[發明專利]一種月球表面低揚塵高牽引的仿生步行輪

有效

• 申請號: 202110375736.7
• 申請日: 2021-04-08
• 公開（公告）號: CN112848791B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發明（設計）人: 張銳;董文超;龐浩;李濤;王衛軍;胡震宇;張華;李建橋
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B60B9/04
• 分類號: B60B9/04;B60B19/00
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 邵銘康;朱世林

一種月球表面低揚塵高牽引的仿生步行輪屬工程仿生技術領域，本發明是仿鴕鳥足底曲面形貌、趾甲輪廓和第三趾的運動特性構成，由輪轂、輪胎組件和輪刺組組成，主要應用在載人快速月球車上。仿生步行輪滾動過程中輪刺的伸出長度可根據輪上載荷和月面情況進行自適應的調整，提高仿生步行輪的牽引力和通過性。輪胎面在與月面接觸過程中，其表面結構將輪下月壤固著住，降低車輪對月壤的擾動性。通過仿真分析發現，本發明的月球表面低揚塵高牽引的仿生步行輪相比篩網輪的掛鉤牽引力提高了約90％，揚塵數量降低了約51％，并且結構簡單、質量輕、免充氣、牽引性能和抑制揚塵效果好，有助于提高載人快速月球車的附著性、牽引性和抑塵性。

技術領域

本發明屬于工程仿生技術領域，具體涉及一種仿鴕鳥足底曲面、趾甲和運動特性的月球表面低揚塵高牽的引仿生步行輪。

背景技術

月球表面蘊藏著許多人類所需要的資源。隨著全球資源的開采和能源的短缺，人們開始把目光轉向太空中的其他星球。深空探測成為未來發展的必然趨勢，深空探測技術也影響著一個國家的綜合國力和地位。目前，世界上已經有許多國家成功完成了深空探測任務，然而由于月球表面都是由松散的沙土介質為主，有些深空探測器在松軟地面的通過性差、車輪牽引力小，導致車輪沉陷和打滑而無法進行正常工作。車輪作為移動系統的關鍵性部件和唯一觸地，它的性能的好壞直接決定移動系統的性能。

月塵是廣泛分布在月球表面的微小顆粒，它具有粒徑小、不規則、易飄散和易帶電等特點。月塵很容易被擾動而飄散，當他附著在探測設備上時很容易造成探測設備的堵塞和磨損。而且由于他的粘附力特性和帶電特性，它容易粘附在設備的表面，很難被清除，例如“Apollo”12號和15號的設備都受月塵的影響出現問題。隨著深空探測工程的深入開展，我們發現，有效規避月塵對月球探測的危害，是我們月面探測所急需解決的問題。月球車在月面上行駛時，車輪擾動月面月塵，將月塵向后拋起，這是導致揚塵產生的主要原因之一。因此，采用工程仿生技術，設計一款月面低揚塵高牽引仿生步行輪胎面來有效減少揚塵的產生對月球探測工程的開展具有重要意義。

鴕鳥主要生活在沙漠和荒漠地帶，鴕鳥在沙地環境中具有超強的奔跑能力和持久耐力。成年鴕鳥的體重60-160kg，能以為50-60公里/小時的速度持續奔跑30分鐘，沖刺速度超過70公里/小時，跨步長度超過5m，是陸地上奔跑速度最快的兩條腿動物。鴕鳥的二趾足是其具有優秀奔跑能力的關鍵，由于二趾足長期與沙地接觸，進化形成的足底曲面具有良好的固沙限流的性能。鴕鳥的第三趾是主要的承重趾，鴕鳥第三趾在觸地過程具有低速入沙、高速出沙的運動特性，對增大牽引抗沉陷具有顯著效果。此外，趾甲位于鴕鳥足第三趾的最前面，最先與沙土進行接觸，在奔跑過程中具有固著和增大牽引力的作用。因此，本設計將鴕鳥的足底曲面形貌、趾甲輪廓和第三趾的運動特性進行結合，融入到月面自適應仿生步行輪胎面的設計中，對月球車的牽引性和抑塵有明顯提高。

中國發明專利一種彈性篩網月球車車輪(申請號：201510423276.5)的輪面采用了編織篩網結構，該篩網結構在松軟的月面環境下牽引力有限，容易沉陷，并且篩網輪結構容易進灰、揚塵。中國發明專利一種仿鴕鳥足底三維曲面的仿生越沙車輪鼓形輪面(申請號：201420185633.X)是將鴕鳥足底曲面應用到整個輪面上，其輪面為連續剛性輪面。該輪面無法實現根據不同地面自適應調整，且牽引力小并不能有效降低揚塵。中國發明專利一種多姿態輪腳仿生越沙步行輪(申請號：201710354431.1)是將鴕鳥足趾的觸沙姿態運用到步行輪結構設計中，通過多個輪腳連續觸地來模仿鴕鳥的觸沙姿態。但該輪面結構復雜、平順性差，且不能有效降低揚塵。

采用工程仿生技術，以鴕鳥的足底曲面形貌、趾甲輪廓和第三趾的運動特性為仿生原型，設計了一種能根據不同的月面環境進行自適應調整的仿生步行輪。該仿生步行輪能夠提高牽引力和地面通過性，并且可以有效的降低揚塵。

發明內容

本發明的目的是為了解決月球車車輪在月球表面牽引力有限，易沉陷、易揚塵等問題，設計了一種月球表面低揚塵高牽引的仿生步行輪。本發明能夠根據月面情況進行自適應的調整輪刺的伸出，提高牽引力。同時，輪胎面形貌能夠有效的固著月壤，從而降低揚塵。