專利名稱：一種月球車車輪仿生輪刺的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于工程仿生學與地面車輛力學相結合的領域，本發(fā)明涉及一種月球車車 輪仿生輪刺，應用于探月工程的交叉學科領域。本發(fā)明中以沙漠中穩(wěn)健和高速奔跑鴕鳥的 主要觸沙部位-足趾甲為仿生原型，根據工程仿生學理論，采用逆向工程技術，完成一種月 球車車輪仿生輪刺設計。
背景技術：
我國月球探測的近期規(guī)劃以不載人月球探測為宗旨，確定了 “三步走”的戰(zhàn)略目 標第一步為環(huán)月探測，第二步為月面軟著陸器就位探測和月球車月面巡視勘察；第三步 為月面自動采樣返回。隨著“嫦娥一號”和“嫦娥二號”的順利完成，環(huán)月探測已接近尾聲， 探月工程第二步的相關研究已經陸續(xù)開展。月球車又稱為月面巡視探測器，是完成第二步 戰(zhàn)略目標的重要裝備。月球車是一種能夠在月球表面移動，完成探測、采樣、運載等任務的 航天器，它的基本功能是具有月面行走能力。月球表面覆蓋著松軟的粉塵狀月壤，在月面低 重力環(huán)境下(月球重力大約為地球的1/6)，月球車車輪的掛鉤牽引力、附著力、工作阻力、 滑轉率以及沉陷情況等數據資料十分缺乏甚至未知，這使月球車在月面上的可靠行駛性能 具有很多不確定因素，而這種性能就是牽引通過性。目前，研究月壤上車輪的牽引通過性并 進行車輪構型優(yōu)化，已經受到科研工作者高度重視，并成為月面車輛系統(tǒng)研究領域的熱點 問題之一。然而，由于各種條件、理論和方法的限制，高牽引通過性的月球車車輪構型優(yōu)化 研究工作進展緩慢。因此，基于月面牽引通過性的各項特征參量，以沙地奔跑動物足部為仿 生原型，采用工程仿生技術，并結合車輛地面力學理論，優(yōu)化設計出月面高牽引通過性的月 球車仿生車輪構型至關重要。輪刺式剛性輪具有很強的松軟地面牽引通過性，已經成為無 人月面巡視探測器和未來載人月球車車輪構型的重要選擇。輪刺是月球車車輪的重要組成 部分，它是影響月球車牽引通過性的關鍵因素，提高月球車車輪在月壤上行駛的牽引通過 性是要解決的主要問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明從輪刺構型著手，來解決月球車車輪在月壤上行駛的牽引通過性難題，并 為進一步研究和優(yōu)化其他深空探測車輛(例如火星車)的車輪構型提供了重要的理論基礎 和技術依據。鴕鳥原產于非洲和阿拉伯沙漠溫差較大的地區(qū)，主要生活在空曠的沙漠地帶和干 燥無樹的大草原。鴕鳥屬于平胸類鳥，胸骨扁平不具龍骨突起，鎖骨退化，前肢演化成翅膀， 已經退化不能飛翔，但后肢強壯而有力，在沙地環(huán)境中具有神奇的穩(wěn)健、持久和高速奔跑能 力。經測試成年駝鳥每一步跨越距離可達3. 5 7米，持續(xù)奔跑速度約50 60公里/小 時，沖刺速度超過70公里/小時以上，并可維持約30分鐘而不感覺累，是鳥類中名副其實 的賽跑健將，也是陸地上跑的最快的兩條腿動物。鴕鳥的優(yōu)異越沙能力是身體結構、器官、 脖頸、翅膀(前肢)以及后肢(腿和足)等多方面共同作用的結果。其中鴕鳥足承載鴕鳥重量，直接與沙地接觸并參與運動，在越沙過程中的作用至關重要。鴕鳥足僅兩趾(第III、 IV趾)，內趾(第III趾)較大，具有較大和堅硬的足趾甲，外趾(第IV趾)則無足趾甲，趾 的下面有角質的肉墊，富有彈性并能隔熱，這些特殊結構是鴕鳥足具有穩(wěn)健和高速越沙特 性的關鍵因素。通過研究發(fā)現，鴕鳥在沙漠中行走或奔跑過程中，足趾甲類似鞋釘，起到牽 引和固沙作用，能夠有效地提高牽引性和抗沉陷性，這一優(yōu)異性能與足趾甲的結構和形貌 密切相關。另外，根據已知資料表明，月球表面覆蓋的粉塵狀月壤和沙漠中的沙非常相似， 屬于典型的松軟介質。因此，以鴕鳥足趾甲為仿生原型，進行月球車車輪仿生輪刺設計，將 會有效提高車輪的牽引性和抗沉陷性，對于改善月球車在松軟月壤上行駛的牽引通過性具 有極其重要的意義。本發(fā)明提供一種月球車車輪仿生輪刺，其目的是提高輪刺式月球車車輪的牽引性 和抗沉陷性，并有效改善月球車車輪在松軟月壤上行駛的牽引通過性問題，本發(fā)明以現有 普通輪刺式月球車車輪結構為設計原型，針對其主要輪壤接觸部位-輪刺，以鴕鳥足趾甲 為仿生原型，根據工程仿生學理論，采用逆向工程技術，獲取足趾甲典型的三條邊緣特征曲 線，并通過將三條曲線封閉構成的平面在車輪輪面上沿車輪寬度拉伸而形成仿生輪刺。月球車車輪仿生輪刺之截面的外輪廓線為仿鴕鳥足趾甲典型的三條閉合邊緣特 征曲線，該三條閉合曲線符合以下公式曲線 1 :y = -0. 0058χ3-0. 0356χ2_0· 2583χ_0· 0636 ；曲線 2 :y = -0· 06x2-0. 4709x+4. 5046 ；曲線 3 :y = 0. 047x2+0. 2526x+4. 9872。月球車車輪仿生輪刺截面外輪廓三條閉合曲線的獲取方法是(1)點云數據獲取對鴕鳥足趾甲表面噴涂顯影劑，采用非接觸式激光測量法對 趾甲表面形貌曲面進行三維幾何測量，獲得鴕鳥足趾甲表面三維點云數據。(2)點云數據處理在CATIA軟件的逆向工程模塊中將獲取的點云數據進行處理。 通過細部編輯、漏洞填補、噪聲過濾、點云精簡等功能，獲取鴕鳥足趾甲表面的典型點云數 據。(3)邊緣曲線提取將CATIA軟件逆向工程模塊中的足趾甲表面的典型點云數據， 導出IGES格式文件，并導入到UG軟件中。利用UG軟件的建模功能，根據仿生輪刺構型的 需求，將足趾甲模型置于正側面位置。選好基準面，通過典型點云數據分析，基于鴕鳥足趾 甲邊緣輪廓主要由三條特征曲線組成，采用藝術樣條曲線描繪足趾甲三條特征曲線的閉合 邊緣線。(4)邊緣曲線方程擬合將UG軟件中足趾甲特征曲線的閉合邊緣線導入到 AUTOCAD軟件中，進行適當旋轉，并確定坐標。根據已有月球車車輪的輪刺寬度和高度(刺 寬5mm，刺高9mm)，將閉合邊緣線整體縮小為原尺寸的0. 25倍，獲得輪刺尺寸要求的閉合邊 緣線。通過查詢列表顯示，獲取構成閉合邊緣線的點云中各點的XY坐標值。將各點的XY 坐標值輸入到EXCEL軟件中，擬合三條閉合邊緣曲線，并獲取邊緣曲線方程。(5)采用已有月球車車輪尺寸(輪徑300mm，輪寬100mm)，輪刺排布(輪緣面均勻 排列18個)，將三條邊緣曲線封閉構成的平面在車輪輪面上沿車輪寬度拉伸設計出單個仿 生輪刺，然后沿輪緣面陣列形成所有18個輪刺。本發(fā)明的有益效果是
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本發(fā)明具備有效提高月球車在松軟月壤的通過能力。仿生輪刺可明顯改善月球車 車輪在松軟月壤上行駛的牽引性和抗沉陷性，提高了月球車的行駛效率，降低了月球車在 月面上行駛的隱患和風險，為我國探月工程中無人月球車巡視勘察以及載人月球車月面行 駛的順利實施提供了重要的理論和技術基礎。將鴕鳥足趾甲特征參數應用到月球車車輪仿生輪刺構型的設計方法，可以有效提 高輪刺式月球車車輪在模擬月壤上行駛的牽引性和抗沉陷性，尤其在高速行駛時效果更加 明顯。仿生輪刺式車輪與普通輪刺式車輪相比，掛鉤牽引力提高了 4. 6 5. 8%，平均沉陷 量減少了 5. 4 6. 1%。


圖1為鴕鳥足趾甲的圖像。圖2為鴕鳥足趾甲的點云數據圖。圖3為鴕鳥足趾甲典型三維點云數據及閉合邊緣特征曲線。圖4為旋轉90°后的鴕鳥足趾甲閉合邊緣特征曲線。圖5為本發(fā)明的輪刺的三條閉合邊緣特征曲線方程。圖6為具有仿生輪刺的月球車車輪的立體示意圖。圖7為本發(fā)明之仿生輪刺的局部放大示意圖。
具體實施例方式請參閱圖5、圖7和圖8所示，月球車車輪1仿生輪刺2之截面的外輪廓線為仿鴕 鳥足趾甲典型的三條閉合邊緣特征曲線，該三條閉合曲線符合以下公式曲線 1 :y = -0. 0058χ3-0. 0356χ2_0· 2583χ_0· 0636 ；曲線 2 :y = -0· 06χ2_0· 4709χ+4. 5046 ；曲線 3 :y = 0. 047x2+0. 2526x+4. 9872。月球車車輪1仿生輪刺2截面外輪廓三條閉合曲線的獲取方法是(1)點云數據獲取本發(fā)明使用的樣本來自長春鹿盛源山莊成年鴕鳥，鴕鳥具有獨特的足趾，這樣決 定了它在沙地運行中抗沉陷和抗滑移能力。挑選典型鴕鳥足趾甲，如圖1所示，對鴕鳥足趾 甲表面噴涂顯影劑，采用非接觸式激光測量法對趾甲表面形貌曲面進行三維幾何測量，獲 得鴕鳥足趾甲表面三維點云數據，獲得的鴕鳥足趾甲表面三維點云數據如圖2所示。(2)點云數據處理在CATIA軟件的逆向工程模塊中將獲取的點云數據進行處理，通過細部編輯、漏 洞填補、噪聲過濾、點云精簡等功能，獲取鴕鳥足趾甲表面的典型點云數據，獲取的鴕鳥足 趾甲表面典型點云數據如圖3所示。(3)邊緣曲線提取將CATIA軟件逆向工程模塊中的足趾甲表面的典型點云數據，導出IGES格式文 件，并導入到UG軟件中。利用UG軟件的建模功能，根據仿生輪刺構型的需求，將足趾甲模 型置于正側面位置。選好基準面，通過典型點云數據分析，基于鴕鳥足趾甲邊緣輪廓主要由 三條特征曲線組成，采用藝術樣條曲線描繪足趾甲三條特征曲線的閉合邊緣線，足趾甲三條特征曲線的閉合邊緣線如圖3所示。(4)邊緣曲線方程擬合將UG軟件中足趾甲特征曲線的閉合邊緣線導入到AUTOCAD軟件中，進行適當 旋轉，并確定坐標，如圖4所示；根據已有月球車車輪的輪刺寬度和高度(刺寬5mm，刺高 9mm)，將閉合邊緣線整體縮小為原尺寸的0. 25倍，獲得輪刺尺寸要求的閉合邊緣線。通過 查詢列表顯示，獲取構成閉合邊緣線的點云中各點的XY坐標值。將各點的XY坐標值輸入 到EXCEL軟件中，擬合三條閉合邊緣曲線，并獲取三條閉合邊緣特征曲線方程，如圖5所示。(5)采用已有月球車車輪尺寸(輪徑300mm，輪寬100mm)，輪刺排布(輪緣面均勻 排列18個)，將三條邊緣曲線封閉構成的平面在車輪輪面上沿車輪寬度拉伸形成單個仿生 輪刺，然后沿輪緣面陣列形成所有十八個輪刺，如圖6和圖7所示。試驗結果分析將不同輪刺式車輪在模擬月壤上進行試驗和仿真分析，結果表明，在相同行駛條 件下，仿生輪刺式車輪與普通輪刺式車輪相比，掛鉤牽引力提高了 4. 6 5.8%，平均沉陷 量減少了 5. 4 6. 1%。
權利要求
1. 一種月球車車輪仿生輪刺，其特征在于月球車車輪仿生輪刺之截面的外輪廓線為 仿鴕鳥足趾甲典型的三條閉合邊緣特征曲線，該三條閉合曲線符合以下公式曲線1:y =-0· 0058x3--0. 0356x2-0.2583x-0. 0636曲線2:y =-0. 06X2-0.4709x+4.5046 ；曲線3:y =0. 047x2+0.2526x+4.9872。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種月球車車輪仿生輪刺，該月球車車輪仿生輪刺之截面的外輪廓線為仿鴕鳥足趾甲典型的三條閉合邊緣特征曲線，該三條閉合曲線符合以下公式曲線1y＝-0.0058x3-0.0356x2-0.2583x-0.0636；曲線2y＝-0.06x2-0.4709x+4.5046；曲線3y＝0.047x2+0.2526x+4.9872；本發(fā)明具備有效提高月球車在松軟月壤的通過能力，仿生輪刺可明顯改善月球車車輪在松軟月壤上行駛的牽引性和抗沉陷性，提高了月球車的行駛效率，降低了月球車在月面上行駛的隱患和風險，為我國探月工程中無人月球車巡視勘察以及載人月球車月面行駛的順利實施提供了重要的理論和技術基礎。
文檔編號B60B19/00GK102145634SQ20111008735
公開日2011年8月10日 申請日期2011年4月8日 優(yōu)先權日2011年4月8日
發(fā)明者劉芳, 周桂芬, 張四華, 張銳, 李建橋, 陳光明 申請人:吉林大學