一种可变直径轮柔顺变径机构的设计方法与流程

本发明涉及一种可变直径轮柔顺变径机构的设计方法，属于机构设计领域。

背景技术：

该柔顺变径机构主要是为了实现可变直径轮的直径变化，目前这种机构应用于一种新型月球车可变直径轮与新型多栖移动平台可变直径轮。由于柔顺变径机构主要依靠柔顺铰链的变形产生运动，可避免磨损，润滑，密封等问题，使结构轻便紧凑。例如公开号为cn101503044的发明专利申请公开了一种适用于可变直径轮的机液联动变径轮架，然而这种变径机构并没有一个系统、科学的设计方法，大都是根据经验和试验进行设计，阻碍了该种机构和可变直径轮的进一步应用和推广。

技术实现要素：

针对上述存在的问题，本发明提出了一种可变直径轮柔顺变径机构的设计方法，是一种便捷可靠的能根据不同轮径变化要求确定机构尺寸参数的柔顺变径机构优化设计方法。

本发明采用的技术方案为依次按以下步骤进行：

步骤一、确定变径机构设计变量以及它们之间的运动几何关系；

子步骤1：假设变径过程中轮腿能够保持结构稳定性(辐杆保持等腰梯形形状)，根据可变直径轮张开和合拢两个极限位置的几何关系，由水平方向的投影相等可得：

子步骤2：将式(1)与式(2)相减得到：

则可得连接轮毂与轮脚的辐杆长度为：

子步骤3：将公式(4)代入公式(1)中，可得辐杆在轮脚上的安装间距为：

子步骤4：综上子步骤1至步骤3，可确定设计变量为：

x＝[x1，x2，x3，x4，x5]＝[θ1，β1，β2，dcq，θ2](6)

其中β2为同一轮腿最大轮径时两侧辐杆间的夹角，在最小车轮直径时的夹角为β1；θ2为同一轮腿最大轮径时两侧辐杆在齿圈的安装点与轮心所夹圆心角，在最小车轮直径时的圆心角为θ1，dcq为轮毂直径。

步骤二、确定变径机构设计变量的约束条件；

边界约束条件：

90°＜θ1＜180°(7)

0°＜β1＜90°(8)

0°＜β2＜90°(9)

0＜l(10)

0＜dcq(11)

辐杆在轮脚上的安装间距约束：

60＜sl＜dminsin30°(12)

步骤三、确定变径机构设计目标并建立其优化数学模型；

子步骤1：弧形轮脚外缘中点到安装在轮脚的辐杆中点之间的径向距离：

子步骤2：在合拢极限位置时，轮脚外缘中心点的实际径向位移：

子步骤3：在张开极限位置时，轮脚外缘中心点的实际径向位移：

子步骤4：目标函数f(θ1，β1，β2，dcq，θ2)按照使轮脚外缘中心点的实际径向位移与给定径向位移在张开和合拢两个极限位置的误差均方根最小来建立，其表达式为：

步骤四、给定初值，采用内点法作为优化算法求解该约束非线性规划问题，得到机构尺寸参数。

本发明比现有技术的优点：

目前针对可变直径轮柔顺变径机构的设计方法，主要根据经验，或者反复试验然后验证，再进行修改，最终确定该机构的设计参数。因此，当可变直径轮的轮径变化需求改变时，需要反复修改原始机构参数，整个设计过程耗时耗力。利用本发明提出的变径机构设计方法，不仅可以根据可变直径轮轮径变化需求，对其结构参数进行合理的优化设计；也可以利用该方法的运动几何关系方程为轮径变化的控制提供理论指导；该方法能够快速便捷地获取最优的机构设计参数，具有较高的实用价值。

附图说明

图1为本发明的一种可变直径轮柔顺变径机构的设计方法操作流程图。

图2a、b为本发明的柔顺变径机构在张开(图2a)和合拢(图2b)时的运动几何关系图。

图3a、b为本发明的柔顺变径机构单个轮腿在张开(图3a)和合拢(图3b)时的几何关系图。

具体实施方式

为更好的理解本发明，下面结合实例进行进一步的说明：

本发明的一种可变直径轮柔顺变径机构的设计方法，其操作流程如图1所示，包括如下步骤：

步骤一、确定变径机构设计变量以及它们之间的运动几何关系；

子步骤1：假设变径过程中轮腿能够保持结构稳定性(辐杆保持等腰梯形形状)，如图2a、b，图3a、b所示，根据可变直径轮张开和合拢两个极限位置的几何关系，由水平方向的投影相等可得：

子步骤2：将式(1)与式(2)相减得到：

则可得连接轮毂与轮脚的辐杆长度为：

子步骤3：将公式(4)代入公式(1)中，可得辐杆在轮脚上的安装间距为：

子步骤4：综上子步骤1至步骤3，可确定设计变量为：

x＝[x1，x2，x3，x4，x5]＝[θ1，β1，β2，dcq，θ2](6)

如图2a、b，图3a、b所示，其中β2为同一轮腿最大轮径时两侧辐杆间的夹角，在最小车轮直径时的夹角为β1；θ2为同一轮腿最大轮径时两侧辐杆在齿圈的安装点与轮心所夹圆心角，在最小车轮直径时的圆心角为θ1，dcq为轮毂直径。

步骤二、确定变径机构设计变量的约束条件；

边界约束条件：

90°＜θ1＜180°(7)

0°＜β1＜90°(8)

0°＜β2＜90°(9)

0＜l(10)

0＜dcq(11)

辐杆在轮脚上的安装间距约束：

60＜sl＜dminsin30°(12)

步骤三、确定变径机构设计目标并建立其优化数学模型；

如图2a、b，图3a、b所示，给定具有六个轮腿的可变直径轮，要求合拢时最小直径dmin为240mm，张开时最大直径dmax为400mm。

子步骤1：弧形轮脚外缘中点到安装在轮脚的辐杆中点之间的径向距离：

子步骤2：在合拢极限位置时，轮脚外缘中心点的实际径向位移：

子步骤3：在张开极限位置时，轮脚外缘中心点的实际径向位移：

子步骤4：目标函数f(θ1，β1，β2，dcq，θ2)按照使轮脚外缘中心点的实际径向位移与给定径向位移在张开和合拢两个极限位置的误差均方根最小来建立，其表达式为：

步骤四、给定初值x＝[θ1，β1，β2，dcq，θ2]＝[120°，60°40°，150，90°]，采用内点法作为优化算法求解该约束非线性规划问题，得到机构尺寸参数；如下表1：

表1。