八轮星球探测车可展开移动系统设计Word文档格式.docx

1、1.2.1 不可展轮式移动系统研究现状 21.2.2 可展开轮式移动系统研究现状 51.3 本文主要研究内容 8第2章 可展开移动系统结构设计 92.1 引言 92.2 移动系统结构的基本型式 92.3 可展开悬架结构 102.3.1 可展开悬架结构特点分析 102.3.2 可展开悬架展开方案确定 102.4 可展开车轮结构设计 122.5 本章小结 13第3章 可展开移动系统的参数设计 143.1 引言 143.2 由结构参数表征的地形通过条件 143.2.1 通过崎岖地形临界条件 153.2.2 通过坡状地形失效条件 153.3 由结构参数表征的越垂直障碍条件 183.3.1 两个前车轮同

2、时越障 183.3.2 两个中前轮同时越障 193.3.3 各轮越过垂直障碍能力评价 213.3.4 越过壕沟的能力 213.3.5 移动系统的主要参数确定 213.4 本章小结 22第4章 可展开移动系统车轮部件设计 234.1 引言 234.2 可展开移动系统概述 234.3 车轮部件及其驱动 234.3.1 驱动方案确定 244.3.2 可展开车轮结构设计 254.4 本章小结 26第5章 可展开移动系统三维建模 275.1 三维建模软件简介 275.1 可展开移动系统三维建模 275.3 本章小结 28第6章 结论 29参考文献致 谢第1章 绪论1.1 课题背景及研究意义月球是距离地球

3、最近的自然天体，蕴藏大量的矿产资源，是人类飞离地球进行深空探测的第一站，也是理想的天然空间中转站。月球所具有的巨大经济、政治和军事价值使得月球探测成为人类一直关注的焦点。在经历了第一次美苏探月高潮以后，月球探测沉寂了20年，1986年美国提出的“重返月球、建立月球基地”设想，揭开了新一轮探月高潮的序幕。俄罗斯、日本、欧洲空间局、印度等国家和组织也纷纷宣布要进行月球探测。作为一个航天大国， 2000年11月22日中国发布了中国的航天白皮书，明确提出未来10年将开展深空探测研究，重点开展月球探测。2004年中国正式启动了探月“嫦娥工程” 1。星球车是月球探测中的重要媒介之一，已经成为全世界广泛研究

4、的热点。移动系统作为星球车整体系统的关键部分，其性能的好坏直接影响整个探测任务的成败。国外对移动系统的研究很多，其中有很多成功的范例。由于航天器运载技术和发射费用的限制，在具有良好的环境自适应能力的前提下，体积小、质量轻成为星球车研制的主要技术指标。因为减小星球车的体积，不仅可以减小其运载火箭的体积和质量，节省推动力，降低发射成本，而且对提高发射的可靠性意义重大。而星球车体积小却意味着其所搭载的仪器设备数量将减少，其直接效果是降低星球车的探测能力。因此，如何使星球车在满足预期的探测功能的前提下，尽可能少的占用运载器的有效载荷空间是一个很值得研究的课题。美国“勇气”号探测车的成功应用证明2，将折

5、叠与展开技术及其设计理论应用到星球车移动系统的研制中可以很好地解决星球车的最小发射体积与功能多样性之间的矛盾。20世纪90年代产生的以空间机构的折叠、伸展、组合为主要研究内容的“变约束机构”、“变胞机构”等机构学研究最新成果，为星球车可展开移动系统关键技术的研究奠定了理论基础，但这方面的理论研究尤其是工程应用还有待于完善和发展 3。因此，本课题的研究成果对于星球车可展开移动系统的进一步研制乃至其它空间可展开机构应用技术的研究均具有一定的借鉴意义。1.2 行星车移动系统概述自20世纪60年代以来，以美国、俄罗斯、法国、日本等发达国家为首，各国科研机构纷纷进行各种类型行星车的研制，有的甚至已进入实

6、用化、商品化阶段，如“勇气号”火星车。在国内，清华大学、哈尔滨工业大学、国防科技大学、北京航空航天大学、上海交通大学、华中科技大学和航天科技集团502所等高等院校及科研院所相继开展了这方面的研究工作4,5。迄今为止，国内外研究人员从行星车移动系统的越障性能、地形适应能力、能耗等要求出发，研制出各类行星车移动系统产品及样机多达四十余种。根据移动系统的体积大小不同，可分为微型、超小型、中型及大型等四类。根据操纵控制方式不同，可分为有人驾驶、无人驾驶远程遥控两类。根据移动方式不同，可分为履带式、腿式、轮式、轮腿式等几类6，具体特点等参见表1-1。由于轮式移动系统具有运动速度快的优点，故得到了广泛研究

7、。随着各种悬架的出现，其越野能力已大大增强，可以与腿式移动系统相媲美7。根据轮式移动系统是否具有可展开功能可进一步分类。表1-1 星球车移动系统主要分类及特点移动方式优点缺点代表车型轮式高速、高效越障能力较差种类多腿式地形适应能力较强结构复杂、速度慢、效率低、控制复杂美国卡内基梅隆大学（CMU）开发的六腿机器人Ambler、框架行走机器人Daedalus ，俄罗斯研制的摆动式腿结构六足机器人轮腿式高速、高效、地形适应能力强重量大、能耗大美国喷气动力实验室（JPL）研制的Go-For、 日本Tohoku研制的Chairiot履带式地形适应能力强、稳定性能和越障性能良好、动载荷小、结构紧凑体积大、

8、能耗大、履带易磨损俄罗斯移动车辆工程学院（VNIITRANSMASH）研制的Track11.2.1 不可展轮式移动系统研究现状（1）单轮移动系统 单轮移动系统不存在悬架的概念。由于它用一个轮子来代替整个车体，很好地利用了圆这种几何形状，避免了车底净高等附加几何约束对车辆地形适应能力的限制，从而大大地减小了体积，增加了机动灵活性。例如：美国CMU机器人研究所研制的单轮移动机器人Gyrover8，参见图1-1。 图1-1 单轮机器人Gyrover8日本东京电子通讯大学也研制了一种球形移动机器人。它由一个球形轮和一个装在轮上的弧形体构成，运动控制机构全部位于球形轮内部。哈尔滨工业大学、北京邮电大学也

9、分别研制过单轮星球车原理样机。（2）二轮移动系统 哈尔滨工业大学研制的两轮并列式星球车原理样机，具有体积小、不易倾覆、 零半径旋转的特点，可作为子母探测车中的子车9。（3）四轮移动系统 四轮移动系统结构相对简单，但越野能力有限，要想对此进行改进，必须在底盘及驱动方式上有所突破。美国University of Oklahoma研制的Copernicus Rover就是通过独特的底盘结构来提高地形适应能力的，其样机及底盘结构型式参见图1-210。图1-2 行星车Copernicus及其底盘结构10 （4）八轮移动系统 八轮移动系统在行驶平稳性方面具有优势，值得深入研究，目前共有四种类型。扭杆式八轮

10、移动系统，主要应用于前苏联研制的星球车11，参见图1-3。该移动系统由仪器舱与自动行走底盘组成，具有保证车体平稳性及行驶平顺性的优点，但悬架在运动过程中会对车轮产生额外的横向或纵向力。图1-3样机和车轮与车架连接结构示意图11CRAB-8和DoubleSpring八轮移动系统参见图1-15，前者为CRAB-8，后者为DoubleSpring。这两种移动系统均是欧洲ASL提出的新概念车型，二者均具有结构对称，质心位于系统中心的特点。虽没有样机实验，但经仿真显示，两系统的越障、平顺性、地形适应能力均较好。图1-4 CRAB-8 和 DoubleSpring 机构示意图摇臂式八轮移动系统采用闭链平面

11、铰链机构，由哈尔滨工业大学研制，参见图1-16。其结构型式左右对称，通过差速机构与承载平台连接，具有重力在各轮上均匀分配、八轮自适应地形及通过性能良好等优点，但结构相对复杂。图1-5 摇臂式八轮移动系统机构示意图1.2.2 可展开轮式移动系统研究现状在类型众多的行星探测车移动系统中，具有可展开功能的车型并不多。已研制出样机的有下列几种：（1）整体可展开移动系统 整体可展开移动系统以三轮移动系统为主，由于三个车轮联接于同一个悬架，移动系统的折叠与展开需整体进行。具有代表性的有日本NASDA和东京工业大学联合开发的Tri-star2，它采用轴环和可压缩轮结构，具有较强的机动性，其体积折叠比可达到3

12、73%，参见图1-6。图1-6 Tri-star2 行星车11移动系统整体展开的还有美国国家技术标准局 （NIST）研制的索缆并联机器人RoboCrane12。该移动系统由三组索杆铰接在一个Stewart平台上形成，索杆可代替动力源驱动形成移动框架。通过索缆的顺序张紧与释放，改变索杆和车轮间相对位置，可最终完成折叠与展开功能，图1-7为RoboCrane的两款样机照片和其展开过程概念示意图。图1-7 NIST RoboCrane 样机与展开示意图12（2）底盘可展开移动系统 美国CMU研制的Nomad13是一种底盘可变形的四轮行星车。它采用前苏联的自包含电动轮模块概念、Rocky系列的转向节悬

13、挂机构、显式转向连杆机构和LRV的自动轮距扩展概念，利用均化悬挂系统平滑车体相对于车轮的运动，保证在各种地形情况下四轮都能同时着地。当底盘完全展开时所占的包络空间可比其折叠状态时增加35%，这种展开功能使底盘具备超越其装载结构20%的静稳定性。其底盘主要通过两个四杆机构进行变形，当底盘展开时四杆机构变成一个菱形，当底盘收缩时四杆机构则变成一条直线，每组四杆机构具有独立的驱动装置。其样机模型及底盘变形前后示意图参见图1-8。图1-8 Nomad 行星车和Nomad 底盘结构13 （3）悬架可展开移动系统 悬架可展开移动系统通过独立悬架机构的折叠与展开实现体积变化，具有结构相对简单的特点。该类型移

14、动系统在美国JPL研制的“Sojourner” 及“Spirit”上得到了成功应用14。其中“Sojourner”折叠收拢时采用蹲坐的方式，通过将摇臂杆在与车体连接的枢轴处分为两部分实现。车体站起时，其它车轮不动，后轮被驱动向前，车体被拱起达到要求高度时，弹簧捕捉机构将其锁定，使整车处于可工作状态，参见图1-9。当“Spirit”折叠时，后副摇臂沿着滑道缩入前副摇臂，使中轮与后轮的轮距缩小，从而减小整车长度尺寸；后主摇臂通过副摇臂铰轴及主摇臂转动副分别与副摇臂及前主摇臂发生相对转动，实现车体的蹲伏，缩小整车高度尺寸；前主摇臂绕主摇臂转动副转动，使车轮转向内侧，减小车体前端宽度尺寸，实现折叠。a

15、） 展开状态 b） 折叠状态图1-9 Sojourner的折叠状态与展开状态14 “Spirit”火星车的折叠、展开与“Sojourner” 有很多不同，它可实现长、宽、高三方向的折叠与展开。“Spirit”单侧悬架结构参见图1-10，悬架的折叠主要通过悬架各构件间相对位置的改变来实现，参与折叠的构件包括后副摇臂（Aft Bogie）、前副摇臂（Forward Bogie）、 副摇臂铰轴（Bogie Pivot）、后主摇臂（Aft Rocker）、主摇臂转动副（Rocker-Bridge Joint）、前主摇臂（Forward Rocker）、主摇臂展开驱动电机（Rocker Deployme

16、nt Actuator）七部分。前主摇臂绕主摇臂转动副转动，使车轮转向内侧，减小车体前端宽度尺寸，实现如图1-10（a）所示的折叠。a） 折叠状态 b） 展开状态图1-10 “Spirit”火星探测车折叠状态与展开状态的对比（4）可展开车轮概述 可展开车轮在国内外的研究均较少，60年代美国设计了一种圆规腿步行轮15，它通过多种传感器获得车辆的位姿信息，由计算机控制参数的变化，能完全补偿步行轮的多边形效应，并能在步行轮和普通轮之间转换以适应地面的坡度、越过障碍并保持行驶平顺性，参见图1-11。图1-11 圆规腿步行轮示意图15 图1-12 可展开车轮实物图11在国内，北航研制出一种可重复展开式车

17、轮，与圆规腿步行轮工作方式相仿，这种车轮在星球车移动过程中可根据控制系统发出的指令展开与折叠。哈尔滨工业大学机电工程学院在可展开式车轮上，进行了初步的研究，研制出几种可展开式车轮，实物模型参见图1-12。1.3 本文研究主要内容（1）八轮星球探测车可展开移动系统的结构设计包括车轮部件、悬架部件。根据车轮部件独立驱动、独立转向的功能要求，进行驱动传动装置及转向装置的设计，同时采用可展开车轮新构型设计相应的轮辐结构。（2）八轮星球探测车可展开移动系统的参数设计根据八轮扭杆摇臂星球车车型特点，建立了由结构尺寸参数表征的越障通过性能参数表达式，对移动系统的越障通过性能进行了全面分析。在此基础上，求解并

18、确定了主要结构尺寸，保证了所设计星球车的越障性能。（3）八轮星球探测车可展开移动系统三维仿真通过建立的三维模型，对展开过程进行仿真。第2章 可展开移动系统结构设计2.1 引言在现有的航天器运载技术条件下，运载工具有效载荷空间的限制要求星球车应尽可能结构紧凑、体积小，而星球车的功能需求却要求其具有较大体积，因此折叠与展开技术在星球车的研制开发上具有广阔的应用前景。美国“勇气”号探测车就是折叠与展开技术在行星探测器上成功应用的范例。轮式移动系统因其高效可靠等特点得到了广泛应用，目前研制较成功的轮式移动系统均采用各轮独立驱动的方式。轮式移动系统按主要完成功能可划分为承载车体、悬架部件及车轮部件三大组

19、成部分。其中承载车体主要功能是装载各种仪器设备，所占空间体积不易改变，故研究星球车悬架和车轮的折叠与展开问题具有实际应用价值。悬架作为星球车的支撑部件，车轮作为星球车行走的执行部件，各自在结构上影响着整车的体积，在功能上影响着整车行驶的平顺性与越障性，对其进行结构设计是本章的重点。2.2 移动系统结构的基本型式八轮星球探测车移动系统作为新型轮式移动系统，采用八轮独立驱动方式，具有前后四轮独立转向功能。该移动系统具有结构型式对称的特点，其单侧结构型式如图2-1所示。建立YOZ平面坐标系，其中Y方向为星球车行驶方向，Z方向为铅直方向。该移动系统的三大组成部分为承载车体、悬架部件及车轮部件。其中悬架

20、部件由扭杆弹簧、扭杆压臂、摇臂组成；车轮部件则包括转向机构、车轮及其驱动传动装置。各部件联接方式如下：四组扭杆弹簧分别被横向布置于承载车体内作为悬架支撑，每组扭杆弹簧均一端固接于承载车体，另一端固接于扭杆压臂。由于扭杆弹簧的特点，扭杆压臂可相对于车体进行小幅度转动；同时八轮中每两轮通过摇臂共同铰接于同一扭杆压臂，这一结构特点使重力在各车轮上能够均匀分配，并实现八轮自适应地形变化。1.车轮 2.摇臂 3.扭杆压臂 4.承载车体 5.扭杆弹簧 6.转向机构图2-1 八轮星球探测车机构示意图要求星球车可适应多种方式、不同地点的展开，即星球车可在着陆器上展开，或离开着陆器的过程中在着陆梯上展开，或驶离

21、着陆器后在月球表面展开，因此折叠状态时星球车仍可自由行驶是悬架结构主要性能要求。同时星球车需搭载于着陆器内部，故可展开移动系统折叠后所占用的空间应小于着陆器承载舱内部的包络空间，并要求折叠后与折叠前体积比小于0.8。2.3 可展开悬架结构2.3.1 可展开悬架结构特点分析由本章2.2节可知，悬架部件通过四组扭杆弹簧与承载车体间相联接，且扭杆弹簧被横向（沿车体宽度方向）布置在承载车体内。如果要沿宽度方向折叠悬架，可以有两种方法：在承载车体内预留足够空间，并附加改变扭杆弹簧间相对位置的机构；利用悬架部件的空间运动改变悬架与车体间的相对位置，实现悬架的折叠。两种方法均增加了悬架部件结构及其展开运动的

22、复杂程度。基于结构简单，运动可靠的观点，本文只考虑长度（沿Y轴）、高度（沿Z轴）方向的折叠与展开，即悬架部件只在YOZ面上折叠与展开。2.3.2 可展开悬架展开方案确定（1）可展开悬架结构确定 合理的悬架展开机构构型方案，应在保证折叠后星球车所占包络空间最小的前提下，同时兼顾到悬架自身功能、悬架展开的可靠性、星球车车型特点及悬架作为星球车的组成部分所应具有的空间机构特点、悬架展开的动力源选用等诸方面。方案选取时需依据如下三条准则：1.悬架折叠后星球车所占包络空间小；2.未展开前仍可自由行驶，以适应驶离着陆器在月面上展开的需求；3.悬架组成构件少，以满足悬架展开可靠性要求及悬架作为空间机构应具有

23、的质量轻的特点；图2-2为星球车可展开悬架折叠状态与展开状态机构简图。a）折叠状态 b）展开状态图2-2 可展开悬架折叠与展开状态机构简图由机构自由度及主动副位置的判定可知，要实现确定的星球车悬架展开运动，需分别在三个车轮和铰链A、铰链B处添加动力源，具体参见图2-2（b），图中标示的运动副位置即为动力源安置位置。由于本车型移动系统采用八轮独立驱动方式，故可直接利用车轮驱动电机作为动力源。（2）可展开悬架附加机构组成 由图2-2可以看出,为保证悬架处于折叠状态（或展开状态）时各构件均具有确定的相对位置，需附加摇臂折叠锁定机构、摇臂展开锁定机构、扭杆压臂折叠锁定机构、扭杆压臂展开锁定机构，其中各

24、折叠锁定机构均包含解锁装置。为实现悬架展开运动，还需附加驱动悬架展开的动力装置，用于解锁和启动、制动电机的位置传感器。（3）可展开悬架的折叠与展开 可展开悬架的折叠由人直接参与在地面上进行，因而可以有多种形式，不需特别规划。而悬架的展开需通过遥控在月面上进行，人不能直接参与，故其展开方式要根据展开地点不同进行规划。为叙述方便，记摇臂及扭杆压臂的展开锁定机构分别为E、F，记摇臂及扭杆压臂的折叠锁定机构分别为G、H。在着陆器上展开。此时，星球车承载车体被安置于着陆器上的支撑平台，且星球车车轮离地一定距离，当折叠锁定机构G与H解锁后，在重力与弹簧动力源的双重作用下，星球车扭杆压臂折杆向下展开，当车轮触及地面后，在地面支反力的作用下，两摇臂被打开至工作位置后由展开锁定机构E锁止，同时车体在弹簧动力源作用下向上抬起车体至工作位置，展开锁定机构F将扭杆压臂锁定。图2-3为星球车在着陆上展开过程示意图。