具有宏微觀力測試功能的行星探測車車輪及受力測試方法
【專利摘要】具有宏微觀力測試功能的行星探測車車輪及受力測試方法，涉及一種力學系統(tǒng)測試方法。實現了對星球探測車車輪的力學性能的測量，本發(fā)明的滑環(huán)的內環(huán)與六維力傳感器的一側同軸固定連接，六維力傳感器該側與車輪本體中心立面固定連接，且六維力傳感器與車輪本體同軸連接，滑環(huán)外環(huán)與滑環(huán)適配器固定連接，六維力傳感器的另一側與輪軸適配器的一側端面固定連接，薄膜壓力傳感器的壓力信號輸出端連接無線信號發(fā)射電路信號輸入端。六維力傳感器和薄膜壓力傳感器對車輪的宏微觀受力進行測量，獲得模擬行星土壤作用在車輪上的法向力、掛鉤牽引力、側向力、旋轉電機驅動力矩和輪地接觸區(qū)域的正應力分布。本發(fā)明適用于作為行星探測車車輪測量車輪的受力情況。
【專利說明】具有宏微觀力測試功能的行星探測車車輪及受力測試方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種力學系統(tǒng)測試方法。

【背景技術】
[0002]星球探測車車輪力學測試試驗是將車輪從車體中剝離出來，單獨構建出車體的運行狀況，在實驗的條件下模擬測試得到車輪在實際運行狀態(tài)下的應力狀況，用于車輪地面力學理論驗證以及分析。實驗的基本原理是控制車輪的前進速度、轉動速度以及側偏角度，同時通過調節(jié)配重塊模擬車輪在星球上的受力狀況，在此基礎上進行車輪地面力學性能的測試。實驗的主要目的是:通過測試車輪與地面作用的力學性能，進而估計車輪在特定地面運行的性能，為星球車車輪的設計提供理論依據，為星球車適應復雜的星球環(huán)境及優(yōu)化整車的控制方案提供輸入。根據實驗目的，車輪性能測試系統(tǒng)至少應包含兩部分，一部分是星球表面環(huán)境的模擬，一部分是車輪力學性能的數據采集系統(tǒng)。實驗環(huán)境的模擬主要包括:重力環(huán)境的模擬，這部分主要通過調節(jié)配重塊來解決；地面環(huán)境的模擬，這部分主要通過在土槽中放置不同的模擬星壤來實現；運行狀態(tài)的模擬，這部分主要由控制系統(tǒng)中的前進電機,拖拽電機,轉向電機實現。力學性能的采集主要由測試系統(tǒng)完成,測試系統(tǒng)主要由電機編碼器記錄運動學狀況；由扭矩傳感器，六維力傳感器以及薄膜壓力傳感器記錄受力狀況；時序由系統(tǒng)時鐘測量。
[0003]在車輪的傳統(tǒng)設計中，一般只包含了對封裝等效之后的力的測量，并不能直接測得輪地相互作用的微觀力學信息，這種方式在研究初期能夠滿足要求。隨著技術的不斷發(fā)展，對系統(tǒng)掌控程度的需求逐漸變得明顯，因此需要解開封裝并深入到直接受力以及微觀受力的層面進行研究。


【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明是為了實現對星球探測車車輪的力學性能的測量，從而提出一種具有宏微觀力測試功能的行星探測車車輪及受力測試方法。
[0005]本發(fā)明所述的具有宏微觀力測試功能的行星探測車車輪，該車輪包括滑環(huán)適配器固定裝置、左端蓋、滑環(huán)適配器、車輪本體、η個薄膜壓力傳感器、滑環(huán)、六維力傳感器、輪軸適配器、輸入軸、右端蓋和無線信號發(fā)射電路；其中η為大于或等于4的整數；
[0006]滑環(huán)的內環(huán)與六維力傳感器的一側同軸固定連接，六維力傳感器該側與車輪本體中心立面固定連接，且六維力傳感器與車輪本體同軸連接，滑環(huán)穿過車輪本體的中心通孔，滑環(huán)外環(huán)與滑環(huán)適配器固定連接，滑環(huán)適配器的另一端穿過左端蓋與滑環(huán)適配器固定裝置固定連接，
[0007]六維力傳感器的另一側與輪軸適配器的一側端面固定連接，輪軸適配器的另一側與輸入軸的一端同軸連接，輸入軸的另一端穿過右端蓋的中心圓孔與行星探測車的前進電機輸出軸固定連接，車輪本體的外表面沿車輪的徑向方向銑有η個凹槽，η個薄膜壓力傳感器固定在車輪本體的外表面的凹槽內，無線信號發(fā)射電路固定在車輪本體的中間立面上，薄膜壓力傳感器的壓力信號輸出端連接無線信號發(fā)射電路信號輸入端。
[0008]采用上述具有宏微觀力測試功能的行星探測車車輪的宏微觀受力測試方法，該方法的具體步驟為:
[0009]步驟一、將安裝完成的車輪安裝到車輪性能測試臺上進行配重測量，當配重符合測量閾值時，執(zhí)行步驟二，否則進行增加或減小配重，直至配重符合測量閾值再執(zhí)行步驟-* ;
[0010]步驟二、通過車輪性能測試臺上的升降裝置，使車輪完全落在土壤上，模擬車輪在行星上的真實運行環(huán)境；
[0011]步驟三、六維力傳感器和η個薄膜壓力傳感器，對車輪的宏微觀受力進行測量，獲得模擬行星土壤作用在車輪上的法向力、掛鉤牽弓丨力、側向力、旋轉電機驅動力矩和輪地接觸區(qū)域的正應力分布完成車輪力學性測試。
[0012]本發(fā)明能夠測量土壤直接作用在車輪上的力和力矩，可以與車輪性能測試臺中原有的六維力傳感器進行相互校核，同時能夠采集車輪表面與土壤接觸區(qū)域的應力分布，能夠提供星球車車輪與土壤相互作用的微觀應力模型。直接測得輪地相互作用的力學信息。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明所述的具有宏微觀力測試功能的行星探測車車輪結構示意圖；
[0014]圖2為圖1的右視圖示意圖；
[0015]圖3為圖1的左視圖示意圖；
[0016]圖4為本發(fā)明所述具有宏微觀力測試功能的行星探測車車輪內部安裝結構的剖視圖。

【具體實施方式】
[0017]【具體實施方式】一、結合圖1、圖2和圖3說明本實施方式，本實施方式所述的具有宏微觀力測試功能的行星探測車車輪，該車輪包括滑環(huán)適配器固定裝置1、左端蓋2、滑環(huán)適配器3、車輪本體4、η個薄膜壓力傳感器5、滑環(huán)6、六維力傳感器7、輪軸適配器8、輸入軸9、右端蓋10和無線發(fā)射電路；其中η為大于或等于4的整數；
[0018]滑環(huán)6的內環(huán)與六維力傳感器7的一側同軸固定連接，六維力傳感器7的該側與車輪本體4的中心立面固定連接，且六維力傳感器7與車輪本體4同軸連接，滑環(huán)6穿過車輪本體4的中心通孔，滑環(huán)6的外環(huán)與滑環(huán)適配器3固定連接，滑環(huán)適配器3的另一端穿過左端蓋2與滑環(huán)適配器固定裝置I固定連接，六維力傳感器7的另一側與輪軸適配器8的一側端面固定連接，輪軸適配器8的另一側與輸入軸9的一端同軸連接，輸入軸9的另一端穿過右端蓋10的中心圓孔與前進電機的輸出軸固定連接，車輪本體4的外表面沿車輪的徑向方向銑有η個凹槽，η個薄膜壓力傳感器5固定在車輪本體4的外表面的凹槽內，無線信號發(fā)射電路固定在車輪本體4中間立面上，薄膜壓力傳感器5的壓力信號輸出端連接無線發(fā)射電路信號輸入端。
[0019]本實施方式所述的無線發(fā)電路的電磁波是微波，也稱高頻電波(通過不同物質時，電磁波會發(fā)生折射、反射、繞射、散射及吸收等等，大家熟知的雷達是利用電磁波的反射特性，進行物體的定位)，利用電磁波的繞射特性，分別在左右擋板的中心位置開孔。對于無線發(fā)射模塊的無線發(fā)射頻率f是2.4GHZ，根據如下式所示的光速計算公式，計算出無線發(fā)射電波的波長λ，左右擋板的中心孔直徑取無線波長的一半，計算出中心孔的直徑為
6.25cm,為了更好的輸出無線信號,我們把左右擋板的中心孔直徑定為100mm。
r ? , c 3 x10s
[0020]/I = — =-r
L 」f 2.4 X19
[0021]考慮到使用金屬擋板在任何條件下都會削弱無線信號，而且控制臺距離車輪測試臺存在一定的距離，會進一步削弱無線信號強度，降低數據傳輸的可靠性，并且限制最大采樣率。為了盡量提高測試性能，將左右兩個擋板的材料更換為有機玻璃，如此既能夠滿足車輪的強度要求，又能夠消除擋板對無線信號的衰減作用，達到高速采樣的性能要求，原本設計的中心孔保留，現在的作用是安裝軸。
[0022]星球探測車宏微觀受力測試車輪通過六維力傳感器與前進電機輸出軸進行連接，該六維力傳感器屬于特殊定制，為了實現和原有試驗臺的良好連接并且適宜更換，此處使用輪軸適配器，通過輪軸適配器與輸入軸相連，驅動測試車輪轉動，為防止車輪在軸向方向移動，在輪軸適配器的圓周方向上，開通螺紋孔，通過緊定螺釘進行軸向固定。為了將六維力傳感器信號傳遞到控制電腦，在六維力傳感器另一側安裝有滑環(huán)，滑環(huán)通過螺栓與六維力傳感器固定連接，為防止滑環(huán)隨車輪一起轉動，設計滑環(huán)適配器和滑環(huán)適配器固定裝置，滑環(huán)適配器通過螺釘與滑環(huán)外環(huán)固定，滑環(huán)適配器的固定器與測試臺上的非旋轉裝置相連。為了保證六維力傳感器與輪軸適配器同軸，在輪軸適配器中設計出凸臺，安裝與六維力傳感器中心安裝孔配合，設計時考慮如果將六維力傳感器的X軸能垂直通過薄膜壓力傳感器母線，將會極大方便數據后處理，因此在車輪本體中心立面設計定位銷，用于確定六維力傳感器的周向安裝關系。
[0023]滑環(huán)適配器與滑環(huán)適配器的固定裝置設計成分開的形式，是為了避免滑環(huán)適配器在安裝過程中，與車輪性能測試臺的其他設備發(fā)生干涉，兩者用用螺紋連接。
[0024]薄膜壓力傳感器采用應變片實現，應變片的固定，如果用雙面膠粘接應變片，應變片與的土壤的相互作用，會影響雙面膠的性能，嚴重者可能會造成雙面膠的失效，使得應變片在車輪運行過程中脫離車輪表面?，F對應變片的安裝方式進行改進，采用工業(yè)用膠對應變片進行固定和車輪開口槽的密封。
[0025]無線發(fā)射器的固定，無線發(fā)射器的包裝殼不提供機械安裝接口，并且對于內部成型的電路板不能進行二次機械加工，所以采用尼龍粘扣的固定方法將無線發(fā)射器固定在車輪本體的中間立面上。無線發(fā)射器安裝到車輪內部以后，正常情況下無需更換，如果在使用一段時間后發(fā)現無線發(fā)射裝置有問題，可以直接把無線發(fā)射裝置摘下來，進行更換和維修。
[0026]在車輪的左右端面還設計有保護端蓋，防止車輪在土壤中運行的過程中，大量土壤顆粒進入到車輪內部，對實驗設備造成不良影響，因此需要對內部器件做一定的保護。車輪的內部安裝結構的剖視圖如圖4所示。
[0027]【具體實施方式】二、本實施方式是對【具體實施方式】一所述的具有宏微觀力測試功能的行星探測車車輪的進一步說明，它還包括數據存儲器，所述數據存儲器的數據信號輸入端經過數據線連接六維力傳感器7的信號輸出端。
[0028]所述數據線穿過滑環(huán)6的外環(huán)對六維力傳感器的信號傳輸給數據存儲器。
[0029]【具體實施方式】三、本實施方式是對【具體實施方式】一所述的具有宏微觀力測試功能的行星探測車車輪的進一步說明，它還包括計算機和無線接收電路，計算機的六維力信號輸入端連接六維力傳感器7的信號輸出端，無線接收電路與無線發(fā)射電路之間進行無線數據傳輸，無線接收電路的信號輸出端連接計算機的車輪壓力信號輸入端。
[0030]本實施方式將車輪力學性能測試系統(tǒng)中六維力傳感器7和薄膜壓力傳感器5采集的兩個信號同時傳遞給計算機，通過計算機對直接采集的信號進行處理分析。
[0031]【具體實施方式】四、采用【具體實施方式】一所述的具有宏微觀力測試功能的行星探測車車輪進行受力測試的方法，該方法的具體步驟為:
[0032]步驟一、將安裝完成的車輪安裝到車輪性能測試臺上進行配重測量，當配重符合測量閾值時，執(zhí)行步驟二，否則進行增加或減小配重，直至配重符合測量閾值再執(zhí)行步驟-* ;
[0033]步驟二、通過車輪性能測試臺上的升降裝置，使車輪完全落在土壤上，模擬車輪在行星上的真實運行環(huán)境；
[0034]步驟三、六維力傳感器7和η個薄膜壓力傳感器5，對車輪的受力進行測量，獲得模擬行星土壤作用在車輪上的法向力、掛鉤牽引力、側向力、旋轉電機驅動力矩和輪地接觸區(qū)域的正應力分布完成車輪力學性測試。
【權利要求】
1.具有宏微觀力測試功能的行星探測車車輪，其特征在于，該車輪包括滑環(huán)適配器固定裝置(I)、左端蓋(2)、滑環(huán)適配器(3)、車輪本體(4)、n個薄膜壓力傳感器(5)、滑環(huán)(6)、六維力傳感器(7)、輪軸適配器(8)、輸入軸(9)、右端蓋(10)和無線信號發(fā)射電路；其中η為大于或等于4的整數； 滑環(huán)￠)的內環(huán)與六維力傳感器(7) —側的中心同軸固定連接，六維力傳感器(7)該側與車輪本體(4)的中心同軸固定連接，滑環(huán)(6)貫穿車輪本體(4)的中心通孔并延伸出車輪本體(4)的左側面，滑環(huán)(6)的外環(huán)與滑環(huán)適配器(3)固定連接，滑環(huán)適配器(3)的另一端穿過左端蓋(2)中心的通孔與滑環(huán)適配器固定裝置(I)固定連接； 六維力傳感器(7)的另一側與輪軸適配器(8)的一側端面固定連接，輪軸適配器(8)的另一側與輸入軸(9)的一端同軸連接，輸入軸(9)的另一端穿過右端蓋(10)的中心通孔與行星探測車的前進電機輸出軸固定連接； 車輪本體(4)的外表面沿車輪的徑向方向銑有η個凹槽，η個薄膜壓力傳感器(5)固定在車輪本體(4)的外表面的凹槽內，無線信號發(fā)射電路固定在車輪本體(4)的中間立面上，薄膜壓力傳感器(5)的壓力信號輸出端連接無線信號發(fā)射電路信號輸入端。
2.根據權利要求1所述的具有宏微觀力測試功能的行星探測車車輪，其特征在于，它還包括數據存儲器，所述數據存儲器的數據信號輸入端經過數據線連接六維力傳感器(7)的信號輸出端。
3.根據權利要求1所述的有宏微觀力測試功能的行星探測車車輪，其特征在于，它還包括計算機和無線接收電路，計算機的六維力信號輸入端連接六維力傳感器(7)的信號輸出端，無線接收電路與無線發(fā)射電路之間進行無線數據傳輸，無線接收電路的信號輸出端連接計算機的車輪壓力信號輸入端。
4.采用權利要求1所述的具有宏微觀力測試功能的行星探測車車輪測試車輪進行受力測試的方法，其特征在于該方法的具體步驟為: 步驟一、將安裝完成的車輪安裝到車輪性能測試臺上進行配重測量，當配重符合測量閾值時，執(zhí)行步驟二，否則進行增加或減小配重，直至配重符合測量閾值再執(zhí)行步驟二 ； 步驟二、通過車輪性能測試臺上的升降裝置，使車輪完全落在土壤上，模擬車輪在行星上的真實運行環(huán)境； 步驟三、六維力傳感器(7)和η個薄膜壓力傳感器(5)，對車輪的受力進行測量，獲得模擬行星土壤作用在車輪上的法向力、掛鉤牽引力、側向力、旋轉電機驅動力矩和輪地接觸區(qū)域的正應力分布完成車輪力學性測試。
【文檔編號】G09B23/10GK104132763SQ201410400516
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年8月14日 優(yōu)先權日:2014年8月14日
【發(fā)明者】鄧宗全, 丁亮, 郭軍龍, 高海波, 王圣軍, 李楠 申請人:哈爾濱工業(yè)大學