CN116985931A - 一种基于变胞机构的星球机器人漫步车 - Google Patents

一种基于变胞机构的星球机器人漫步车 Download PDF

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CN116985931A CN202310730905.3A CN202310730905A CN116985931A CN 116985931 A CN116985931 A CN 116985931A CN 202310730905 A CN202310730905 A CN 202310730905A CN 116985931 A CN116985931 A CN 116985931A
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陈祉亦
张驰
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王一帆
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Abstract

本发明公开了一种基于变胞机构的星球机器人漫步车，该星球机器人漫步车包括：变胞机架，变胞机架内固定设有两个箱体；机械腿，多个机械腿设置于变胞机架的两侧，机械腿的一端与变胞机架铰接，机械腿的另一端与车轮铰接；伸缩滑行机构，包括滑板、伸缩组件和支撑轮，滑板通过弹性件与箱体固定连接，滑板上设有通过口，通过口用于支撑轮的通过，伸缩组件的一端与箱体内壁铰接，伸缩组件的另一端与支撑轮连接，伸缩组件用于将支撑轮收回箱体内或伸出箱体外。通过变胞机架的设置，并与机械腿配合，实现星球机器人漫步车的转弯和爬坡功能，通过伸缩滑行机构的设置能够实现在松软地面的脱困，扩大星球机器人漫步车的适用工况。

Description

一种基于变胞机构的星球机器人漫步车
技术领域
本发明涉及星球机器人漫步车技术领域，尤其涉及一种基于变胞机构的星球机器人漫步车。
背景技术
近年来，航天界再度掀起探月热潮。但月表环境恶劣，漫游车登陆后要面临结构松散且尖锐的月壤、跨过多石块砂砾、高低起伏断层地带，加之月球表面高达270℃的温差和低气压、低重力环境，这些都对漫游车设计提出了极大挑战。
其中，车轮驱动机构是在行星表面工作时间最长、工作环境最恶劣、载荷工况最复杂的机构，因此也是火星车在轨经常发生故障的机构。美国机遇号和勇气号在轨都发生了车轮驱动故障的问题，故障车轮无法转动，在沙土地面形成推土效应,造成行驶困难，严重情况下无法行驶，也即在遇到星球表面松软地形时会有脱陷困难等问题，由于现有星球机器人漫步车，车架本体的限制，影响了星球机器人漫步车的上坡和转弯功能，导致星球机器人漫步车的工作效率低下。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。
鉴于此，本发明提供的一种基于变胞机构的星球机器人漫步车，其中星球机器人漫步车通过变胞机架的设置，并与机械腿配合，实现星球机器人漫步车的转弯和爬坡功能，通过伸缩滑行机构的设置能够实现在松软地面的脱困，扩大星球机器人漫步车的适用工况。
具体而言，包括以下的技术方案：
本发明提供了一种基于变胞机构的星球机器人漫步车，所述星球机器人漫步车包括：
变胞机架，所述变胞机架内固定设有两个箱体；
机械腿，多个机械腿设置于所述变胞机架的两侧，所述机械腿的一端与所述变胞机架铰接，所述机械腿的另一端与车轮铰接；
伸缩滑行机构，包括滑板、伸缩组件和支撑轮，所述滑板通过弹性件与所述箱体固定连接，所述滑板上设有通过口，所述通过口用于所述支撑轮的通过，所述伸缩组件的一端与所述箱体内壁铰接，所述伸缩组件的另一端与所述支撑轮连接，所述伸缩组件用于将所述支撑轮收回所述箱体内或伸出所述箱体外。
可选地，所述伸缩组件包括：
第一转动件，包括Y形部和与所述Y形部垂直设置的连杆部，所述Y形部的开口端与所述箱体铰接；
第二转动件，包括第一转环、第二转环和连接所述第一转环和所述第二转环的弯折杆，所述第一转环外套在所述连杆部靠近所述Y形部的一端，所述第二转环外套在所述连杆部远离所述Y形部的一端，所述弯折杆用于连接所述第一转环和所述第二转环，所述支撑轮通过轮架固定设置在第二转环上。
可选地，所述支撑轮为麦克纳姆轮。
可选地，所述变胞机架包括：
相互铰接的第一长杆和第二长杆，所述第一长杆与所述第二长杆的铰接处为第一铰接点；
相互铰接的第三长杆和第四长杆，所述第三长杆与所述第四长杆的铰接处为第四铰接点；
第一短杆，一端通过第二铰接点与所述第一长杆铰接，所述第一短杆的另一端通过第三铰接点与所述第三长杆铰接；
第二短杆，一端通过第五铰接点与所述第四长杆铰接，所述第二短杆的另一端通过第六铰接点与所述第二长杆铰接；
其中，两个所述箱体分别固定设置于所述第一短杆和第二短杆处。
可选地，所述第一铰接点、所述第二铰接点、所述第三铰接点、所述第四铰接点、所述第五铰接点和所述第六铰接点处间隔设置驱动元件，所述驱动元件为舵机。
可选地，所述星球机器人漫步车还包括：
钻取机械臂，包括第一连接臂、第二连接臂和夹取部，所述第一连接臂和与所述第一短杆连接的所述箱体铰接，所述第二连接臂与所述第一连接臂铰接，所述夹取部与所述第二连接臂转动连接，所述夹取部用于样品的抓取。
可选地，所述星球机器人漫步车还包括：
全景相机，通过支撑杆设置于其中一个所述箱体内，所述全景相机与所述钻取机械臂连接至同一个所述箱体。
可选地，所述星球机器人漫步车还包括：
可拆卸避障模块，包括外壳、超声波传感器、控制器和避障相机，所述超声波传感器和所述控制器设置于所述外壳内，所述避障相机设置于所述外壳外，所述外壳与所述第一短杆和/或所述第二短杆固定连接，所述超声波传感器和所述避障相机分别与所述控制器电连接，所述控制器与监控终端电连接。
可选地，所述车轮包括：内轮、外轮，以及设置于所述内轮和所述外轮之间的多个缓冲圈，所述内轮和所述外轮同心设置，所述内轮和所述外轮之间形成容纳空间，多个所述缓冲圈均匀设置于所述容纳空间内，所述内轮内设有电机壳，所述电机壳内设有无刷电机，无刷电机的输出轴通过联轴器与所述电机壳固定连接，通过所述无刷电机带动所述车轮的旋转。
可选地，所述机械腿包括：依次铰接连接的大腿部、中间腿部和小腿部，所述小腿部远离所述中间腿部的一端通过U形万向环与所述车轮连接，所述大腿部远离所述中间腿部的一端与所述变胞机架铰接，所述大腿部和所述变胞机架的铰接轴，与所述大腿部和所述中间腿部的铰接轴垂直设置，所述大腿部和所述中间腿部的铰接轴，与所述中间腿部和所述小腿部的铰接轴平行设置，各铰接处通过舵机驱动。
本发明实施例提供的基于变胞机构的星球机器人漫步车，星球机器人漫步车包括变胞机架和机械腿，多个机械腿设置在变胞机架的两侧，且与变胞机架铰接，通过机械腿和变胞机架的形状转变实现星球机器人漫步车的爬坡和转向功能，星球机器人漫步车还包括伸缩滑行机构，伸缩滑行机构包括滑板、伸缩组件和支撑轮，滑板通过弹性件与箱体固定连接，伸缩组件的一端与箱体内壁铰接，伸缩组件的另一端与支撑轮连接，伸缩组件用于将支撑轮收回箱体内或伸出箱体外，当星球机器人漫步车陷入松软地面时，支撑轮伸出箱体，部分支撑轮穿过滑板，在松软地面有个支撑，并在滑板和车轮的共同作用下实现星球机器人漫步车在松软地面的滑行，进而是星球机器人漫步车从松软地面中脱困，提高星球机器人漫步车的效率。
上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本发明的一个实施例的基于变胞机构的星球机器人漫步车的示意图；
图2a为根据本发明的一实施例的伸缩滑行机构的外部示意图；
图2b为根据本发明的一实施例的伸缩滑行机构的内部示意图；
图3为根据本发明的一个实施例的变胞机架与机械腿的示意图；
图4为根据本发明的一个实施例的变胞机架和机械腿的第一变形示意图；
图5为根据本发明的一个实施例的变胞机架和机械腿的第二变形示意图；
图6为根据本发明的一个实施例的变胞机架和机械腿的第三变形示意图；
图7a为根据本发明的一个实施例的车轮的立体示意图；
图7b为图7a的主视示意图；
图8a为根据本发明的一个实施例的机械腿的立体示意图；
图8b为图8a的主视示意图；
图9为根据本发明的一个实施例的机械腿与车轮的连接示意图；
图10为根据本发明的另一个实施例的车轮有限元分析示意图；
图11为根据本发明的另一个实施例的长杆有限元分析示意图；
图12为根据本发明的另一个实施例的星球机器人漫步车的整车爬坡有限元分析示意图；
图13为根据本发明的另一个实施例的星球机器人漫步车的整车爬坡有限元分析示意图。
其中，图1至图9中附图标记与部件名称之间的对应关系为：
100星球机器人漫步车，110变胞机架，111第一长杆，112第二长杆，113第三长杆，114第四长杆，115第一短杆，116第二短杆，120机械腿，121大腿部，122中间腿部，123小腿部，130车轮，131内轮，1311内环，1312外圈，1313连接杆，1314电机壳，1315突出部，132外轮，133缓冲圈，134轮刺，140U形万向环，141连接部，142U形部，143驱动件，150伸缩滑行机构，151滑板，152伸缩组件，1521Y形部，1522连杆部，1523第一转环，1524第二转环，1525弯折杆，1526轮架，153支撑轮，160钻取机械臂，170全景相机，180可拆卸避障模块，190箱体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在对本发明实施方式作进一步地详细描述之前，本发明实施例中所涉及的方位名词，如“上部”、“下部”、“侧部”并不具有限定本发明保护范围的意义。
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
图1为根据本发明的一个实施例的基于变胞机构的星球机器人漫步车的示意图；图2a为根据本发明的一实施例的伸缩滑行机构的外部示意图；图2b为根据本发明的一实施例的伸缩滑行机构的内部示意图。
如图1、图2a和图2b所示，本发明的一个实施例提供了一种基于变胞机构的星球机器人漫步车100，该星球机器人漫步车100包括：
变胞机架110，变胞机架110内固定设有两个箱体190；
机械腿120，多个机械腿120设置于变胞机架110的两侧，机械腿120的一端与变胞机架110铰接，机械腿120的另一端与车轮130铰接；
伸缩滑行机构150，包括滑板151、伸缩组件152和支撑轮153，滑板151通过弹性件与箱体190固定连接，滑板151上设有通过口，通过口用于支撑轮153的通过，伸缩组件152的一端与箱体190内壁铰接，伸缩组件152的另一端与支撑轮153连接，伸缩组件152用于将支撑轮153收回箱体190内或伸出箱体190外。
其中，星球机器人漫步车100包括变胞机架110和机械腿120，多个机械腿120设置在变胞机架110的两侧，且与变胞机架110铰接，通过机械腿120和变胞机架110的形状转变实现星球机器人漫步车100的爬坡和转向功能，星球机器人漫步车100还包括伸缩滑行机构150，伸缩滑行机构150包括滑板151、伸缩组件152和支撑轮153，滑板151通过弹性件与箱体190固定连接，伸缩组件152的一端与箱体190内壁铰接，伸缩组件152的另一端与支撑轮153连接，伸缩组件152用于将支撑轮153收回箱体190内或伸出箱体190外，当星球机器人漫步车100陷入松软地面时，支撑轮153伸出箱体190，部分支撑轮153穿过滑板151，在松软地面有个支撑，并在滑板151和车轮130的共同作用下实现星球机器人漫步车100在松软地面的滑行，进而是星球机器人漫步车100从松软地面中脱困，提高星球机器人漫步车100的效率。
在一种可行的实施方式中，伸缩组件152包括：
第一转动件，包括Y形部1521和与Y形部1521垂直设置的连杆部1522，Y形部1521的开口端与箱体190铰接；
第二转动件，包括第一转环1523、第二转环1524和连接第一转环1523和第二转环1524的弯折杆1525，第一转环1523外套在连杆部1522靠近Y形部1521的一端，第二转环1524外套在连杆部1522远离Y形部1521的一端，弯折杆1525用于连接第一转环1523和第二转环1524，支撑轮153通过轮架1526固定设置在第二转环1524上。
其中，Y形部1521的开口端与箱体190铰接，并通过伺服电机驱动(未示出)，电机的壳体与箱体190固定连接，电机的输出轴与Y形部1521的一端连接，能够使第二转动件随着第一转动件转动进入箱体190内或伸出箱体190外，第一转环1523通过轴承与第一转动件的连杆部1522连接，第二转环1524与连杆部1522间隙配合即可，弯折杆1525用于连接第一转环1523和第二转环1524，弯折杆1525与第一转环1523和第二转环1524固定连接，弯折杆1525弯折处也是固定连接，这样的设置能够保证支撑轮153所在位置的稳定性，避免支撑轮153从连接部141上脱离，也即在连杆部1522的方向上锁死支撑轮153，支撑轮153通过轮架1526固定设置在第二转环1524上，支撑轮153能够在连杆部1522的轴向上转动，保证支撑轮153的万向功能。
需要说明的是，两个箱体190内均设有伸缩组件152，且两个伸缩组件152收回箱体190时，都是向变胞机架110内部转动收回，这样伸出时能够节省整个星球机器人漫步车100的空间占比，还能够避免伸出时与其它部件发生干涉，提高伸缩组件152伸出时的可靠性。
进一步地，当星球机器人漫步车100沉陷松软土壤时，变胞机架110与地面贴平，通过滑板151的设置能够增大，通过与机械腿120和车轮130的配合，使得星球机器人漫步车100类似仿生企鹅能够向前滑行，利用企鹅仿生原理极大地缩短了脱陷的时间，提高脱陷效率和脱陷效果，滑板151通过弹性件设置在箱体190的底部，能够根据陷入深度调整，保证滑板151始终与地面贴平，提高星球机器人漫步车100与地面的接触面积，弹性件通常为压缩弹簧。
需要说明的是，本实施例采用四个机械腿120和四个车轮130，分别对称设置在变胞机架110的两侧，四个车轮130通过四个驱动元件驱动，形成四驱驱动，提高脱陷的效率和脱陷效果；其中，滑板151包括直板段和弧板段，两个伸缩滑行机构150上的滑板151的弧板段相背离设置，能够更好地仿生企鹅，提高脱陷效率。
更近一步地，在脱陷时，控制伸缩组件152带动支撑轮153伸出箱体190，并通过滑板151的通过口，使支撑轮153与松软地面接触，并进入松软地面内，在沉陷脱困的时候让车体的移动更加灵活，一方面滑板151和支撑轮153的设置能够分散对地面的压强(滑板151增大了与地面的接触面积)，压强增大则更容易脱困，另一方面星球机器人漫步车100贴地时还可以起一定缓冲作用。
在一种可行的实施方式中，支撑轮153为麦克纳姆轮。
其中，麦克纳姆轮包括一个几个机轮和位于棘轮周边的多个成角度周边轮，使这些成角度的周边轮轴把一部分的机轮转向力转化到机轮的法向力上面，依靠机轮的反向和速度，着重合成在任何要求的方向上产生一个合力矢量，从而保证星球机器人漫步车100在最终的合力矢量的方向上能自由地移动，而不改变机轮的自身方向。麦克纳姆轮的结构紧凑，运动灵活，是一种成熟的全方位轮，还具有良好的平稳性，提高星球机器人漫步车100运行的稳定性。
需要说明的是，在麦克纳姆轮上施加不同的速度和方向，能够控制星球机器人漫步车100的移动和旋转，在狭小的空间内就可以进行精确的运动，麦克纳姆轮能够更好地适应和运动，更便于星球机器人漫步车100的探索和巡检。
图3为根据本发明的一个实施例的变胞机架与机械腿的示意图；图4为根据本发明的一个实施例的变胞机架和机械腿的第一变形示意图；图5为根据本发明的一个实施例的变胞机架和机械腿的第二变形示意图；图6为根据本发明的一个实施例的变胞机架和机械腿的第三变形示意图。
在一种可行的实施方式中，如图3至图6所示，变胞机架110包括：
相互铰接的第一长杆111和第二长杆112，第一长杆111与第二长杆112的铰接处为第一铰接点；
相互铰接的第三长杆113和第四长杆114，第三长杆113与第四长杆114的铰接处为第四铰接点；
第一短杆115，一端通过第二铰接点与第一长杆111铰接，第一短杆115的另一端通过第三铰接点与第三长杆113铰接；
第二短杆116，一端通过第五铰接点与第四长杆114铰接，第二短杆116的另一端通过第六铰接点与第二长杆112铰接；
其中，两个箱体190分别固定设置于第一短杆115和第二短杆116处。
需要说明的是，本实施例的变胞机架110采用六杆变胞机构，由四根长杆(地第一长杆111至第四长杆114)和两根短杆组成，该变胞机架110包括六个回转关节轴线，关节轴线均与变胞机架110的身体平面垂直，使得六杆机构能够变成矩形、六边形和菱形的状态。其中，四条机械腿120与变胞机架110能够根据地形变成多种变胞结构：当星球机器人漫步车100需要直行通过位于月背的环形山、崖壁等复杂环境地貌时，可将穿过狭窄环境时，可使第一长杆111和第二长杆112位于一条直线上，同时第三长杆113和第四长杆114位于一条直线上，第一短杆115与第一长杆111和第三长杆113垂直，第二短杆116与第一短杆115平行，使变胞机架110形成矩形形态，如图4所示，四条机械腿120和车轮130均向变胞机架110靠拢，最终机械腿120和车轮130与第一长杆111平行状态，形成矩形变胞结构，减小星球机器人漫步车100的整体宽度，增大了漫游车的穿越避障能力，也即增加了狭窄环境通过的可行性；当星球机器人漫步车100需要在松软沙土地面爬行时，此时变胞机架110的矩形形态不变，其中对称的两个机械腿120前腿依然靠近变胞机架110，且与第一长杆111平行，对称的两个机械后腿与第一长杆111呈30°夹角，此时各个支撑点间的跨度变大，形成梯形变胞结构，如图5所示，支撑更稳定，星球机器人漫步车100不易倾翻，更适合爬坡，根据动力学方针结构表明，梯形变胞结构时，上坡最大角度可达25°；当星球机器人漫步车100需要在狭窄区域进行转弯时，可将变胞机架110进行压缩，即使第一长杆111第二长杆112的夹角，以及第三长杆113和第四长杆114的夹角调至最小，此时忽略第一短杆115和第二短杆116长度，变胞机架110形成菱形形态，此时，其中了两个机械腿120与第一短杆115位于一条直线上，另外两个机械腿120与第二短杆116位于一条直线上，车轮130的行走方向与第一短杆115垂直，形成菱形变胞结构，如图6所示，变胞机架110成纵向最窄形态，能够实现直角转弯，提高狭窄环境的转弯效率和转弯可行性，这一菱形变胞结构时还能够用于星球机器人漫步车100的存储运输，能够减少空间占用率。
更近一步地，由于现有的漫游车的转弯半径比较大，稳定性较差，同量级的漫游车最大爬坡角度为20°，本申请通过变胞机架110和机械腿120的同时作用下，使得本申请的星球机器人漫步车100上坡最大角度可达25°，大大提高了探测巡检的效率和适用范围。
在一种可行的实施方式中，第一铰接点、第二铰接点、第三铰接点、第四铰接点、第五铰接点和第六铰接点处间隔设置驱动元件，驱动元件为舵机。
其中，在第一铰接点至第六铰接点处间隔设置驱动元件，能够保证变胞机架110的对称性，并能够避开机构死点，即如果在相邻的两个铰接点处设置驱动元件，易造成六杆变胞机构变形时有卡死情况发生，无法顺利进行六边形和菱形的变化，进而影响星球机器人漫步车100的工作效率。
需要说明的还是，驱动元件为舵机，由于变胞机架110有一定厚度，可以将舵机设置在变胞机架110内，不影响变胞机架110的外部尺寸，当第一铰接点、第三铰接点、第五铰接点为主动关节(另外三个铰接点为被动关节)时，舵机的壳体与第一长杆111固定连接，舵机的输出轴与第二长杆112固定连接，舵机的壳体与第三长杆113固定连接，舵机的输出手与第一短杆115固定连接，舵机的壳体与第二短杆116固定连接，舵机的输出轴与第四长杆114固定连接；当第二铰接点、第四铰接点和第六铰接点为主动关节(另外三个铰接点为被动关节)时，舵机的壳体与第一短杆115固定连接，舵机的输出手与第一长杆111固定连接，舵机的壳体与第四长杆114固定连接，舵机的输出轴与第三长杆113固定连接，舵机的壳体与第二长杆112固定连接，舵机的输出轴与第二短杆116固定连接。
在一种可行的实施方式中，星球机器人漫步车100还包括：
钻取机械臂160，包括第一连接臂、第二连接臂和夹取部，第一连接臂和与第一短杆115连接的箱体190铰接，第二连接臂与第一连接臂铰接，夹取部与第二连接臂转动连接，夹取部用于样品的抓取。
其中，第一连接臂与箱体190铰接，电机的壳体与箱体190固定连接，电机的输出轴与第一连接臂固定连接，实现第一连接臂绕着箱体190转动的目的，第二连接臂与第一连接臂铰接，电机的壳体与第一连接臂固定连接，电机的输出轴与第二连接臂固定连接，实现第二连接臂绕着第一连接臂转动的目的，第二连接臂与夹取部转动连接，电机的壳体与第二连接臂固定连接，电机的输出轴与夹取部固定连接，使夹取部绕着第二连接臂转动，进而调整夹取部的角度，便于抓取样品，抓取样品更加灵活可靠，需要说明的是夹取部的转动轴与第二连接臂的转动轴垂直设置，第二连接臂的转动轴与第一连接臂的转动轴平行设置。
进一步地，夹取部上设有驱动元件，可以是伸缩杆，控制夹取部的打开和闭合，用于夹取部夹取样品，这是机械臂的常用方法，在此不再赘述。
在一种可行的实施方式中，星球机器人漫步车100还包括：
全景相机170，通过支撑杆设置于其中一个箱体190内，全景相机170与钻取机械臂160连接至同一个箱体190。
其中，全景相机170能够在几秒内轻松捕捉全景，提高星球上的图像采集效率，进而能够更快的了解星球上的工况，能够及时调整星球机器人漫步车100的行走方式，进而提高星球机器人漫步车100的工作(巡视和探测)效率。
需要说明的是，全景相机170位于星球机器人漫步车100整体的最高点，主要起到星球表面观测和行驶导航的作用。
在一种可行的实施方式中，星球机器人漫步车100还包括：
可拆卸避障模块180，包括外壳、超声波传感器、控制器和避障相机，超声波传感器和控制器设置于外壳内，避障相机设置于外壳外，外壳与第一短杆115和/或第二短杆116固定连接，超声波传感器和避障相机分别与控制器电连接，控制器与监控终端电连接。
其中，超声波传感器通过超声波信号的发射与接收，对距离进行测量，控制器对超声波传感器进行正弦波脉冲的发射，对其接受的信号进行处理后，得出相应的距离值，并传递监控终端中，同时，避障相机对行进或后退时周围的场景进行图像采集，并将采集的图像信息传至控制器中，通过控制器传递至监控终端，监控终端的工作人间通过接收到的距离值和图像信息，控制星球机器人漫步车100的行走方向。
更近一步地，可以设置多个避障相机(通常是两个)，使得采集的图像信息范围更大。其中，避障相机采用CCD摄像头，CCD摄像头具有灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等优点，能够适应星球上的恶劣环境，保证可拆卸避障模块180的工作寿命和工作稳定性。
需要说明的是，本申请的可拆卸避障模块180与倒车雷达原理相同，已经是现有的成熟技术，在此不再赘述。
图7a为根据本发明的一个实施例的车轮的立体示意图；图7b为图7a的主视示意图。
在一种可行的实施方式中，如图7a和图7b所示，车轮130包括：内轮131、外轮132，以及设置于内轮131和外轮132之间的多个缓冲圈133，内轮131和外轮132同心设置，内轮131和外轮132之间形成容纳空间，多个缓冲圈133均匀设置于容纳空间内，内轮131内设有电机壳1314，电机壳1314内设有无刷电机，无刷电机的输出轴通过联轴器与电机壳1314固定连接，通过无刷电机带动车轮130的旋转。
其中，内轮131和外轮132之间形成容纳空间，多个缓冲圈133均匀设置于容纳空间内，形成大小可变的镂空结构，使车轮130具有一定的变形空间，不易被岩石破坏，能够适应各种星球上的恶劣路况。
进一步地，内轮131包括一对内环1311、外圈1312和多个连接杆1313，一对内环1311与外圈1312同心设置，一对内环1311相背离的侧面之间的距离，与外圈1312的厚度相同，多个连杆用于连接内环1311和外圈1312，多个连杆均匀设置，电机壳1314设置在一对内环1311内。
其中，内轮131采用内环1311、外圈1312和多根连杆的方式，能够实现车轮130的减重，能够减轻机械腿120的受力，进而提高机械腿120的使用寿命；多个连杆用于连接内环1311和外圈1312，多个连杆均匀设置，能够使车轮130的各处受力基本一致，提高车轮130的行走稳定性。
需要说明的是，内轮131的材质为铝合金，进一步选择航空硬铝，是车轮130的支撑部件，能够提高车轮130的工作稳定性，航空硬铝的硬度高，不易变形，更适用于月球或火星等星球上的恶劣情况，航空硬铝还具有良好的耐腐蚀性，能够提高车轮130的使用寿命。
其中，无刷电机启动，无刷电机的输出轴通过联轴器带动电机壳1314旋转，进而带动整个车轮130旋转，电机壳1314上设有突出部1315，突出部1315通过轴承与U形部142132的第二端连接，这样的设置，在车轮130旋转时，U形部142不随车轮130旋转，保证了U形万向环140的工作可靠性，电机壳1314采用航空硬铝。
更进一步地，外轮132背离缓冲圈133的一侧均匀设有多个轮刺134，轮刺134的长度与外轮132的厚度相匹配，通过轮刺134的设置，能够增大车轮130的摩擦力，进而提高车轮130行走的稳定性。
其中，轮刺134、外轮132和缓冲圈133选择形状记忆合金(shape memory alloys，SMA)，弹性材质和镂空结构的设置，使车轮130具有一定的变形空间和柔性，不易被岩石破坏，能够适应各种星球上的恶劣路况。
需要说明的是，所述外轮132的厚度、所述内轮131的厚度和所述缓冲圈133的长度相同；通过温度条件变化，使合金实现马氏体与奥氏体之间转换，形成单程形状记忆效应，从而实现车轮130大小可变，减少发射时车轮130的空间占用，车轮130采用弹性材质能够解决车轮130表面易破损和车轮130过大、存储难的问题。
其中，形状记忆效应是SMA最主要的特性之一，还具有强度高，耐腐蚀性好，作动时能量密度高、功输出高的优点，因此使得设计的结构更加紧凑，可靠性更高，满足长期重复使用需求，适用于车轮130的制作；超弹性是SMA的另一突出力学特性，SMA相变产生的可回复变形远大于普通材料的弹性变形，因此可用于星球机器人漫步车100的柔性车轮130，根据SMA超弹性的特点，一方面能够起到吸能减振作用，实现星球机器人漫步车100的减震，另一方面利用大变形回复性能，和镂空结构的配合，与传统硬质车轮130相比具有更好的防破损性能。
进一步地，根据SMA中Ni、Ti的比例不同而具有不同的性能，目前常用的NiTi二元合金的奥氏体相变开始温度在-50℃到95℃范围内变化，基本可以满足常规技术的应用需求，但在航空航天部分场景下使用环境温度高于95℃，在本实施例中，星球机器人漫步车100所在月球环境需面对-180℃至150℃的极端恶劣环境温度，经过分析计算，本实施例选取了基于Ni50.3Ti29.7Hf20的形状记忆合金作为车轮130的制作材料，并通过400℃时效处理10h的热处理，可以得到相变温度为150℃左右，显微硬度为693HV0.3的性能优良的形状记忆合金材料，能够很好地满足星球机器人漫步车100的柔性车轮130所需的性能指标。
图8a为根据本发明的一个实施例的机械腿的立体示意图；图8b为图8a的主视示意图；图9为根据本发明的一个实施例的机械腿与车轮的连接示意图。
在一种可行的实施方式中，如图8a、图8b和图9所示，机械腿120包括：依次铰接连接的大腿部121、中间腿部122和小腿部123，小腿部123远离中间腿部122的一端通过U形万向环140与车轮130连接，大腿部121远离中间腿部122的一端与变胞机架110铰接，大腿部121和变胞机架110的铰接轴，与大腿部121和中间腿部122的铰接轴垂直设置，大腿部121和中间腿部122的铰接轴，与中间腿部122和小腿部123的铰接轴平行设置，各铰接处通过舵机驱动。
其中，机械腿120的一端与变胞机架110铰接，当车轮130锁定，能够实现机械腿120的前后移动，也即模仿人或动物的足式行走方式，在不平整区域带动星球机器人漫步车100的移动；U形万向环140包括连接部141和U形部142，连接部141呈L形，连接部141的第一端与机械腿120远离变胞机架110的一端铰接，连接部141的第二端与U形部142的第一端固定连接，U形部142的第二端与车轮130连接，驱动件143的输出轴与U形部142的第一端固定连接，驱动件143的壳体与连接部141的第一端固定连接，通过驱动件143的驱动实现车轮130径向的360°转动，能够有效避开岩石托底地面，实现星球机器人漫步车100的继续行走，提高星球机器人漫步车100的效率。
具体地，当星球机器人漫步车100遇到岩石托底地面或障碍物无法通过时，可以先锁定车轮130，使车轮130不再轴向旋转，然后启动驱动件143，带动U形万向环140旋转，进而带动车轮130在径向方向上的360°旋转，能够有效避开岩石托底地面或障碍物，当避开岩石托底地面或障碍物后驱动件143停止，车轮130不再径向旋转，恢复车轮130的旋转，带动星球机器人漫步车100离开岩石托底地面或障碍物后，再将车轮130径向旋转至所需位置，带动星球机器人漫步车100行走，进行后续工作。
需要说明的是，机械腿120的一端与变胞机架110铰接，且连接部141与机械腿120的铰接轴，和机械腿120与变胞机架110的铰接轴垂直设置，当星球表面需要模拟足式行走时，可以锁定车轮130的轴向旋转，只驱动机械腿120与变胞机架110的铰接处，实现机械腿120在星球表面的行走，可以根据星球表面的不同情况，切换轮腿混合式主动悬架的轮式或腿式行走情况，是星球机器人漫步车100能够适用于不同工况。
进步一地，连接部141与机械腿120的铰接轴，和机械腿120与变胞机架110的铰接轴垂直设置，在重力的作用下，无论轮式行走模式还是腿式行走模式，都能够保证车轮130与星球表面的始终垂直，进而保证星球机器人漫步车100的行走稳定性。需要说明的是，通常星球机器人漫步车100包括机械腿120，偶数个机械腿120对称的设置在变胞机架110的两侧，本实施例采用四个机械腿120，分别与第一长杆111至第四长杆114铰接。
其中，将机械腿120分成大腿部121、中间腿部122和小腿部123，同时大腿部121和中间腿部122、中间腿部122和小腿部123之间均为铰接，且大腿部121与中间腿部122的铰接轴、中间腿部122与小腿部123的铰接轴，以及小腿部123与连接部141的铰接轴平行设置，这样的设置方式，能够实现机械腿120的两个旋转自由度，实现机械腿120的俯仰功能，大腿部121远离中间腿部122的一端与变胞机架110铰接，能够实现机械腿120的足式行走功能。机械腿120的俯仰功能，能够辅助机械腿120的抬腿动作，一方面能够协助机械腿120实现足式行走功能，另一方面还能够协助车轮130实现避障功能。
进一步地，机械腿120的各铰接处通过舵机驱动，第一舵机的壳体与变胞机架110(其中一个长杆)固定连接，第一舵机的输出轴与大腿部121固定连接；第二舵机的壳体与大腿部121固定连接，第二舵机的输出轴与中间腿部122固定连接；第三舵机的壳体与中间腿部122固定连接，第三舵机的输出轴与小腿部123固定连接。
其中，通过第一舵机的设置能够实现大腿部121的转动，满足机械腿120的足式行走模式，通过第二舵机的设置，能够实现中间腿部122与大腿部121之间的旋转，实现机械腿120的俯仰操作，其中，中间腿部122的旋转轴与大腿部121的旋转轴垂直设置，通过第三舵机的设置，能够实现小腿部123与中间腿部122之间的旋转，进一步扩大机械腿120的俯仰角度和俯仰范围，其中，小腿部123的旋转轴与中间腿部122的旋转轴平行设置。
进一步地，由于变胞机架110、大腿部121、中间腿部122和小腿部123均有一定厚度，因此第一舵机、第二舵机和第三舵机可以设置于其对应的内部，一方面不增加星球机器人漫步车100的外部结构尺寸，另一方面还能够对舵机有一定的保护作用。采用舵机实现机械腿120的行走及转动避障，是因为舵机具有体积紧凑、便于安装、稳定性好和控制简单等优点。
需要说明的是，移动系统是星球机器人漫步车100的关键系统之一，其移动性能的好坏直接决定着探测巡视任务的成败，将机械腿120和变胞机架110结合起来，形成一种并联变胞机构，使星球机器人漫步车100能够在足式行走和轮式行走之间切换，足式行走具有抢答的越障适应能力，轮式行走具有高速、高效行走的优点，能够很好地适应星球表面上复杂的环境。
实施例2
本实施例对实施例1提出的星球机器人漫步车进行有限元分析，通过有限元方针结果检验上述结构的实际性能、合理性和可行性。以月球作为有限元分析的星球。
一、关于组件静力学分析
图10为根据本发明的另一个实施例的车轮有限元分析示意图；图11为根据本发明的另一个实施例的长杆有限元分析示意图。
如图10和图11所示，综合考虑星球机器人漫步车在月球表面受力情况，分析关键组件的受力情况，并考虑月球表面的微重力环境条件，我们通过ABAQUS有限元仿真软件进行了静载分析，以检验星球机器人漫步车的各部件结构强度是否满足要求，分析应力以及形变大小，防止局部应力过大而变形。本实施例以车轮和长杆(空心)为例，还有实心长杆。
通过对星球机器人漫步车主要构件赋予材料属性与划分网格，得到了各部件的最大应力曲线与最大应力点，通过对应力云图的分析得知，星球机器人漫步车主要部件(车轮和变胞机架的长杆)的应力最大值均在屈服强度内，满足设计要求，无应力集中。
如图10和图11所示，颜色深浅就代表应力大小，有限元分析时主要是看颜色最深的那一点是最大应力点，最大应力在允许的范围内就认为没有应力集中。
具体地，综合考虑漫游车在月球表面受力情况，分析关键组件的受力情况，并考虑月球表面的微重力环境条件，综合考虑各部件质量，可以得到漫游车在静载工况下最大满载质量为700kg，此时单轮承受的最大冲击载荷约为750N。我们通过ABAQUS有限元仿真软件进行了静载分析，以检验漫游车的各部件结构强度是否满足要求。
其中，为方便对形状记忆合金制成的车轮施力在土壤与胎面接触面加力，满载载荷的下车轮的外轮最大应力为2.99e2MPa，故满载工况下的最大应力小于材料(形状记忆合金)的屈服强度，最大应力发生在外轮与地面接触的面的转折处，最大变形发生在车轮的外轮与地面接触的平面上，满载与冲击载荷下最大变形属于弹性变形，(柔性)车轮的应力与应变均呈对称分布，强度和刚度满足要求。同理，变胞机架作为星球机器人漫步车的主要载重部件，也需要对其强度和刚度进行分析，保证其强度可靠，经有限元分析长杆(空心)最大应力为2.656e2MPa，应力最大点位于承重梁位置，应力值沿着底板从中间到两端逐步递减，实心长杆最大应力为9.739e1MPa(未示出)，应力最大点位于车架连接处，箱体部分应力较小，基本无弹性变形。由此得知，两个主要部件的应力最大值均在屈服强度内，满足设计要求，无应力集中。
二、星球机器人漫步车整体动力学分析
图12为根据本发明的另一个实施例的星球机器人漫步车的整车爬坡有限元分析示意图；图13为根据本发明的另一个实施例的星球机器人漫步车的整车爬坡有限元分析示意图。
如图12和图13所示，为保证星球机器人漫步车在月海和高地完成探测任务，我们建立了坡度为25°的坡面模型和转弯模型对星球机器人漫步车整体进行动力学分析。
其中，附图12和附图13为质心位移随时间变化曲线，横坐标是时间，纵坐标是质心位移，图12是运动时X轴方向上质心位移随时间变化曲线，图13是表示运动是Y轴方向上质心位移随时间变化曲线，主要就是观察该曲线是否平滑，有没有突变点，没有突变点就说明星球机器人漫步车上坡时质心位移是均匀变化的，则上坡性能好。
将仿真环境设置为月球表面状态，月球表面大部分由月壤覆盖，星球机器人漫步车保持满载状态。考虑综合工况，取星球机器人漫步车平均运行车速进行分析，将车轮相关尺寸代入进行计算与仿真。
最终得出仿真结果，包括星球机器人漫步车在直角转弯与爬坡两种典型工况下的质心位移、速度、质心加速度曲线等。仿真结果表明，载重700kg的星球机器人漫步车的车轮能够顺利地爬上25°的斜坡，星球机器人漫步车具有良好的移动和转弯性能，基本满足设计需求。
具体地，将仿真环境设置为月球表面状态，月球的重力加速度g＝1.63m/s2，月球表面大部分由月壤覆盖，取静摩擦系数为0.65，漫游车保持满载状态M＝700kg，考虑综合工况，取星球机器人漫步车平均运行车速9km/h进行分析，将车轮相关尺寸代入进行计算，得到车轮角速度为360°/s。如图12和图13所示，为星球机器人漫步车爬25°坡的位置状态图，仿真结果表明，满载的星球机器人漫步车的车轮能够顺利地爬上25°的斜坡，变胞机架具有良好的移动性能，基本满足设计需求。
变胞机架和机械腿由长方形变胞结构向提醒变胞结构转化时，左前轮跟着右前轮出现了明显的颠簸，左右前轮质心都出现了波动；在转变完成后，左右后轮无均颠簸，其质心无变化，上坡后质心稳定变化，车轮顺利跨越25°坡面障碍。
在本发明中，术语“第一”和“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的本发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于变胞机构的星球机器人漫步车，其特征在于，所述星球漫机器人步车包括：
变胞机架，所述变胞机架内固定设有两个箱体；
机械腿，多个机械腿设置于所述变胞机架的两侧，所述机械腿的一端与所述变胞机架铰接，所述机械腿的另一端与车轮铰接；
伸缩滑行机构，包括滑板、伸缩组件和支撑轮，所述滑板通过弹性件与所述箱体固定连接，所述滑板上设有通过口，所述通过口用于所述支撑轮的通过，所述伸缩组件的一端与所述箱体内壁铰接，所述伸缩组件的另一端与所述支撑轮连接，所述伸缩组件用于将所述支撑轮收回所述箱体内或伸出所述箱体外。
2.根据权利要求1所述的基于变胞机构的星球机器人漫步车，其特征在于，所述伸缩组件包括：
第一转动件，包括Y形部和与所述Y形部垂直设置的连杆部，所述Y形部的开口端与所述箱体铰接；
第二转动件，包括第一转环、第二转环和连接所述第一转环和所述第二转环的弯折杆，所述第一转环外套在所述连杆部靠近所述Y形部的一端，所述第二转环外套在所述连杆部远离所述Y形部的一端，所述弯折杆用于连接所述第一转环和所述第二转环，所述支撑轮通过轮架固定设置在第二转环上。
3.根据权利要求1所述的基于变胞机构的星球机器人漫步车，其特征在于，所述支撑轮为麦克纳姆轮。
4.根据权利要求1所述的基于变胞机构的星球机器人漫步车，其特征在于，所述变胞机架包括：
相互铰接的第一长杆和第二长杆，所述第一长杆与所述第二长杆的铰接处为第一铰接点；
相互铰接的第三长杆和第四长杆，所述第三长杆与所述第四长杆的铰接处为第四铰接点；
第一短杆，一端通过第二铰接点与所述第一长杆铰接，所述第一短杆的另一端通过第三铰接点与所述第三长杆铰接；
第二短杆，一端通过第五铰接点与所述第四长杆铰接，所述第二短杆的另一端通过第六铰接点与所述第二长杆铰接；
其中，两个所述箱体分别固定设置于所述第一短杆和第二短杆处。
5.根据权利要求4所述的基于变胞机构的星球机器人漫步车，其特征在于，所述第一铰接点、所述第二铰接点、所述第三铰接点、所述第四铰接点、所述第五铰接点和所述第六铰接点处间隔设置驱动元件，所述驱动元件为舵机。
6.根据权利要求4所述的基于变胞机构的星球机器人漫步车，其特征在于，所述星球机器人漫步车还包括：
钻取机械臂，包括第一连接臂、第二连接臂和夹取部，所述第一连接臂和与所述第一短杆连接的所述箱体铰接，所述第二连接臂与所述第一连接臂铰接，所述夹取部与所述第二连接臂转动连接，所述夹取部用于样品的抓取。
7.根据权利要求6所述的基于变胞机构的星球机器人漫步车，其特征在于，所述星球机器人漫步车还包括：
全景相机，通过支撑杆设置于其中一个所述箱体内，所述全景相机与所述钻取机械臂连接至同一个所述箱体。
8.根据权利要求4所述的基于变胞机构的星球机器人漫步车，其特征在于，所述星球机器人漫步车还包括：
可拆卸避障模块，包括外壳、超声波传感器、控制器和避障相机，所述超声波传感器和所述控制器设置于所述外壳内，所述避障相机设置于所述外壳外，所述外壳与所述第一短杆和/或所述第二短杆固定连接，所述超声波传感器和所述避障相机分别与所述控制器电连接，所述控制器与监控终端电连接。
9.根据权利要求1所述的基于变胞机构的星球机器人漫步车，其特征在于，所述车轮包括：内轮、外轮，以及设置于所述内轮和所述外轮之间的多个缓冲圈，所述内轮和所述外轮同心设置，所述内轮和所述外轮之间形成容纳空间，多个所述缓冲圈均匀设置于所述容纳空间内，所述内轮内设有电机壳，所述电机壳内设有无刷电机，无刷电机的输出轴通过联轴器与所述电机壳固定连接，通过所述无刷电机带动所述车轮的旋转。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的基于变胞机构的星球机器人漫步车，其特征在于，所述机械腿包括：依次铰接连接的大腿部、中间腿部和小腿部，所述小腿部远离所述中间腿部的一端通过U形万向环与所述车轮连接，所述大腿部远离所述中间腿部的一端与所述变胞机架铰接，所述大腿部和所述变胞机架的铰接轴，与所述大腿部和所述中间腿部的铰接轴垂直设置，所述大腿部和所述中间腿部的铰接轴，与所述中间腿部和所述小腿部的铰接轴平行设置，各铰接处通过舵机驱动。
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