仿生步行轮的滚动，轮刺深入月壤中起到抓地并提供牵引力的作用。同时，轮胎面离开地面后，轮胎组合体重新伸出，恢复自然状态。轮刺的伸出长度可根据轮上载荷和月面情况进行自适应的调整，能够在不同月面情况下进行自适应改变，提高仿生步行轮的牵引力和通过性。
轮胎面触地时，缓台、凹面、凸面依次触地。离地时，凸面、凹面、缓台依次离地。由于轮胎面凸面结构略高于缓台结构，步行轮相邻两轮胎面运动过程实现了鸵鸟低速入沙，高速出沙的运动特性。轮胎面在与月面接触过程中，凹面结构也将轮下月壤固着住，降低车轮对月壤的扰动性。
在车轮向前滚动过程中，深入月壤中的轮刺会将月壤向后抛出，但此时由于弹性片Ⅰ和弹性片Ⅱ的作用，刚离地的轮胎组合体发生回弹，阻挡向后抛出的月壤，从而将低了扬尘高度。
本发明的有益效果在于：
月球表面低扬尘高牵引的仿生步行轮模仿了鸵鸟足底曲面形貌、趾甲轮廓和第三趾的运动特性等，能够根据不同的月面环境自适应的实时调整轮刺的伸缩，提高了仿生步行轮在松散月面上的牵引通过性，并有效降低了扬尘。通过仿真分析发现，本发明的月球表面低扬尘高牵引的仿生步行轮相比筛网轮的挂钩牵引力提高了约90％，扬尘数量降低了约51％。设计的月球表面低扬尘高牵引的仿生步行轮具有结构简单、质量轻、免充气、松软地面高通过性和低扬尘性等特点。
附图说明
图1是月球表面低扬尘高牵引的仿生步行轮的立体图；
图2是月球表面低扬尘高牵引的仿生步行轮的主视图；
图3是轮毂A的结构图；
图4是轮胎组件B的结构图；
图5是轮胎面组6的结构图；
图6是弹性片组Ⅰ5的结构图；
图7是仿生步行轮与沙土作用关系图；
图8是仿生步行轮扬尘效果图；
图9是筛网轮扬尘效果图；
其中：A.轮毂 B.轮胎组件 1.轮刺组 2.内轮圈 3.辐条 4.外轮圈 5.弹性片组Ⅰ6.轮胎面组 7.弹性片组Ⅱ。
具体实施方式
如图1至图3所示，本发明的月球表面低扬尘高牵引的仿生步行轮，由轮毂A、轮胎组件B和轮刺组1组成，仿生步行轮外轮直径为800mm、内轮直径为600mm、轮宽为265mm。其中轮毂A由内轮圈2、辐条组3和外轮圈4组成，内轮圈2经辐条组3的8-10根辐条与外轮圈3固接，内轮圈外径100mm，外轮圈外径600mm。轮刺组1由8-10根轮刺组成，轮刺组1的8-10根轮刺均布并固接于轮毂A中外轮圈4的圆周表面，且于轮毂A中8-10根辐条的延长线上，轮刺厚度为16mm。轮胎组件B的8-10个轮胎组合体均布并固接于轮毂A中外轮圈4的圆周表面，且与轮刺组1的8-10根轮刺间隔排列。
如图4至图6所示，所述的轮胎组件B由轮胎面组6的8-10个轮胎面、弹性片组Ⅰ5的8-10个弹性片Ⅰ和弹性片组Ⅱ7的8-10个弹性片Ⅱ组成；轮胎面、弹性片Ⅰ、弹性片Ⅱ各1个，构成1个轮胎组合体；轮胎面的纵截面的轮廓由ab曲线、bc曲线和cd曲线圆滑连接而成，其中：
ab曲线的数学表达式为：y＝-0.0181x2+1.6015x+5.4672，其中：0≤x≤65；
bc曲线的数学表达式为：y＝0.006x2-1.1791x+84.3837，其中：65≤x≤124；
cd曲线的数学表达式为：y＝-0.0033x2+1.1265x-58.5139，其中：124≤x≤250；
轮胎面参照优化的鸵鸟足底曲面轮廓线通过Solidworks三维建模软件的拉伸功能构建，两侧圆角为15mm。轮胎面为壳结构，厚度为2mm。
弹性片Ⅰ和弹性片Ⅱ的形状相同，开口方向相反，厚度为2mm，其纵截面的轮廓由ef直线、fg曲线和gh直线圆滑连接而成，其中：
ef直线的长度为：26-28mm；
fg曲线的数学表达式为：
Figure BDA0003011096330000041
gh直线的长度为：20-22mm；
弹性片Ⅰ的上端固接于轮胎面的一端下面；弹性片Ⅱ的上端固接于轮胎面的另一端下面。
所述轮刺组1的轮刺、轮毂A的内轮圈2、辐条组3、外轮圈4和轮胎组件B中轮胎面组6的轮胎面材料为6061铝；弹性片组Ⅰ5和弹性片组Ⅱ7的弹性片材料为弹簧钢。
如图7至图9所示，当仿生步行轮轮胎面接触月面时，受到轮上载荷的作用，弹性片Ⅰ和弹性片Ⅱ发生变形收缩，轮胎组合体收缩导致两侧轮刺伸出，起到提高车轮牵引力的作用。利用EDEM离散元仿真软件对仿生步行轮和筛网轮进行对比，通过扬尘数量和牵引力指标对轮面性能进行分析。从扬尘数量分析，两款车轮的扬尘数量随着时间的变化均逐渐增大，仿生步行轮的扬尘情况明显比筛网轮改善很多，筛网轮扬起的颗粒数量最多时达到24441，仿生步行轮为11778，仿生步行轮相比筛网轮的扬尘数量降低了约51％。从挂钩牵引力分析，筛网轮挂钩牵引力稳定在40N左右，仿生步行轮挂钩牵引力稳定在76N左右，仿生步行轮相比筛网轮的挂钩牵引力提高了约90％。

Claims (3)

1.一种月球表面低扬尘高牵引的仿生步行轮，其特征在于，由轮毂(A)、轮胎组件(B)和轮刺组(1)组成，其中轮毂(A)由内轮圈(2)、辐条组(3)和外轮圈(4)组成，内轮圈(2)经辐条组(3)的8-10根辐条与外轮圈(4 )固接；轮刺组(1)由8-10根轮刺组成，轮刺组(1)的8-10根轮刺均布并固接于轮毂(A)中外轮圈(4)的圆周表面，且于轮毂(A)中8-10根辐条的延长线上；轮胎组件(B)的8-10个轮胎组合体均布并固接于轮毂(A)中外轮圈(4)的圆周表面，且与轮刺组(1)的8-10根轮刺间隔排列。
2.根据权利要求1所述的月球表面低扬尘高牵引的仿生步行轮，其特征在于，所述的轮胎组件(B)由轮胎面组(6)的8-10个轮胎面、弹性片组Ⅰ(5)的8-10个弹性片Ⅰ和弹性片组Ⅱ(7)的8-10个弹性片Ⅱ组成；轮胎面、弹性片Ⅰ、弹性片Ⅱ各1个，构成1个轮胎组合体；轮胎面的纵截面的轮廓由ab曲线、bc曲线和cd曲线圆滑连接而成，其中：
ab曲线的数学表达式为：y＝-0.0181x2+1.6015x+5.4672，其中：0≤x≤65；
bc曲线的数学表达式为：y＝0.006x2-1.1791x+84.3837，其中：65≤x≤124；
cd曲线的数学表达式为：y＝-0.0033x2+1.1265x-58.5139，其中：124≤x≤250；
弹性片Ⅰ和弹性片Ⅱ的形状相同，开口方向相反，其纵截面的轮廓由ef直线、fg曲线和gh直线圆滑连接而成，其中：
ef直线的长度为：26-28mm；
fg曲线的数学表达式为：
Figure FDA0003011096320000011
gh直线的长度为：20-22mm；
弹性片Ⅰ的上端固接于轮胎面的一端下面；弹性片Ⅱ的上端固接于轮胎面的另一端下面。
3.根据权利要求1所述的月球表面低扬尘高牵引的仿生步行轮，其特征在于，所述轮刺组(1)的轮刺、轮毂(A)的内轮圈(2)、辐条组(3)、外轮圈(4)和轮胎组件(B)中轮胎面组(6)的轮胎面材料为6061铝；弹性片组Ⅰ(5)和弹性片组Ⅱ(7)的弹性片材料为弹簧钢。
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