[发明专利]一种月球表面低扬尘高牵引的仿生步行轮

说明书

一种月球表面低扬尘高牵引的仿生步行轮属工程仿生技术领域，本发明是仿鸵鸟足底曲面形貌、趾甲轮廓和第三趾的运动特性构成，由轮毂、轮胎组件和轮刺组组成，主要应用在载人快速月球车上。仿生步行轮滚动过程中轮刺的伸出长度可根据轮上载荷和月面情况进行自适应的调整，提高仿生步行轮的牵引力和通过性。轮胎面在与月面接触过程中，其表面结构将轮下月壤固着住，降低车轮对月壤的扰动性。通过仿真分析发现，本发明的月球表面低扬尘高牵引的仿生步行轮相比筛网轮的挂钩牵引力提高了约90％，扬尘数量降低了约51％，并且结构简单、质量轻、免充气、牵引性能和抑制扬尘效果好，有助于提高载人快速月球车的附着性、牵引性和抑尘性。

技术领域

本发明属于工程仿生技术领域，具体涉及一种仿鸵鸟足底曲面、趾甲和运动特性的月球表面低扬尘高牵的引仿生步行轮。

背景技术

月球表面蕴藏着许多人类所需要的资源。随着全球资源的开采和能源的短缺，人们开始把目光转向太空中的其他星球。深空探测成为未来发展的必然趋势，深空探测技术也影响着一个国家的综合国力和地位。目前，世界上已经有许多国家成功完成了深空探测任务，然而由于月球表面都是由松散的沙土介质为主，有些深空探测器在松软地面的通过性差、车轮牵引力小，导致车轮沉陷和打滑而无法进行正常工作。车轮作为移动系统的关键性部件和唯一触地，它的性能的好坏直接决定移动系统的性能。

月尘是广泛分布在月球表面的微小颗粒，它具有粒径小、不规则、易飘散和易带电等特点。月尘很容易被扰动而飘散，当他附着在探测设备上时很容易造成探测设备的堵塞和磨损。而且由于他的粘附力特性和带电特性，它容易粘附在设备的表面，很难被清除，例如“Apollo”12号和15号的设备都受月尘的影响出现问题。随着深空探测工程的深入开展，我们发现，有效规避月尘对月球探测的危害，是我们月面探测所急需解决的问题。月球车在月面上行驶时，车轮扰动月面月尘，将月尘向后抛起，这是导致扬尘产生的主要原因之一。因此，采用工程仿生技术，设计一款月面低扬尘高牵引仿生步行轮胎面来有效减少扬尘的产生对月球探测工程的开展具有重要意义。

鸵鸟主要生活在沙漠和荒漠地带，鸵鸟在沙地环境中具有超强的奔跑能力和持久耐力。成年鸵鸟的体重60-160kg，能以为50-60公里/小时的速度持续奔跑30分钟，冲刺速度超过70公里/小时，跨步长度超过5m，是陆地上奔跑速度最快的两条腿动物。鸵鸟的二趾足是其具有优秀奔跑能力的关键，由于二趾足长期与沙地接触，进化形成的足底曲面具有良好的固沙限流的性能。鸵鸟的第三趾是主要的承重趾，鸵鸟第三趾在触地过程具有低速入沙、高速出沙的运动特性，对增大牵引抗沉陷具有显著效果。此外，趾甲位于鸵鸟足第三趾的最前面，最先与沙土进行接触，在奔跑过程中具有固着和增大牵引力的作用。因此，本设计将鸵鸟的足底曲面形貌、趾甲轮廓和第三趾的运动特性进行结合，融入到月面自适应仿生步行轮胎面的设计中，对月球车的牵引性和抑尘有明显提高。

中国发明专利一种弹性筛网月球车车轮(申请号：201510423276.5)的轮面采用了编织筛网结构，该筛网结构在松软的月面环境下牵引力有限，容易沉陷，并且筛网轮结构容易进灰、扬尘。中国发明专利一种仿鸵鸟足底三维曲面的仿生越沙车轮鼓形轮面(申请号：201420185633.X)是将鸵鸟足底曲面应用到整个轮面上，其轮面为连续刚性轮面。该轮面无法实现根据不同地面自适应调整，且牵引力小并不能有效降低扬尘。中国发明专利一种多姿态轮脚仿生越沙步行轮(申请号：201710354431.1)是将鸵鸟足趾的触沙姿态运用到步行轮结构设计中，通过多个轮脚连续触地来模仿鸵鸟的触沙姿态。但该轮面结构复杂、平顺性差，且不能有效降低扬尘。

采用工程仿生技术，以鸵鸟的足底曲面形貌、趾甲轮廓和第三趾的运动特性为仿生原型，设计了一种能根据不同的月面环境进行自适应调整的仿生步行轮。该仿生步行轮能够提高牵引力和地面通过性，并且可以有效的降低扬尘。

发明内容

本发明的目的是为了解决月球车车轮在月球表面牵引力有限，易沉陷、易扬尘等问题，设计了一种月球表面低扬尘高牵引的仿生步行轮。本发明能够根据月面情况进行自适应的调整轮刺的伸出，提高牵引力。同时，轮胎面形貌能够有效的固着月壤，从而降低扬尘。