专利名称：一种月球车车轮仿生轮刺的制作方法
技术领域：
本发明属于工程仿生学与地面车辆力学相结合的领域，本发明涉及一种月球车车 轮仿生轮刺，应用于探月工程的交叉学科领域。本发明中以沙漠中稳健和高速奔跑鸵鸟的 主要触沙部位-足趾甲为仿生原型，根据工程仿生学理论，采用逆向工程技术，完成一种月 球车车轮仿生轮刺设计。
背景技术：
我国月球探测的近期规划以不载人月球探测为宗旨，确定了 “三步走”的战略目 标第一步为环月探测，第二步为月面软着陆器就位探测和月球车月面巡视勘察；第三步 为月面自动采样返回。随着“嫦娥一号”和“嫦娥二号”的顺利完成，环月探测已接近尾声， 探月工程第二步的相关研究已经陆续开展。月球车又称为月面巡视探测器，是完成第二步 战略目标的重要装备。月球车是一种能够在月球表面移动，完成探测、采样、运载等任务的 航天器，它的基本功能是具有月面行走能力。月球表面覆盖着松软的粉尘状月壤，在月面低 重力环境下(月球重力大约为地球的1/6)，月球车车轮的挂钩牵引力、附着力、工作阻力、 滑转率以及沉陷情况等数据资料十分缺乏甚至未知，这使月球车在月面上的可靠行驶性能 具有很多不确定因素，而这种性能就是牵引通过性。目前，研究月壤上车轮的牵引通过性并 进行车轮构型优化，已经受到科研工作者高度重视，并成为月面车辆系统研究领域的热点 问题之一。然而，由于各种条件、理论和方法的限制，高牵引通过性的月球车车轮构型优化 研究工作进展缓慢。因此，基于月面牵引通过性的各项特征参量，以沙地奔跑动物足部为仿 生原型，采用工程仿生技术，并结合车辆地面力学理论，优化设计出月面高牵引通过性的月 球车仿生车轮构型至关重要。轮刺式刚性轮具有很强的松软地面牵引通过性，已经成为无 人月面巡视探测器和未来载人月球车车轮构型的重要选择。轮刺是月球车车轮的重要组成 部分，它是影响月球车牵引通过性的关键因素，提高月球车车轮在月壤上行驶的牵引通过 性是要解决的主要问题。
发明内容
本发明从轮刺构型着手，来解决月球车车轮在月壤上行驶的牵引通过性难题，并 为进一步研究和优化其他深空探测车辆(例如火星车)的车轮构型提供了重要的理论基础 和技术依据。鸵鸟原产于非洲和阿拉伯沙漠温差较大的地区，主要生活在空旷的沙漠地带和干 燥无树的大草原。鸵鸟属于平胸类鸟，胸骨扁平不具龙骨突起，锁骨退化，前肢演化成翅膀， 已经退化不能飞翔，但后肢强壮而有力，在沙地环境中具有神奇的稳健、持久和高速奔跑能 力。经测试成年驼鸟每一步跨越距离可达3. 5 7米，持续奔跑速度约50 60公里/小 时，冲刺速度超过70公里/小时以上，并可维持约30分钟而不感觉累，是鸟类中名副其实 的赛跑健将，也是陆地上跑的最快的两条腿动物。鸵鸟的优异越沙能力是身体结构、器官、 脖颈、翅膀(前肢)以及后肢(腿和足)等多方面共同作用的结果。其中鸵鸟足承载鸵鸟重量，直接与沙地接触并参与运动，在越沙过程中的作用至关重要。鸵鸟足仅两趾(第III、 IV趾)，内趾(第III趾)较大，具有较大和坚硬的足趾甲，外趾(第IV趾)则无足趾甲，趾 的下面有角质的肉垫，富有弹性并能隔热，这些特殊结构是鸵鸟足具有稳健和高速越沙特 性的关键因素。通过研究发现，鸵鸟在沙漠中行走或奔跑过程中，足趾甲类似鞋钉，起到牵 引和固沙作用，能够有效地提高牵引性和抗沉陷性，这一优异性能与足趾甲的结构和形貌 密切相关。另外，根据已知资料表明，月球表面覆盖的粉尘状月壤和沙漠中的沙非常相似， 属于典型的松软介质。因此，以鸵鸟足趾甲为仿生原型，进行月球车车轮仿生轮刺设计，将 会有效提高车轮的牵引性和抗沉陷性，对于改善月球车在松软月壤上行驶的牵引通过性具 有极其重要的意义。本发明提供一种月球车车轮仿生轮刺，其目的是提高轮刺式月球车车轮的牵引性 和抗沉陷性，并有效改善月球车车轮在松软月壤上行驶的牵引通过性问题，本发明以现有 普通轮刺式月球车车轮结构为设计原型，针对其主要轮壤接触部位-轮刺，以鸵鸟足趾甲 为仿生原型，根据工程仿生学理论，采用逆向工程技术，获取足趾甲典型的三条边缘特征曲 线，并通过将三条曲线封闭构成的平面在车轮轮面上沿车轮宽度拉伸而形成仿生轮刺。月球车车轮仿生轮刺之截面的外轮廓线为仿鸵鸟足趾甲典型的三条闭合边缘特 征曲线，该三条闭合曲线符合以下公式曲线 1 :y = -0. 0058χ3-0. 0356χ2_0· 2583χ_0· 0636 ；曲线 2 :y = -0· 06x2-0. 4709x+4. 5046 ；曲线 3 :y = 0. 047x2+0. 2526x+4. 9872。月球车车轮仿生轮刺截面外轮廓三条闭合曲线的获取方法是(1)点云数据获取对鸵鸟足趾甲表面喷涂显影剂，采用非接触式激光测量法对 趾甲表面形貌曲面进行三维几何测量，获得鸵鸟足趾甲表面三维点云数据。(2)点云数据处理在CATIA软件的逆向工程模块中将获取的点云数据进行处理。 通过细部编辑、漏洞填补、噪声过滤、点云精简等功能，获取鸵鸟足趾甲表面的典型点云数 据。(3)边缘曲线提取将CATIA软件逆向工程模块中的足趾甲表面的典型点云数据， 导出IGES格式文件，并导入到UG软件中。利用UG软件的建模功能，根据仿生轮刺构型的 需求，将足趾甲模型置于正侧面位置。选好基准面，通过典型点云数据分析，基于鸵鸟足趾 甲边缘轮廓主要由三条特征曲线组成，采用艺术样条曲线描绘足趾甲三条特征曲线的闭合 边缘线。(4)边缘曲线方程拟合将UG软件中足趾甲特征曲线的闭合边缘线导入到 AUTOCAD软件中，进行适当旋转，并确定坐标。根据已有月球车车轮的轮刺宽度和高度(刺 宽5mm，刺高9mm)，将闭合边缘线整体缩小为原尺寸的0. 25倍，获得轮刺尺寸要求的闭合边 缘线。通过查询列表显示，获取构成闭合边缘线的点云中各点的XY坐标值。将各点的XY 坐标值输入到EXCEL软件中，拟合三条闭合边缘曲线，并获取边缘曲线方程。(5)采用已有月球车车轮尺寸(轮径300mm，轮宽100mm)，轮刺排布(轮缘面均勻 排列18个)，将三条边缘曲线封闭构成的平面在车轮轮面上沿车轮宽度拉伸设计出单个仿 生轮刺，然后沿轮缘面阵列形成所有18个轮刺。本发明的有益效果是
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本发明具备有效提高月球车在松软月壤的通过能力。仿生轮刺可明显改善月球车 车轮在松软月壤上行驶的牵引性和抗沉陷性，提高了月球车的行驶效率，降低了月球车在 月面上行驶的隐患和风险，为我国探月工程中无人月球车巡视勘察以及载人月球车月面行 驶的顺利实施提供了重要的理论和技术基础。将鸵鸟足趾甲特征参数应用到月球车车轮仿生轮刺构型的设计方法，可以有效提 高轮刺式月球车车轮在模拟月壤上行驶的牵引性和抗沉陷性，尤其在高速行驶时效果更加 明显。仿生轮刺式车轮与普通轮刺式车轮相比，挂钩牵引力提高了 4. 6 5. 8%，平均沉陷 量减少了 5. 4 6. 1%。
图1为鸵鸟足趾甲的图像。图2为鸵鸟足趾甲的点云数据图。图3为鸵鸟足趾甲典型三维点云数据及闭合边缘特征曲线。图4为旋转90°后的鸵鸟足趾甲闭合边缘特征曲线。图5为本发明的轮刺的三条闭合边缘特征曲线方程。图6为具有仿生轮刺的月球车车轮的立体示意图。图7为本发明之仿生轮刺的局部放大示意图。
具体实施例方式请参阅图5、图7和图8所示，月球车车轮1仿生轮刺2之截面的外轮廓线为仿鸵 鸟足趾甲典型的三条闭合边缘特征曲线，该三条闭合曲线符合以下公式曲线 1 :y = -0. 0058χ3-0. 0356χ2_0· 2583χ_0· 0636 ；曲线 2 :y = -0· 06χ2_0· 4709χ+4. 5046 ；曲线 3 :y = 0. 047x2+0. 2526x+4. 9872。月球车车轮1仿生轮刺2截面外轮廓三条闭合曲线的获取方法是(1)点云数据获取本发明使用的样本来自长春鹿盛源山庄成年鸵鸟，鸵鸟具有独特的足趾，这样决 定了它在沙地运行中抗沉陷和抗滑移能力。挑选典型鸵鸟足趾甲，如图1所示，对鸵鸟足趾 甲表面喷涂显影剂，采用非接触式激光测量法对趾甲表面形貌曲面进行三维几何测量，获 得鸵鸟足趾甲表面三维点云数据，获得的鸵鸟足趾甲表面三维点云数据如图2所示。(2)点云数据处理在CATIA软件的逆向工程模块中将获取的点云数据进行处理，通过细部编辑、漏 洞填补、噪声过滤、点云精简等功能，获取鸵鸟足趾甲表面的典型点云数据，获取的鸵鸟足 趾甲表面典型点云数据如图3所示。(3)边缘曲线提取将CATIA软件逆向工程模块中的足趾甲表面的典型点云数据，导出IGES格式文 件，并导入到UG软件中。利用UG软件的建模功能，根据仿生轮刺构型的需求，将足趾甲模 型置于正侧面位置。选好基准面，通过典型点云数据分析，基于鸵鸟足趾甲边缘轮廓主要由 三条特征曲线组成，采用艺术样条曲线描绘足趾甲三条特征曲线的闭合边缘线，足趾甲三条特征曲线的闭合边缘线如图3所示。(4)边缘曲线方程拟合将UG软件中足趾甲特征曲线的闭合边缘线导入到AUTOCAD软件中，进行适当 旋转，并确定坐标，如图4所示；根据已有月球车车轮的轮刺宽度和高度(刺宽5mm，刺高 9mm)，将闭合边缘线整体缩小为原尺寸的0. 25倍，获得轮刺尺寸要求的闭合边缘线。通过 查询列表显示，获取构成闭合边缘线的点云中各点的XY坐标值。将各点的XY坐标值输入 到EXCEL软件中，拟合三条闭合边缘曲线，并获取三条闭合边缘特征曲线方程，如图5所示。(5)采用已有月球车车轮尺寸(轮径300mm，轮宽100mm)，轮刺排布(轮缘面均勻 排列18个)，将三条边缘曲线封闭构成的平面在车轮轮面上沿车轮宽度拉伸形成单个仿生 轮刺，然后沿轮缘面阵列形成所有十八个轮刺，如图6和图7所示。试验结果分析将不同轮刺式车轮在模拟月壤上进行试验和仿真分析，结果表明，在相同行驶条 件下，仿生轮刺式车轮与普通轮刺式车轮相比，挂钩牵引力提高了 4. 6 5.8%，平均沉陷 量减少了 5. 4 6. 1%。
权利要求
1. 一种月球车车轮仿生轮刺，其特征在于月球车车轮仿生轮刺之截面的外轮廓线为 仿鸵鸟足趾甲典型的三条闭合边缘特征曲线，该三条闭合曲线符合以下公式曲线1:y =-0· 0058x3--0. 0356x2-0.2583x-0. 0636曲线2:y =-0. 06X2-0.4709x+4.5046 ；曲线3:y =0. 047x2+0.2526x+4.9872。
全文摘要
本发明公开了一种月球车车轮仿生轮刺，该月球车车轮仿生轮刺之截面的外轮廓线为仿鸵鸟足趾甲典型的三条闭合边缘特征曲线，该三条闭合曲线符合以下公式曲线1y＝-0.0058x3-0.0356x2-0.2583x-0.0636；曲线2y＝-0.06x2-0.4709x+4.5046；曲线3y＝0.047x2+0.2526x+4.9872；本发明具备有效提高月球车在松软月壤的通过能力，仿生轮刺可明显改善月球车车轮在松软月壤上行驶的牵引性和抗沉陷性，提高了月球车的行驶效率，降低了月球车在月面上行驶的隐患和风险，为我国探月工程中无人月球车巡视勘察以及载人月球车月面行驶的顺利实施提供了重要的理论和技术基础。
文档编号B60B19/00GK102145634SQ20111008735
公开日2011年8月10日 申请日期2011年4月8日 优先权日2011年4月8日
发明者刘芳, 周桂芬, 张四华, 张锐, 李建桥, 陈光明 申请人:吉林大学