本發(fā)明涉及一種可變直徑輪柔順變徑機構(gòu)的設(shè)計方法，屬于機構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

該柔順變徑機構(gòu)主要是為了實現(xiàn)可變直徑輪的直徑變化，目前這種機構(gòu)應用于一種新型月球車可變直徑輪與新型多棲移動平臺可變直徑輪。由于柔順變徑機構(gòu)主要依靠柔順鉸鏈的變形產(chǎn)生運動，可避免磨損，潤滑，密封等問題，使結(jié)構(gòu)輕便緊湊。例如公開號為cn101503044的發(fā)明專利申請公開了一種適用于可變直徑輪的機液聯(lián)動變徑輪架，然而這種變徑機構(gòu)并沒有一個系統(tǒng)、科學的設(shè)計方法，大都是根據(jù)經(jīng)驗和試驗進行設(shè)計，阻礙了該種機構(gòu)和可變直徑輪的進一步應用和推廣。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述存在的問題，本發(fā)明提出了一種可變直徑輪柔順變徑機構(gòu)的設(shè)計方法，是一種便捷可靠的能根據(jù)不同輪徑變化要求確定機構(gòu)尺寸參數(shù)的柔順變徑機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為依次按以下步驟進行：

步驟一、確定變徑機構(gòu)設(shè)計變量以及它們之間的運動幾何關(guān)系；

子步驟1：假設(shè)變徑過程中輪腿能夠保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性(輻桿保持等腰梯形形狀)，根據(jù)可變直徑輪張開和合攏兩個極限位置的幾何關(guān)系，由水平方向的投影相等可得：

子步驟2：將式(1)與式(2)相減得到：

則可得連接輪轂與輪腳的輻桿長度為：

子步驟3：將公式(4)代入公式(1)中，可得輻桿在輪腳上的安裝間距為：

子步驟4：綜上子步驟1至步驟3，可確定設(shè)計變量為：

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

其中β2為同一輪腿最大輪徑時兩側(cè)輻桿間的夾角，在最小車輪直徑時的夾角為β1；θ2為同一輪腿最大輪徑時兩側(cè)輻桿在齒圈的安裝點與輪心所夾圓心角，在最小車輪直徑時的圓心角為θ1，dcq為輪轂直徑。

步驟二、確定變徑機構(gòu)設(shè)計變量的約束條件；

邊界約束條件：

90°＜θ1＜180°(7)

0°＜β1＜90°(8)

0°＜β2＜90°(9)

0＜l(10)

0＜dcq(11)

輻桿在輪腳上的安裝間距約束：

60＜sl＜dminsin30°(12)

步驟三、確定變徑機構(gòu)設(shè)計目標并建立其優(yōu)化數(shù)學模型；

子步驟1：弧形輪腳外緣中點到安裝在輪腳的輻桿中點之間的徑向距離：

子步驟2：在合攏極限位置時，輪腳外緣中心點的實際徑向位移：

子步驟3：在張開極限位置時，輪腳外緣中心點的實際徑向位移：

子步驟4：目標函數(shù)f(θ1，β1，β2，dcq，θ2)按照使輪腳外緣中心點的實際徑向位移與給定徑向位移在張開和合攏兩個極限位置的誤差均方根最小來建立，其表達式為：

步驟四、給定初值，采用內(nèi)點法作為優(yōu)化算法求解該約束非線性規(guī)劃問題，得到機構(gòu)尺寸參數(shù)。

本發(fā)明比現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點：

目前針對可變直徑輪柔順變徑機構(gòu)的設(shè)計方法，主要根據(jù)經(jīng)驗，或者反復試驗然后驗證，再進行修改，最終確定該機構(gòu)的設(shè)計參數(shù)。因此，當可變直徑輪的輪徑變化需求改變時，需要反復修改原始機構(gòu)參數(shù)，整個設(shè)計過程耗時耗力。利用本發(fā)明提出的變徑機構(gòu)設(shè)計方法，不僅可以根據(jù)可變直徑輪輪徑變化需求，對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進行合理的優(yōu)化設(shè)計；也可以利用該方法的運動幾何關(guān)系方程為輪徑變化的控制提供理論指導；該方法能夠快速便捷地獲取最優(yōu)的機構(gòu)設(shè)計參數(shù)，具有較高的實用價值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種可變直徑輪柔順變徑機構(gòu)的設(shè)計方法操作流程圖。

圖2a、b為本發(fā)明的柔順變徑機構(gòu)在張開(圖2a)和合攏(圖2b)時的運動幾何關(guān)系圖。

圖3a、b為本發(fā)明的柔順變徑機構(gòu)單個輪腿在張開(圖3a)和合攏(圖3b)時的幾何關(guān)系圖。

具體實施方式

為更好的理解本發(fā)明，下面結(jié)合實例進行進一步的說明：

本發(fā)明的一種可變直徑輪柔順變徑機構(gòu)的設(shè)計方法，其操作流程如圖1所示，包括如下步驟：

步驟一、確定變徑機構(gòu)設(shè)計變量以及它們之間的運動幾何關(guān)系；

子步驟1：假設(shè)變徑過程中輪腿能夠保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性(輻桿保持等腰梯形形狀)，如圖2a、b，圖3a、b所示，根據(jù)可變直徑輪張開和合攏兩個極限位置的幾何關(guān)系，由水平方向的投影相等可得：

子步驟2：將式(1)與式(2)相減得到：

則可得連接輪轂與輪腳的輻桿長度為：

子步驟3：將公式(4)代入公式(1)中，可得輻桿在輪腳上的安裝間距為：

子步驟4：綜上子步驟1至步驟3，可確定設(shè)計變量為：

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

如圖2a、b，圖3a、b所示，其中β2為同一輪腿最大輪徑時兩側(cè)輻桿間的夾角，在最小車輪直徑時的夾角為β1；θ2為同一輪腿最大輪徑時兩側(cè)輻桿在齒圈的安裝點與輪心所夾圓心角，在最小車輪直徑時的圓心角為θ1，dcq為輪轂直徑。

步驟二、確定變徑機構(gòu)設(shè)計變量的約束條件；

邊界約束條件：

90°＜θ1＜180°(7)

0°＜β1＜90°(8)

0°＜β2＜90°(9)

0＜l(10)

0＜dcq(11)

輻桿在輪腳上的安裝間距約束：

60＜sl＜dminsin30°(12)

步驟三、確定變徑機構(gòu)設(shè)計目標并建立其優(yōu)化數(shù)學模型；

如圖2a、b，圖3a、b所示，給定具有六個輪腿的可變直徑輪，要求合攏時最小直徑dmin為240mm，張開時最大直徑dmax為400mm。

子步驟1：弧形輪腳外緣中點到安裝在輪腳的輻桿中點之間的徑向距離：

子步驟2：在合攏極限位置時，輪腳外緣中心點的實際徑向位移：

子步驟3：在張開極限位置時，輪腳外緣中心點的實際徑向位移：

子步驟4：目標函數(shù)f(θ1，β1，β2，dcq，θ2)按照使輪腳外緣中心點的實際徑向位移與給定徑向位移在張開和合攏兩個極限位置的誤差均方根最小來建立，其表達式為：

步驟四、給定初值x＝[θ1，β1，β2，dcq，θ2]＝[120°，60°40°，150，90°]，采用內(nèi)點法作為優(yōu)化算法求解該約束非線性規(guī)劃問題，得到機構(gòu)尺寸參數(shù)；如下表1：

表1。