本發(fā)明屬于工程仿生技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種仿鴕鳥足趾多姿態(tài)觸沙的越沙步行輪。

背景技術(shù)：

沙漠、戈壁等地區(qū)蘊含豐富的礦產(chǎn)資源，但沙土的承載能力與抗剪切強度相對較差，導(dǎo)致普通輪式車輛在松散沙地上行駛困難，甚至無法通過。此外，目前已經(jīng)探明火星、月球上也蘊藏著豐富的礦藏資源，隨著全球能源危機的加劇和易開采能源的日趨枯竭，開發(fā)沙漠資源和深空探測已成為未來發(fā)展的必然趨勢，而深空探測巡視器行走機構(gòu)大多為輪式，在松軟地面上行駛通過性較差。例如，美國“勇氣”號火星車在穿越松軟地帶時，車輪陷入其中被迫停止正常工作。而研究發(fā)現(xiàn)，腿足式步行機構(gòu)在不平山地路面、松軟泥質(zhì)、沙地松軟地面具有較強的牽引通過性。

目前，傳統(tǒng)步行輪大多采用單一的剛性輪腳或輪刺結(jié)構(gòu)，使得輪腿間的相互配合尚未良好的體現(xiàn)。另外，部分研究通過復(fù)雜的控制機構(gòu)使輪腳姿態(tài)變形以適應(yīng)松軟地面。但是，由于控制機構(gòu)復(fù)雜使得在沙土介質(zhì)中此類行走機構(gòu)的可靠性和穩(wěn)定性均難以保證。因此，研制出一種高通過性、結(jié)構(gòu)簡單且性能穩(wěn)定的越沙步行輪結(jié)構(gòu)對于改善和提高松散沙土工作環(huán)境中車輛的通過性具有重要理論意義和應(yīng)用價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決松散沙土地面上車輪牽引通過性低的難題，設(shè)計了一種仿鴕鳥足趾的多姿態(tài)輪腳越沙步行輪結(jié)構(gòu)。未來可應(yīng)用在能源開采車輛、沙漠行駛車輛、沙漠機器人，甚至是深空探測巡視器等在松軟路面作業(yè)的行走機械上。

研究發(fā)現(xiàn)，行走和奔跑步態(tài)下，鴕鳥足第ⅲ趾趾骨間關(guān)節(jié)角度在觸地期的剛觸地、觸地中期和離地這3個時刻均沒有表現(xiàn)出顯著差異。這表明鴕鳥在不同運動速度下足趾越沙姿態(tài)基本一致。因此，本發(fā)明以善于在沙地中高速奔跑的鴕鳥足趾優(yōu)越的觸沙姿態(tài)為仿生原型，獲取鴕鳥足趾觸地期的五種運動姿態(tài)中足趾趾骨間關(guān)節(jié)角度參數(shù)，結(jié)合工程仿生學(xué)原理，采用被動姿態(tài)組合實現(xiàn)主動越沙功能的方法，將五個足趾姿態(tài)應(yīng)用到越沙輪輪腳設(shè)計上，得到一種仿鴕鳥足趾的多姿態(tài)輪腳越沙步行輪結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的目的四通過以下方案實現(xiàn)的：

一種多姿態(tài)輪腳仿生越沙步行輪，包括多組多姿態(tài)輪腳組、一體化的輪轂與輪面，多組多姿態(tài)輪腳組均勻分布安裝在輪面上且各組多姿態(tài)輪腳組相互平行，每組多姿態(tài)輪腳組均由5個姿態(tài)輪腳組成，分別為0姿態(tài)輪腳、25姿態(tài)輪腳、50姿態(tài)輪腳、75姿態(tài)輪腳和100姿態(tài)輪腳，每組多姿態(tài)輪腳組的5個姿態(tài)輪腳均呈斜一字形順序依次排列安裝在輪面上，且相鄰兩列多姿態(tài)輪腳組中的姿態(tài)輪腳排列順序相反。

所述的一種多姿態(tài)輪腳仿生越沙步行輪，多姿態(tài)輪腳組中的5個姿態(tài)輪腳由趾甲、3段趾骨、跗跖骨以及用于將姿態(tài)輪腳固定在輪面上的基座組成，與基座連接的依次為跗跖骨、第一段趾骨、第二段趾骨和第三段趾骨，第二段趾骨與第三段趾骨間的關(guān)節(jié)角度為α，第一段趾骨與第二段趾骨間的關(guān)節(jié)角度為β，第一段趾骨與跗跖骨間的關(guān)節(jié)角度為γ，跗跖骨與固定底座間的夾角為ω，各姿態(tài)輪腳的姿態(tài)參數(shù)如下表：

所述的一種多姿態(tài)輪腳仿生越沙步行輪，輪面上均勻分布有多列用于安裝多姿態(tài)輪腳組的斜一字形的安裝孔，安裝孔中心連線與水平面呈23°夾角，相鄰兩列安裝孔中心連線之間呈45°夾角，同一列安裝孔中相鄰兩安裝孔之間呈8°夾角。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明通過多姿態(tài)輪腳組合，采用被動姿態(tài)組合實現(xiàn)主動越沙功能的方法，提高了松散沙土路面上行駛車輪的牽引通過性，適用于沙漠、月球和火星等松軟介質(zhì)環(huán)境。與普通步行輪相比，本發(fā)明的多姿態(tài)輪腳仿生步行輪相比普通步行輪的掛鉤牽引力提高了約25.8％～28.6％，牽引效率提高了約19.1％～49.3％，表明本設(shè)計中的仿生越沙步行輪具有良好的沙地通過性、結(jié)構(gòu)簡單且穩(wěn)定性高的特點。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種多姿態(tài)輪腳仿生越沙步行輪結(jié)構(gòu)立體圖。

圖2(a)是本發(fā)明的0姿態(tài)輪腳的主視圖。

圖2(b)是本發(fā)明的0姿態(tài)輪腳的俯視圖。

圖3(a)是本發(fā)明的25姿態(tài)輪腳的主視圖。

圖3(b)是本發(fā)明的25姿態(tài)輪腳的俯視圖。

圖4(a)是本發(fā)明的50姿態(tài)輪腳的主視圖。

圖4(b)是本發(fā)明的50姿態(tài)輪腳的俯視圖。

圖5(a)是本發(fā)明的75姿態(tài)輪腳的主視圖。

圖5(b)是本發(fā)明的75姿態(tài)輪腳的俯視圖。

圖6(a)是本發(fā)明的100姿態(tài)輪腳的主視圖。

圖6(b)是本發(fā)明的100姿態(tài)輪腳的俯視圖。

圖7(a)是本發(fā)明的輪轂輪面結(jié)構(gòu)主視圖。

圖7(b)是本發(fā)明的輪轂輪面結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。

圖7(c)是本發(fā)明的輪轂輪面結(jié)構(gòu)軸測圖。

圖8(a)是本發(fā)明一種多姿態(tài)輪腳仿生越沙步行輪在行駛觸地階段各輪腳與沙土作用關(guān)系圖。

圖8(b)是本發(fā)明一種多姿態(tài)輪腳仿生越沙步行輪在行離地地階段各輪腳與沙土作用關(guān)系圖。

具體實施方式

非洲鴕鳥常年生活在遼闊的沙漠和荒原地區(qū)，在沙地環(huán)境中奔跑能力十分驚人，主要體現(xiàn)在穩(wěn)健、持久和高速。鴕鳥每步跨距達(dá)4～7m，持續(xù)奔跑速度約50～60km/h，沖刺速度可超過70km/h，并能持續(xù)半個小時以上，是陸上奔跑能力最強的兩足動物。鴕鳥足趾作為直接與沙地接觸的部位，對于沙地優(yōu)越運動性能起到關(guān)健作用。鴕鳥足僅有兩趾，分別為承擔(dān)身體主要載荷的第ⅲ趾和輔助身體平衡的第ⅳ趾。鴕鳥在奔跑過程中，第ⅲ趾與第ⅳ趾相互配合，表現(xiàn)出獨特的越沙姿態(tài)和運動特性。通過觀察鴕鳥足從剛開始觸沙到離沙期間足趾姿態(tài)的動態(tài)變化過程發(fā)現(xiàn)，行走和奔跑步態(tài)下，第ⅲ趾與第ⅳ趾趾骨間關(guān)節(jié)角度在剛觸地、觸地中期和離地時刻的姿態(tài)變化并不顯著。此外，由于第ⅳ趾較短小且在快速運動觸地時間很短。因此，本設(shè)計中僅以第ⅲ趾姿態(tài)為依據(jù)，將鴕鳥足趾的優(yōu)越觸沙姿態(tài)運用到多姿態(tài)輪腳越沙步行輪結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對于車輛沙地通過性將有明顯改善。

以下結(jié)合附圖詳細(xì)介紹本發(fā)明的技術(shù)方案：

如圖1所示，本發(fā)明一種多姿態(tài)輪腳仿生越沙步行輪，主要由8組多姿態(tài)輪腳組、一體化的輪轂與輪面1、用于固定多姿態(tài)輪腳的螺栓螺母等構(gòu)成。輪面上均勻分布8列斜一字形的螺栓孔，且8列斜一字形螺栓孔相互平行設(shè)置。研究表明，農(nóng)用輪胎胎面花紋與水平方向通常呈23°夾角時，提供的牽引力最大，因此本發(fā)明中輪面螺栓孔與水平面所呈夾角θ＝23°，相鄰列之間呈45°夾角，同一列中相鄰螺栓孔之間呈8°夾角。如圖2(a)至圖6(b)所示，多姿態(tài)輪腳組分別由0姿態(tài)輪腳2、25姿態(tài)輪腳3、50姿態(tài)輪腳4、75姿態(tài)輪腳5和100姿態(tài)輪腳6構(gòu)成。如圖2(a)所示，其中，各姿態(tài)輪腳均包含趾甲、3段趾骨、跗跖骨以及用于將姿態(tài)輪腳固定在輪面上的基座組成，與基座連接的依次為跗跖骨、第一段趾骨、第二段趾骨和第三段趾骨，第二段趾骨與第三段趾骨間的關(guān)節(jié)角度為α，第一段趾骨與第二段趾骨間的關(guān)節(jié)角度為β，第一段趾骨與跗跖骨間的關(guān)節(jié)角度為γ，跗跖骨與基座間的夾角為ω，各姿態(tài)輪腳的具體姿態(tài)由參數(shù)α、β、γ、ω確定，參見表1。每組多姿態(tài)輪腳組中的5個姿態(tài)輪腳順序依次排列在輪面1上的一列斜一字形的螺栓孔上，并用螺母加以緊固，且相鄰兩列多姿態(tài)輪腳組中的5個姿態(tài)輪腳排列順序相反，即一列多姿態(tài)輪腳組中的5個姿態(tài)輪腳的排列順序為從0姿態(tài)輪腳2到100姿態(tài)輪腳6，則其相鄰列多姿態(tài)輪腳組中的5個姿態(tài)輪腳的排列順序為從100姿態(tài)輪腳6到0姿態(tài)輪腳2。

表1輪腳姿態(tài)參數(shù)

各姿態(tài)輪腳均由固定底座、四段趾骨和趾甲構(gòu)成，以與基座連接的跗跖骨為首，跗跖骨和三段趾骨的長度分別為15mm、20mm、15mm、10mm，寬度均為10mm，趾甲由pro/e三維建模軟件的掃描混合功能構(gòu)建，掃描軌跡鏈為弧度60°的半徑為14mm的圓弧，掃描的兩個截面分別為邊長10mm和5mm的等邊三角形。輪面1上分布8列斜一字形的螺栓孔，與水平面所呈夾角θ＝23°，相鄰列之間呈45°夾角，同一列中相鄰螺栓孔之間呈8°夾角，相鄰列的最外圈螺栓孔之間呈13°夾角，輪寬為150mm，外輪徑為160mm，內(nèi)輪徑為146mm，如圖7(a)至圖7(b)所示。

以下簡要介紹本發(fā)明的工作原理：

如圖8(a)所示，當(dāng)多姿態(tài)輪腳仿生越沙步行輪靜態(tài)置于沙土上時，相鄰兩組多姿態(tài)輪腳中各自的0姿態(tài)輪腳2、25姿態(tài)輪腳3和50姿態(tài)輪腳4對車輪起到主要支撐作用。隨著車輪滾動前進(jìn)，原第二組多姿態(tài)輪腳中的75姿態(tài)輪腳5和100姿態(tài)輪腳6以及其下一組多姿態(tài)輪腳中的75姿態(tài)輪腳5與100姿態(tài)輪腳6共同起到抓地并提供牽引推力的作用，進(jìn)而完成離沙過程，如圖8(b)所示。由于輪腳依次排列在斜一字的輪面上，0姿態(tài)輪腳2、50姿態(tài)輪腳4和100姿態(tài)輪腳6可依次完成剛觸沙、觸沙中期和離沙過程。同時，25姿態(tài)輪腳3和75姿態(tài)輪腳5起到過渡銜接觸沙姿態(tài)的作用，降低了車輪行駛中的波動。不同姿態(tài)輪腳的連續(xù)性使得該仿生越沙步行輪具有傳統(tǒng)步行輪的特性，在沙地上留下非連續(xù)的輪腳刺孔，可有效減小土壤對車輪的行駛阻力，提高了該仿生越沙步行輪的牽引通過性。此外，該多姿態(tài)輪腳仿生步行輪通過多種姿態(tài)輪腳的變換實現(xiàn)主動越沙功能，具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高的優(yōu)點，對于未來松軟地面上行走機構(gòu)的研究思路提供參考價值。