一种仿生行走式气垫运载平台 【技术领域】
本发明涉及一种仿生行走式气垫运载平台，利用气垫垫升技术使运载平台呈全悬浮状态而大大减小运移阻力，利用前后平台间设置的推拉油缸实现推拉行走，有效解决了在软湿地面上运载机械的通过性问题。适用于油田、海涂、沼泽等常规车辆无法进入的地带，实现重型物件的运移。
背景技术
现有各种常规车辆在沼泽、海涂、湿地等软湿地域上行驶或作业时，都无例外地存在着严重下沉、打滑和粘土等现象，致使车辆的通过性差、行走效率低、能耗大，甚至无法行走。为了改善车辆在软湿地面上行驶的通过性能，国外曾研制过轮式、履带式等气垫车，但其行走机构(车轮或履带)仍存在粘土严重、行走阻力大的问题。
20世纪90年代，我国吉林工业大学的土壤一车辆系统力学研究室曾先后进行过步行轮式气垫车、半履带式气垫车等的模型试验研究(战凯等，“步行轮式气垫车的开发与应用”，农业机械学报，1990，Vol.21(3)，pp.90-93；罗哲等，“软地面半履带气垫车设计原则与分析”，农业机械学报，1999，Vol.30(4)，pp.5-8)，试图利用气垫技术使车辆呈半悬浮状态，借以减小行走机构的承载量，避免其在软湿地面上的严重下陷。然而，这种半悬浮状态的气垫车仍然是靠行走机构(车轮或履带或步行轮)与土壤相互作用所产生的推进力来实现正常行驶的，因此，其行走机构的严重粘土、打滑和行走效率不高等问题仍然没有得到根本性的解决。
【发明内容】
本发明提供的仿生行走式气垫运载平台，从根本上免去了与土壤直接相互作用的常规行走机构及其所带来的麻烦，从而大大提高了运载机构在软湿地面上的通过性和行走效率。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种仿生行走式气垫运载平台，包括前平台、后平台、围裙、前平台风机、后平台风机、推拉机构、液压控制系统和锚地机构；所述前平台和后平台周边分别设置气垫围裙，前平台和后平台上分别装有前平台风机和后平台风机，分别为前后平台和后平台提供垫升所需的空气流量和气压，前平台和后平台上还分别设有液压控制的锚地机构，前平台和后平台通过推拉机构相连；在前平台和后平台上还设有液压控制系统，推拉机构与设置在前平台和后平台的液压控制系统连接；
前平台和后平台上都分别设有两个錨趾，同一平台的两錨趾依次通过滑杆、提升销和杠杆连接到第一锚地机构油缸或第二锚地机构油缸，滑杆和提升销设在导向套内，导向套内的提升销设有缓冲弹簧；
所述推拉机构包括两个油缸体和两个油缸杆、六个铰销、两个球铰链和两根弹性斜撑杆；油缸体和油缸杆配合，油缸体和弹性斜撑杆用铰销与前平台端部相连，两油缸杆则通过球铰链与后平台端部相连，两根弹性斜撑杆还通过铰销分别与两个油缸体连接；
所述弹性斜撑杆包括调节螺纹、弹簧套筒、预压力弹簧、套筒盖和中心杆；中心杆两端分别与两个球铰链连接，中心杆中部设有弹簧套筒，弹簧套筒内设有预压力弹簧，弹簧套筒一端外侧与铰链连接的中心杆是断开的，与铰链连接的一段中心杆设有调节螺纹，可使中心杆的长度调整；
所述液压控制系统的油罐分别与第一油泵、第二油泵和第三油泵相连，第一油泵、第二油泵和第三油泵分别通过第一安全阀、第二安全阀和第三安全阀和第一电磁换向阀、第二电磁换向阀和第三电磁换向阀相连；第一电磁换向阀与第一推拉油缸连接，第三电磁换向阀相连与第二推拉油缸连接；第二电磁换向阀分别与第一锚地机构油缸和第二锚地机构油缸连接。
所述第一油泵、第二油泵和第三油泵都为三连式同轴驱动的齿轮油泵。
所述錨趾呈十字形。
本发明仿生行走式气垫运载平台的基本结构和行走机理：采用前后气垫平台间两个推、拉油缸用铰销和球铰链分别与之相连，前后平台上各设有风机、锚地机构和液压系统。行走时，风机为气垫平台提供垫升气压和流量，使之呈悬浮状态；液压系统为推、拉油缸和锚地机构油缸提供动力，并通过对电磁换向阀的控制，使前后平台交替锚地和交替推拉，从而实现气垫平台的运载行驶(前进、倒退、转向)。
相对于现有技术，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)实现了在湿软路面上的自行走的独特方式；采用前后两个结构和尺寸相同的气垫平台，其间两个推、拉油缸用铰销和球铰链分别与之相连，液压系统为推、拉油缸和锚地机构油缸提供动力，并通过对电磁换向阀的控制，使前后平台交替锚地和交替推拉，从而实现气垫平台的运载行驶。
(2)由于克服了传统行走机构的下沉打滑和粘土等严重问题，提高了行走效率；前后平台上各设有风机、锚地机构和液压系统，风机为气垫平台提供垫升气压和流量，这样利用气垫垫升技术使运载平台呈全悬浮状态而大大减小运移阻力，从根本上免去了与土壤直接相互作用的常规行走机构及其所带来的麻烦，从而大大提高了运载机构在软湿地面上的通过性和行走效率。
(3)气垫结构和行走系统的恰当配合，提高了承载重量；由于气垫结构的配合，借垫升作用减少了行走系统的承载量，也即通过垫升气压和流量控制可以大大提高整个运载平台的承载重量。
(4)巧妙地解决了仿生行走时的各种操纵问题和控制问题。在结构上采用双气垫平台形式，连接两平台的推拉机构和各个子平台上的锚地机构由液压系统控制，同过推拉油缸的伸缩实现两个子平台的交替动作，仿照了生物中蚯蚓、毛虫的运动形式(蠕动式，这里称“推拉式”)行进。弹性斜撑杆的作用是防止由于运动子平台前进时与固定子平之间出现的错位而影响车辆行驶的稳定性。
【附图说明】
图1a为仿生行走式气垫运载平台总体构造主视图；
图1b为图1a的俯视图；
图2为锚地机构结构原理图；
图3为推拉机构结构原理图；
图4为弹性斜撑杆的结构示意图；
图5为液压系统组成和工作原理图。
具体实施方案
以下通过实施例和附图对本发明作进一步说明，但需要说明的是具体实施方式并不构成对本发明要求保护范围地限制。
如图1a和图1b所示，仿生行走式气垫运载平台设前平台1和后平台7，两平台尺寸和结构相同，前平台1和后平台7周边分别设置气垫围裙6，两个平台上分别装有前平台风机5和后平台风机8，分别为前后平台1和后平台7提供垫升所需的空气流量和气压，两平台间用两个油缸组成的推拉机构2相连。在前平台1和后平台7上还设有液压控制系统3。推拉机构2与设置在前平台1和后平台7的液压控制系统3连接。前平台1和后平台7上还分别设有液压控制的锚地机构4。
气垫围裙6采用单个围裙指的形式一个紧挨一个地安装在平台的硬质周边上，使围裙的下沿对地面具有良好的仿形性。具体设计采用的是囊指式围裙(参见恽良编写的气垫船原理与设计，P166-170，国防工业出版社，1990.06出版)；前平台上的风机5和后平台风机8分别向平台底面——围裙——地面所构成的空腔供入所需的空气流量和气压，使两气垫平台升离地面呈悬浮状态，从而大大减小它们在软湿地面上的行走阻力。行走时，必须将某一平台的锚地机构錨趾插入土壤，使之成为基础平台，为推、拉另一平台提供足够的附着力。通过液压系统驱动和控制，可使前后平台交替锚地的同时，推拉油缸交替推拉，从而实现前推、后拉的仿生行走方式气垫运载平台的前进、倒退和转向的正常行驶。
锚地机构的结构原理如图2所示，前平台1和后平台7上都分别设有两个錨趾17，同一平台的两錨趾17通过依次滑杆16、提升销14和杠杆13连接到同一油缸上(第一锚地机构油缸42或第二锚地机构油缸43)，第一锚地机构油缸42或第二锚地机构油缸43中的油缸杆的伸缩使两錨趾同步插入土壤或提离地面。滑杆16和提升销14设在导向套15内，导向套15内的提升销14设有缓冲弹簧18，避免可能遇到的难以插入的硬质土壤而产生过载或损坏。錨趾17呈十字形，具有较好的抓地和抗侧飘的能力。同一平台的两錨趾17的间距可为平台的转向运动提供反作用力矩。
当推、拉某一平台时，必须将另一平台作为基础平台，使之为产生所需的推、拉力、转向力矩提供条件(即提供所需的反作用力和力矩，又称附着条件)。锚地机构由液压油缸提供动力，并通过液压系统换向阀的控制，使前后平台交替锚地的同时，推拉油缸交替推拉平台，从而实现气垫运载平台的正常行驶。
如图3所示，前平台1和后平台7间的推拉机构2包括两个油缸体21和两个油缸杆22、六个铰销25、两个球铰链23和两根弹性斜撑杆24；油缸体21和油缸杆22配合，油缸体21和弹性斜撑杆24用铰销25与前平台端部相连，两油缸杆22则通过球铰链23与后平台端部相连，两根弹性斜撑杆24还通过铰销25分别与两个油缸体21连接。
推拉机构中弹性斜撑杆是实现推拉气垫平台正确行驶的关键技术，如图4所示，弹性斜撑杆24包括调节螺纹31、弹簧套筒32、预压力弹簧33、套筒盖34和中心杆35；中心杆35两端分别与两个球铰链23连接，中心杆35中部设有弹簧套筒32，弹簧套筒32内设有预压力弹簧33，弹簧套筒32一端外侧与铰链23连接的中心杆是断开的，与铰链23连接的一段中心杆设有调节螺纹31，可使中心杆的长度调整，调整的幅度为δ。由图4可知，该弹性斜撑杆具有拉压双向作用的特点，当外拉力大于弹簧的预压缩力时，斜撑杆伸长，直至预压缩弹簧的剩余压缩量全部消失。当外压力大于弹簧的预压缩力时，斜撑杆缩短，直至预留的δ值全部消失。δ值可调，其大小根据不同地表状况的最大转向阻力估算确定。
无斜撑杆的推拉机构是一种非稳态机构，任何横向力的作用都会使运动平台产生横向飘移而无法正常行驶。如果采用全刚性斜撑杆，则两推拉油缸前后端点(与前后平台的铰接点)所构成的矩形，只允许两油缸同步伸缩，亦即只能实现气垫平台前进或倒退的直线行驶。因此，为了既满足直线行驶又满足转向行驶的要求，必须设置具有一定预压缩的弹性斜撑杆，其预压缩力的大小根据直线行驶时的受力分析和计算确定。在外部阻力不足以使斜撑杆的预压缩弹簧变形时，斜撑杆可视为刚性，以此满足直线行驶的要求。转向时，前后平台纵轴线间形成的折角，必须靠两推拉油缸杆的位移差来实现。这时两油缸前后端点形成的四边形不再是矩形，其角度关系取决于转向角(或折角)的大小，并在转向过程中随两油缸位移差的变化而变化。当转向阻力较大时，内侧斜撑杆的预压缩弹簧压缩到最大位移，成为刚性斜撑杆；而外侧斜撑杆仍处于弹性状态(可视为虚约束)，两只油缸可独立伸缩。弹性斜撑杆的最大变形量是按转向时内侧油缸取零位移，外侧油缸取最大位移的几何条件设计的。
如图5所示，液压控制系统包括第一推拉油缸41、第二推拉油缸44，第一锚地机构油缸42、第二锚地机构油缸43、第一油泵45、第二油泵46、第三油泵47、第一安全阀48、第二安全阀49、第三安全阀50、第一电磁换向阀51、第二电磁换向阀52和第三电磁换向阀53；油罐分别与第一油泵45、第二油泵46和第三油泵47相连，第一油泵45、第二油泵46和第三油泵47分别通过第一安全阀48、第二安全阀49和第三安全阀50和第一电磁换向阀51、第二电磁换向阀52和第三电磁换向阀53相连，第一电磁换向阀51与第一推拉油缸41连接，第三电磁换向阀53相连与第二推拉油缸44连接，第二电磁换向阀52分别与第一锚地机构油缸42和第二锚地机构油缸43连接。第一推拉油缸41和第二推拉油缸44都由油缸体21和油缸杆22组成；第一油泵45、第二油泵46和第三油泵47都为三连式同轴驱动的齿轮油泵；第一电磁换向阀51、第二电磁换向阀52和第三电磁换向阀53以及第一油泵45、第二油泵46和第三油泵47都装在前平台1上；第一推拉油缸41、第二推拉油缸44的油泵是第一油泵45和第三油泵47，其具有相同的输出流量。第一推拉油缸41、第二推拉油缸44、第一电磁换向阀51、第三电磁换向阀53、第一油泵45和第三油泵47组成双泵同步的液压回路，只要第一电磁换向阀51和第三电磁换向阀53同步启闭，第一安全阀48和第三安全阀50无溢流，就可以保证两推拉油缸同步伸缩，满足直线行驶要求。转向时，第一电磁换向阀51和第三电磁换向阀53的的高电平与低电平的持续时间可以不同，从而使两油缸具有不同流量，使之以不同的位移伸缩。因此，只要改变持续时间，便可以满足以不同转角进行转向行驶的要求。第一锚地机构油缸42和第二锚地机构油缸43为锚地机构提供动力的油缸，只需第二电磁换向阀52控制，采用串接油路由第二油泵46提供油源，准确无误地实现一油缸伸出(锚趾插入土壤)的同时，另一油缸必须缩回(锚趾提离地面)的切换要求。
综上所述，仿生行走式气垫运载平台为解决湿软路面行走的通过性以及保证整机的机动性和操纵稳定性等提出了可靠的解决方案。因此，它在软湿地域的经济开发中具有现实的应用前景。