CN112918182B - 一种自主适应星球软硬表面的仿生步行轮 - Google Patents

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Abstract

一种自主适应星球软硬表面的仿生步行轮属工程仿生技术领域，本发明中两组仿生轮脚组的各10‑12个轮脚的弹性金属片内端，分别均布并固接于内轮中轮辋的圆周表面的左、右部；两组仿生轮脚组的仿生轮脚的端面夹角θ1为155‑170°，且二者的错位角θ2为20‑30°；软垫Ⅰ嵌套在轮面支撑件，起到防脱落的作用；软垫Ⅱ与轮面支撑件连接，共同起到轮面的作用，弹性金属片起到支撑和缓震作用。本发明借鉴沙漠典型动物跳鼠足部生物结构与越沙机理，各仿生轮脚既独立运动，又相互作用，能自适应软硬地面环境，跨越小型障碍，适用于沙漠、戈壁、月球和火星等壤石共存的软硬地面环境，具有结构简单且稳定性高的特点，便于推广应用。

Description

一种自主适应星球软硬表面的仿生步行轮
技术领域
本发明属于工程仿生技术领域，具体涉及一种自主适应星球软硬表面的仿生步行轮。
背景技术
随着人们对资源尤其是能源需求的不断加剧，常规地区的资源储量已经开始日益匮乏，人们逐渐将开采地域转向恶劣极端环境，如沙漠、戈壁等，甚至再次掀起全球性的月球及火星探测热潮。无论是地球极端环境的沙漠和戈壁，还是深空复杂环境的月球和火星，它们的共同特点是具有松散介质和岩石共存的工作环境。
轮式移动机构在硬地面运行时具有连续性强、平稳等优势，而在松软路面则容易沉陷而且易产生扬尘。腿足式移动机构在沙漠、山地等非常规地面具有高通过性，但在硬地面运动时存在效率低、振动大等问题。
步行轮打破了传统车轮的连续滚动方式，间断滚动并具有跨步方案，能够明显提高牵引效率，能够跨越小型障碍，并且能够实现低扬尘行驶，同时兼具车轮滚动高效行驶特点。但是传统步行轮大多采用单一的刚性轮脚或轮刺结构，存在平顺性差、机动性不强的缺点。
因此，研制出一种平顺性好且兼顾软地面高通过性和硬地面低振动特征并可自主适应软硬地面环境实现高速机动行驶的步行轮结构具有重要理论意义和应用价值。
所述自主适应星球软硬表面的仿生步行轮和之前设计的仿生低振步行轮的共同特点只在于都有两圈轮脚，且两圈轮脚交错排列。仿生低振步行轮的轮面是光滑的，创新点主要在于轮面和轮毂的连接方式。所述自主适应星球软硬表面的仿生步行轮的创新性在于：1.轮面采用刚柔结合的方式，轮子与沙土接触的部分为表面有凹槽结构的软垫，能起到固沙限流的作用；2.轮腿采用一体的弹性金属片，而不是像仿生低振步行轮那样采用刚性杆和弹簧结合方式。这样一体化的弹性金属片轮腿既能缓振又能承载，而且没有卡滞风险；3.两圈仿生轮脚的端面夹角θ1为155-170°，如此的设计使步行轮轮面整体中间有一定空隙，在松软沙土表面行驶时可以起到固沙限流的作用；4.没有仿生低振步行轮长长的轮腿，轮面平顺性更好，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。
发明内容
本发明的目的是设计一种兼顾软地面高通过性和硬地面低振动特征，并可自主适应软硬地面环境，实现高速机动行驶的步行轮，未来可应用在能源开采车辆、沙漠行驶车辆，甚至深空探测巡视器等在软硬地面环境作业的行走机械上。
本发明的自主适应星球软硬表面的仿生步行轮由内轮A、仿生轮脚组ⅠB和仿生轮脚组ⅡC组成，其中内轮A由内轮圈1、轮毂2和轮辋3组成，内轮圈1经轮毂2与轮辋3固接；仿生轮脚组ⅠB中10-12个轮脚的弹性金属片内端均布并固接于内轮A中轮辋3的圆周表面左部；仿生轮脚组ⅡC中10-12个轮脚的弹性金属片内端均布并固接于内轮A中轮辋3的圆周表面右部；仿生轮脚组ⅠB和仿生轮脚组ⅡC在内轮A的轮辋3上排布后，二者的仿生轮脚的端面夹角θ1为155-170°；仿生轮脚组ⅠB的仿生轮脚和仿生轮脚组ⅡC的仿生轮脚在内轮A中轮辋3错位排列，其错位角θ2为20-30°。
所述的仿生轮脚组ⅠB和仿生轮脚组ⅡC均由10-12个轮脚组成，每个轮脚均由弹性金属片4、轮面支撑件5、软垫Ⅰ6和软垫Ⅱ7组成，所述的软垫Ⅰ6的材料为硬度55-65A的硅胶，软垫Ⅱ7的材料为硬度30-35A的硅胶。
弹性金属片4内端固接于轮面支撑件5下面一端，弹性金属片4与轮面支撑件5的夹角θ3为35-50°，弹性金属片4能起到支撑轮面支撑件5和缓震的作用；轮面支撑件5的两端是一样的圆弧结构，起到增大牵引的作用，圆弧曲率半径r为80mm，圆弧角θ4为60°；软垫Ⅰ6通过轮面支撑件5上的通孔5-1嵌套在轮面支撑件5下面，软垫Ⅱ7固接于轮面5上表面，软垫Ⅱ7外侧纵截面的曲线E的方程式为：
y＝0.005+0.48x-6.02x2+55.51x3-76x4，其中：0mm<x≤100mm。
本发明的工作过程如下：
仿生轮面向前滚动，每次至少两个仿生轮脚与环境表面接触，仿生轮脚受力压缩，弹性金属片起到支撑和缓震的作用。每个仿生轮脚独立运动，相互作用，能够自适应软硬地面环境，跨越小型障碍。车轮在硬地面滚动时，弹性金属片起到缓冲的作用，遇到小型障碍时，某个轮脚受力压缩，不会影响整个轮子的稳定性。车轮在沙地面滚动时，轮面的软垫受到压缩产生变形，软垫表面的凹槽结构和中间低两边高的轮面结构可起到固沙限流的作用，仿生轮脚两端的弧形结构可起到增加牵引通过性的作用。
本发明的有益效果在于：
1.轮辋上分布24个仿生轮脚，仿生轮脚外缘构成了一个完整的圆，可以最大程度减小轮心波动，能提高平顺性、机动性。车轮滚动时，各轮既脚独立运动，又相互作用，能自主适应软硬地面环境，具有高缓振性和高牵引通过性。
2.轮面的软垫受到压缩产生变形，软垫表面的凹槽结构和中间低两边高的轮面结构可起到固沙限流、减少沉陷的作用，仿生轮脚两端的弧形结构可起到增大牵引通过性的作用。
3.仿生轮脚和轮辋之间通过弹性金属片连接，弹性金属片能起到支撑和缓震作用，使步行轮具有缓振特征。
附图说明
图1是自主适应星球软硬表面的仿生步行轮的立体图；
图2是自主适应星球软硬表面的仿生步行轮的主视图；
图3是自主适应星球软硬表面的仿生步行轮的俯视图；
图4是内轮A的主视图；
图5是弹性金属片4与轮面支撑件5的连接关系图；
图6是单个仿生轮脚的立体图；
图7是左右仿生轮脚错位关系的主视图；
图8是软垫的立体图；
其中：A.内轮；B.仿生轮脚组Ⅰ；C.仿生轮脚组Ⅱ；1.内轮圈；2.轮毂；3.轮辋；4.弹性金属片；5.轮面支撑件；6.软垫Ⅰ；7.软垫Ⅱ。
具体实施方式
如图1至图4所示，本发明的自主适应星球软硬表面的仿生步行轮由内轮A、仿生轮脚组ⅠB和仿生轮脚组ⅡC组成，其中内轮A由内轮圈1、轮毂2和轮辋3组成，内轮圈1经轮毂2与轮辋3固接；仿生轮脚组ⅠB中10-12个轮脚的弹性金属片内端均布并固接于内轮A中轮辋3的圆周表面左部；仿生轮脚组ⅡC中10-12个轮脚的弹性金属片内端均布并固接于内轮A中轮辋3的圆周表面右部；仿生轮脚组ⅠB和仿生轮脚组ⅡC在内轮A的轮辋3上排布后，二者的仿生轮脚的端面夹角θ1为155-170°；仿生轮脚组ⅠB的仿生轮脚和仿生轮脚组ⅡC的仿生轮脚在内轮A中轮辋3错位排列，其错位角θ2为20-30°。
如图5至图8所示，所述的仿生轮脚组ⅠB和仿生轮脚组ⅡC均由10-12个轮脚组成，每个轮脚均由弹性金属片4、轮面支撑件5、软垫Ⅰ6和软垫Ⅱ7组成，所述的软垫Ⅰ6的材料为硬度55-65A的硅胶，软垫Ⅱ7的材料为硬度30-35A的硅胶。
弹性金属片4内端固接于轮面支撑件5下面一端，弹性金属片4与轮面支撑件5的夹角θ3为35-50°；轮面支撑件5的两端是一样的圆弧结构，起到增大牵引的作用，圆弧曲率半径为80mm，圆弧角θ4为60°；软垫Ⅰ6通过轮面支撑件5上的通孔5-1嵌套在轮面支撑件5上，软垫Ⅱ7固接于轮面5上表面，软垫Ⅱ7的外侧曲面借鉴了跳鼠的趾垫结构，外侧曲面有凹槽结构，作为与沙土直接接触的部件，凹槽可起到固沙限流、增加牵引的作用。软垫Ⅱ7外侧纵截面的曲线E的方程式为：
y＝0.005+0.48x-6.02x2+55.51x3-76x4，其中：0mm<x≤100mm。

Claims (2)

1.一种自主适应星球软硬表面的仿生步行轮，由内轮(A)、仿生轮脚组Ⅰ(B)和仿生轮脚组Ⅱ(C)组成，其中内轮(A)由内轮圈(1)、轮毂(2)和轮辋(3)组成，内轮圈(1)经轮毂(2)与轮辋(3)固接；仿生轮脚组Ⅰ(B)中10-12个轮脚的弹性金属片内端均布并固接于内轮(A)中轮辋(3)的圆周表面左部；仿生轮脚组Ⅱ(C)中10-12个轮脚的弹性金属片内端均布并固接于内轮(A)中轮辋(3)的圆周表面右部；仿生轮脚组Ⅰ(B)和仿生轮脚组Ⅱ(C)在内轮(A)的轮辋(3)上排布后，二者的仿生轮脚的端面夹角θ1为155-170°；仿生轮脚组Ⅰ(B)的仿生轮脚和仿生轮脚组Ⅱ(C)的仿生轮脚在内轮(A)中轮辋(3)错位排列，其错位角θ2为20-30°，其特征在于，所述的仿生轮脚组Ⅰ(B)和仿生轮脚组Ⅱ(C)均由10-12个轮脚组成，每个轮脚均由弹性金属片(4)、轮面支撑件(5)、软垫Ⅰ(6)和软垫Ⅱ(7)组成；弹性金属片(4)内端固接于轮面支撑件(5)下面一端，弹性金属片(4)与轮面支撑件(5)的夹角θ3为35-50°；轮面支撑件(5)的两端是一样的圆弧结构，圆弧曲率半径为80mm，圆弧角θ4为60°；软垫Ⅰ(6)通过轮面支撑件(5)上的通孔(5-1)嵌套在轮面支撑件(5)下面，软垫Ⅱ(7)固接于轮面支撑件(5)上表面，软垫Ⅱ(7)外侧纵截面的曲线E的方程式为：
y＝0.005+0.48x-6.02x2+55.51x3-76x4，其中：0mm<x≤100mm。
2.按权利要求1所述的自主适应星球软硬表面的仿生步行轮，其特征在于，所述的软垫Ⅰ(6)的材料为硬度55-65A的硅胶，软垫Ⅱ(7)的材料为硬度30-35A的硅胶。
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