一种新型沙地行走步行轮结构设计及仿真分析

为了提高草方格铺设设备在沙土介质环境下的工作性能,参照人的腿足行走情况和步行轮的工作原理,进行了步行轮行走受力分析,仿生设计了一种新型步行轮。通过多刚体动力学分析软件,对步行轮的干涉和行进进行了仿真,并对导出数据进行分析,验证了该步行轮行走的平顺性。可为其他需要在松软地面上运行的机器人或车辆研究提供参考。

步行轮机构原理

介绍一种用于软地面车辆的新型行走机构——步行轮的基本原理,所阐述的步行轮机构的运动学和动力学特点及理论分析结果,可为其开发应用和合理设计提供最基础的理论依据。

步行轮设计原则和方法

在步行轮研究过程中,曾多次设计试制步行轮样机。根据机构原理分析结果和设计试制实践,对步行轮的设计积累了一定经验。文中主要介绍关键结构参数的优选原则和方法,提出了满足步行轮双功率流传动的具体传动方案。

步行轮及步行轮拖拉机试验

介绍步行轮的室内动力性能试验和水田现场牵引试验简要情况与试验结果,对理论计算值与实测值作了相应比较。试验结果表明:步行轮在具有一定硬底层的软湿地面上行驶时具有减小阻力、增大驱动力的优点,其单轮行走效率达50～52％,整机牵引效率达40％以上。

基于张拉整体结构的变径步行轮结构设计

为克服普通车轮结构在非结构化地形上越障能力和腿式机器人在结构化地形上移动速度方面的不足,基于张拉整体结构自适应、自稳定、柔性的结构优势,提出一种创新型张拉变径步行轮式结构。通过分析两杆三索平面张拉整体结构,设计出该变径步行轮的基本张拉步行单元,结合最小势能原理对张拉变径步行单元进行运动学分析,利用Matlab得出步行轮结构参数和张拉变径步行轮展收比。在此基础上,通过张拉变径步行轮展收比最优原则确定步行轮轮毂结构和传动限位机构,利用Catia软件建立张拉变径步行轮的结构模型;构建Adams步行轮构仿真模型,确定张拉变径步行轮的运动姿态特征并进行运动学仿真模拟分析,得到张拉变径步行轮半径随时间变化规律。仿真结果表明,设计出的张拉变径步行轮能够实现在不同环境下稳定行走,可以在轮式模式和步行模式中进行模式转换,从而证明了提出方法的有效性和理论模型的正确性。

自适应低振动步行轮仿生设计与性能分析

为提高具有高通过性的步行轮平顺性,基于鸵鸟足运动姿态与跖趾关节储能减振机理,运用工程仿生学原理与技术,设计了一种仿生自适应低振动步行轮。有限元数值模拟结果表明,轮上载荷30 N,角速度10(°)/s情况下,相比于传统步行轮,仿生步行轮轮心波动范围在软路面和硬路面分别降低了85.71%和93.33%。采用轻载荷月壤/车轮土槽测试系统验证了仿生步行轮的减振性能。当滑转率小于40%时,仿生步行轮的挂钩牵引力均大于传统步行轮;当滑转率大于40%,且仅在角速度为20(°)/s时,仿生步行轮的挂钩牵引力才小于传统步行轮,表明仿生步行轮在松软地面具有较好的牵引通过性。同时,相比于传统步行轮,当角速度为30(°)/s时,仿生步行轮在软路面和硬路面的加速度分别减少了6.3%和15.8%,振幅分别减小了14.6%和9.6%。在保证松软地面优越牵引通过性能前提下,仿生步行轮比传统步行轮的轮心波动更小,振动明显降低,有效解决了步行轮多边形效应引起的振动问题。

松软土壤上步行轮式气垫车功率优化的研究

通过对步行轮式气垫车在松软土壤上运行状态的分析，首次提出了该种车辆最佳飞高的定义，得到了随土壤条件变化时功率消耗模型，并求出了功率消耗的最优点。为步行轮式气垫车在松软土壤上的功率自适应控制打下一定基础。

步行轮式气垫车车轮及围裙转向阻力矩研究

研究了步行轮式气垫车在软路面行驶转向时，插入土壤的车轮与土壤间相互作用以及围裙系统与地面干涉产生的转向阻力矩。提出了车辆转向时，车轮转向阻力矩及围裙转向阻力矩的数学模型。

步行轮轮脚与土壤相互作用动力学

对步行轮轮脚与土壤相互作用的动力学进行了理论分析,运用土力学中的被动土压力理论推导了描述步行驱动力、滚动阻力、支承力和行走效率的数学模型;从而为优化步行轮主要参数和预测步行轮的牵引附着性能提供了理论依据。

可变直径滚轮式步行轮设计

步行轮具有出色的越障能力,受到科研工作者的重视和研究。为越过障碍物范围更广,行走机构设计成可变直径为佳,通过拟定设计要求,提出变直径方案,利用ANSYS对其进行结构分析,并试制出样机。通过实验证明,该步行轮可变直径广,结构简单,安全可靠。

步行轮轮脚与土壤相互作用运动学

在推导步行轮轮脚运动轨迹方程和包络线方程的基础上,分析了步行轮在软地面上行驶时轮脚刺孔的形状和大小、包络线的长度和位置以及驱动面接触线长度的影响因素和计算方法,为动力性能的分析提供了依据和基础。

步行轮式气垫车行驶阻力研究

该文对步行轮式气垫车由步行轮及围裙系统产生的行驶阻力进行了理论分析，并对气垫车围裙系统产生的地面干扰阻力进行了试验研究，为步行轮式气垫车动力性能分析及气垫车设计奠定了基础。

步行轮式气垫车的需求功率匹配

在对模型车试验的基础上，提出了步行轮式气垫车系统需求功率匹配模型和最佳匹配关系的概念。通过速度品质系数和载荷品质系数将垫升和驱动需求功率比与运输效率建立了联系，并且对最佳需求比进行了初略估计。结果表明在一定的车速、土壤条件和载荷下，步行轮存在着一个合适的入土深度，此时总需求功率最小，而此时的功率匹配和载荷匹配关系则是最佳的。

基于两杆三索张拉整体结构的可变径柔性步行轮设计

为发挥轮式机器人移动速度快和腿式机器人机动性能强的优势,提出一种可实现轮式和腿式切换的新型张拉变径步行轮。通过对两杆三索平面张拉整体结构中拉压构件的等效替换,提出了一种新型张拉整体结构。在此基础上,给出了张拉变径步行轮的基本单元结构、单元连接方法和最优轮毂数。为克服由于自由度多导致刚性差的缺点,给出了张拉变径步行轮自由度约束的方法和弹性构件等效集成方式,从而使得张拉变径步行轮装配简单、运动平稳以及可负载支撑。结合最小势能原理对张拉变径步行轮张拉单元进行运动学分析,得到了张拉变径步行轮的结构参数和展收比。通过实验,对张拉变径步行轮各项功能的可实现性进行了验证。

一种内啮合分置腿式步行轮及其运动特性

针对二级半转机构步行轮结构比较复杂的不足,提出基于半转机构的内啮合分置腿式步行轮方案,改转臂的外啮合传动为内啮合传动,同时采用腿杆分置。该步行轮的腿杆长与定轮直径的选择不受限制,拓展了步行轮适应性设计范围。对内啮合分置腿式步行轮的基本运动规律进行研究,提出位置参数的确定方法,计算足点坐标与步长,建立主轴运动方程;对内啮合分置腿式半转步行轮的行走起伏度进行分析,提出评价起伏度的一个指标——单位步长相对起伏度,得出腿杆长度与定轮半径的比值介于10与20之间时起伏度比较合理,可作为步行轮结构优化设计时确定腿杆长度与定轮直径的约束条件。

步行轮式气垫车设计与研制

步行轮式气垫车是为解决特殊软地面通过性而研制的一种新型运输工具。本文阐述了步行轮式气垫车与常规车辆设计的不同之处，总结了研制过程的主要技术问题。

步行轮式气垫车平顺性研究

分析了步行轮式气垫车气垫系统悬架起伏刚度的影响因素和步行轮、半步行轮对步行轮式气垫车振动的激励特性。文章还介绍和分析了步行轮式气垫车平顺性试验研究结果。

一种新型行走机构──机械传动式步行轮的研究

本文简要介绍了一种新型的行走机构──机械传动式步行轮的研究工作。新型步行轮通过偏心轮的转动带动轮腿的伸缩，保持轮心到地面的高度不变，从而使车辆在具有一定的硬底层的软湿地面行驶时振动小、车身平稳。

步行轮机构及运动控制方案

本文提出了两种智能步行轮的腿机构，对机构的运动特性进行研究，详细讨论了在各种道路条件下实现智能步行轮预定运动规迹的控制方式和控制规律．以及机构设计参数对控制规律的影响．

不用橡胶的拖拉机步行轮

拖拉机橡胶轮胎既消耗稀奇资源橡胶。时见打滑又浪费能源而影响作业,还有经常充气甚至爆胎、补胎的烦恼。对此,科技人员都在苦寻新的出路。最近得知，农机出身的新疆大学工学院研究员王湔在其原有专利“步行轮”基础上,进一步简化结构,完成一项完全不用橡胶而用钢构件且有弹性的拖拉机驱动轮。