一种多姿态轮脚仿生越沙步行轮

摘要

本发明公开了一种多姿态轮脚仿生越沙步行轮，是由一体化的轮面轮毂、多姿态轮脚和螺栓螺母构成。轮面上分布8列斜一字形的螺栓孔，与水平面呈23°夹角，相邻列之间呈45°夹角，同一列中相邻螺栓孔之间呈8°夹角。多姿态轮脚分别由0姿态轮脚、25姿态轮脚、50姿态轮脚、75姿态轮脚和100姿态轮脚构成。其中，轮脚姿态包含趾甲、3段趾骨、跗跖骨以及用于固定在轮面上的基座，各趾骨间关节角度由α、β、γ和ω个参数确定。相邻两列轮脚排布顺序相反。本发明提高了松散沙土路面上行驶车轮的牵引通过性，适用于沙漠、月球和火星等松软介质环境运行，具有良好的沙地通过性、结构简单且稳定性高的特点。

说明书

技术领域

本发明属于工程仿生技术领域，涉及一种仿鸵鸟足趾多姿态触沙的越沙步行轮。

背景技术

沙漠、戈壁等地区蕴含丰富的矿产资源，但沙土的承载能力与抗剪切强度相对较差，导致普通轮式车辆在松散沙地上行驶困难，甚至无法通过。此外，目前已经探明火星、月球上也蕴藏着丰富的矿藏资源，随着全球能源危机的加剧和易开采能源的日趋枯竭，开发沙漠资源和深空探测已成为未来发展的必然趋势，而深空探测巡视器行走机构大多为轮式，在松软地面上行驶通过性较差。例如，美国“勇气”号火星车在穿越松软地带时，车轮陷入其中被迫停止正常工作。而研究发现，腿足式步行机构在不平山地路面、松软泥质、沙地松软地面具有较强的牵引通过性。

目前，传统步行轮大多采用单一的刚性轮脚或轮刺结构，使得轮腿间的相互配合尚未良好的体现。另外，部分研究通过复杂的控制机构使轮脚姿态变形以适应松软地面。但是，由于控制机构复杂使得在沙土介质中此类行走机构的可靠性和稳定性均难以保证。因此，研制出一种高通过性、结构简单且性能稳定的越沙步行轮结构对于改善和提高松散沙土工作环境中车辆的通过性具有重要理论意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的是为了解决松散沙土地面上车轮牵引通过性低的难题，设计了一种仿鸵鸟足趾的多姿态轮脚越沙步行轮结构。未来可应用在能源开采车辆、沙漠行驶车辆、沙漠机器人，甚至是深空探测巡视器等在松软路面作业的行走机械上。

研究发现，行走和奔跑步态下，鸵鸟足第Ⅲ趾趾骨间关节角度在触地期的刚触地、触地中期和离地这3个时刻均没有表现出显著差异。这表明鸵鸟在不同运动速度下足趾越沙姿态基本一致。因此，本发明以善于在沙地中高速奔跑的鸵鸟足趾优越的触沙姿态为仿生原型，获取鸵鸟足趾触地期的五种运动姿态中足趾趾骨间关节角度参数，结合工程仿生学原理，采用被动姿态组合实现主动越沙功能的方法，将五个足趾姿态应用到越沙轮轮脚设计上，得到一种仿鸵鸟足趾的多姿态轮脚越沙步行轮结构。

本发明的目的四通过以下方案实现的：

一种多姿态轮脚仿生越沙步行轮，包括多组多姿态轮脚组、一体化的轮毂与轮面，多组多姿态轮脚组均匀分布安装在轮面上且各组多姿态轮脚组相互平行，每组多姿态轮脚组均由5个姿态轮脚组成，分别为0姿态轮脚、25姿态轮脚、50姿态轮脚、75姿态轮脚和100姿态轮脚，每组多姿态轮脚组的5个姿态轮脚均呈斜一字形顺序依次排列安装在轮面上，且相邻两列多姿态轮脚组中的姿态轮脚排列顺序相反。

所述的一种多姿态轮脚仿生越沙步行轮，多姿态轮脚组中的5个姿态轮脚由趾甲、3段趾骨、跗跖骨以及用于将姿态轮脚固定在轮面上的基座组成，与基座连接的依次为跗跖骨、第一段趾骨、第二段趾骨和第三段趾骨，第二段趾骨与第三段趾骨间的关节角度为α，第一段趾骨与第二段趾骨间的关节角度为β，第一段趾骨与跗跖骨间的关节角度为γ，跗跖骨与固定底座间的夹角为ω，各姿态轮脚的姿态参数如下表：

所述的一种多姿态轮脚仿生越沙步行轮，轮面上均匀分布有多列用于安装多姿态轮脚组的斜一字形的安装孔，安装孔中心连线与水平面呈23°夹角，相邻两列安装孔中心连线之间呈45°夹角，同一列安装孔中相邻两安装孔之间呈8°夹角。

本发明的有益效果：

本发明通过多姿态轮脚组合，采用被动姿态组合实现主动越沙功能的方法，提高了松散沙土路面上行驶车轮的牵引通过性，适用于沙漠、月球和火星等松软介质环境。与普通步行轮相比，本发明的多姿态轮脚仿生步行轮相比普通步行轮的挂钩牵引力提高了约25.8％～28.6％，牵引效率提高了约19.1％～49.3％，表明本设计中的仿生越沙步行轮具有良好的沙地通过性、结构简单且稳定性高的特点。

附图说明

图1是本发明一种多姿态轮脚仿生越沙步行轮结构立体图。

图2(a)是本发明的0姿态轮脚的主视图。

图2(b)是本发明的0姿态轮脚的俯视图。

图3(a)是本发明的25姿态轮脚的主视图。

图3(b)是本发明的25姿态轮脚的俯视图。

图4(a)是本发明的50姿态轮脚的主视图。

图4(b)是本发明的50姿态轮脚的俯视图。

图5(a)是本发明的75姿态轮脚的主视图。

图5(b)是本发明的75姿态轮脚的俯视图。

图6(a)是本发明的100姿态轮脚的主视图。

图6(b)是本发明的100姿态轮脚的俯视图。

图7(a)是本发明的轮毂轮面结构主视图。

图7(b)是本发明的轮毂轮面结构侧视图。

图7(c)是本发明的轮毂轮面结构轴测图。

图8(a)是本发明一种多姿态轮脚仿生越沙步行轮在行驶触地阶段各轮脚与沙土作用关系图。

图8(b)是本发明一种多姿态轮脚仿生越沙步行轮在行离地地阶段各轮脚与沙土作用关系图。

具体实施方式

非洲鸵鸟常年生活在辽阔的沙漠和荒原地区，在沙地环境中奔跑能力十分惊人，主要体现在稳健、持久和高速。鸵鸟每步跨距达4～7m，持续奔跑速度约50～60km/h，冲刺速度可超过70km/h，并能持续半个小时以上，是陆上奔跑能力最强的两足动物。鸵鸟足趾作为直接与沙地接触的部位，对于沙地优越运动性能起到关健作用。鸵鸟足仅有两趾，分别为承担身体主要载荷的第Ⅲ趾和辅助身体平衡的第Ⅳ趾。鸵鸟在奔跑过程中，第Ⅲ趾与第Ⅳ趾相互配合，表现出独特的越沙姿态和运动特性。通过观察鸵鸟足从刚开始触沙到离沙期间足趾姿态的动态变化过程发现，行走和奔跑步态下，第Ⅲ趾与第Ⅳ趾趾骨间关节角度在刚触地、触地中期和离地时刻的姿态变化并不显著。此外，由于第Ⅳ趾较短小且在快速运动触地时间很短。因此，本设计中仅以第Ⅲ趾姿态为依据，将鸵鸟足趾的优越触沙姿态运用到多姿态轮脚越沙步行轮结构设计中，对于车辆沙地通过性将有明显改善。

以下结合附图详细介绍本发明的技术方案：

如图1所示，本发明一种多姿态轮脚仿生越沙步行轮，主要由8组多姿态轮脚组、一体化的轮毂与轮面1、用于固定多姿态轮脚的螺栓螺母等构成。轮面上均匀分布8列斜一字形的螺栓孔，且8列斜一字形螺栓孔相互平行设置。研究表明，农用轮胎胎面花纹与水平方向通常呈23°夹角时，提供的牵引力最大，因此本发明中轮面螺栓孔与水平面所呈夹角θ＝23°，相邻列之间呈45°夹角，同一列中相邻螺栓孔之间呈8°夹角。如图2(a)至图6(b)所示，多姿态轮脚组分别由0姿态轮脚2、25姿态轮脚3、50姿态轮脚4、75姿态轮脚5和100姿态轮脚6构成。如图2(a)所示，其中，各姿态轮脚均包含趾甲、3段趾骨、跗跖骨以及用于将姿态轮脚固定在轮面上的基座组成，与基座连接的依次为跗跖骨、第一段趾骨、第二段趾骨和第三段趾骨，第二段趾骨与第三段趾骨间的关节角度为α，第一段趾骨与第二段趾骨间的关节角度为β，第一段趾骨与跗跖骨间的关节角度为γ，跗跖骨与基座间的夹角为ω，各姿态轮脚的具体姿态由参数α、β、γ、ω确定，参见表1。每组多姿态轮脚组中的5个姿态轮脚顺序依次排列在轮面1上的一列斜一字形的螺栓孔上，并用螺母加以紧固，且相邻两列多姿态轮脚组中的5个姿态轮脚排列顺序相反，即一列多姿态轮脚组中的5个姿态轮脚的排列顺序为从0姿态轮脚2到100姿态轮脚6，则其相邻列多姿态轮脚组中的5个姿态轮脚的排列顺序为从100姿态轮脚6到0姿态轮脚2。

表1轮脚姿态参数

各姿态轮脚均由固定底座、四段趾骨和趾甲构成，以与基座连接的跗跖骨为首，跗跖骨和三段趾骨的长度分别为15mm、20mm、15mm、10mm，宽度均为10mm，趾甲由Pro/E三维建模软件的扫描混合功能构建，扫描轨迹链为弧度60°的半径为14mm的圆弧，扫描的两个截面分别为边长10mm和5mm的等边三角形。轮面1上分布8列斜一字形的螺栓孔，与水平面所呈夹角θ＝23°，相邻列之间呈45°夹角，同一列中相邻螺栓孔之间呈8°夹角，相邻列的最外圈螺栓孔之间呈13°夹角，轮宽为150mm，外轮径为160mm，内轮径为146mm，如图7(a)至图7(b)所示。

以下简要介绍本发明的工作原理：

如图8(a)所示，当多姿态轮脚仿生越沙步行轮静态置于沙土上时，相邻两组多姿态轮脚中各自的0姿态轮脚2、25姿态轮脚3和50姿态轮脚4对车轮起到主要支撑作用。随着车轮滚动前进，原第二组多姿态轮脚中的75姿态轮脚5和100姿态轮脚6以及其下一组多姿态轮脚中的75姿态轮脚5与100姿态轮脚6共同起到抓地并提供牵引推力的作用，进而完成离沙过程，如图8(b)所示。由于轮脚依次排列在斜一字的轮面上，0姿态轮脚2、50姿态轮脚4和100姿态轮脚6可依次完成刚触沙、触沙中期和离沙过程。同时，25姿态轮脚3和75姿态轮脚5起到过渡衔接触沙姿态的作用，降低了车轮行驶中的波动。不同姿态轮脚的连续性使得该仿生越沙步行轮具有传统步行轮的特性，在沙地上留下非连续的轮脚刺孔，可有效减小土壤对车轮的行驶阻力，提高了该仿生越沙步行轮的牵引通过性。此外，该多姿态轮脚仿生步行轮通过多种姿态轮脚的变换实现主动越沙功能，具有结构简单、稳定性高的优点，对于未来松软地面上行走机构的研究思路提供参考价值。