八轮星球探测车可展开移动系统设计【毕业论文+CAD图纸通过答辩】
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浙江理工大学本科毕业设计（论文）开题报告 班 级 09 机械设计制造及其自动化（ 4）班 姓 名 程欣禹 课题名称 八轮星球 探测 车 可展开移动系统 设计 目 录 1 选题的背景与意义 内外研究现状 和发展趋势 球车 可展开移动系统 概述 球车空间 可展开 机构概述 轮星球 探测车 研究 意义 2 研究的基本内容 轮星球 探测车 整体的结构设计 轮星球探测车可展开移动系统的参数设计 轮星球探测车可展开移动系统三维仿真 3 研究方案、可行性分析及预期研究成 果 究思路方案 行性分析 期研究成果 4 研究工作计划 参考文献 成绩： 答 辩 意 见 答辩组长签名： 年 月 日 系 主 任 审 核 意 见 签名： 年 月 日 八轮星球 探测车 移动系统的 设计 与分析 程欣禹 (机械设计制造及其自动化 09(4)班 1 选题的背景与意义 月球是距离地球最近的自然天体，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 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 2。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。 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。 内外研究现状 和发展趋势 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 4、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 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，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。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 27。以下根据不同部位可展开轮式移动系统进一步分类。 球车 可展开移动系统 概述 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 东京工业大学联合开发的 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 373%。 移动系统整体展开的还有 美国国家技术标准局 (制的 索缆并联机器人。该移动系统由三组索杆铰接在一个 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。 盘可展开移动系统 美国 制的 0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、 列的转向节悬挂机构 、显式转向连杆机构和 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。 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。该类型移动系统在美 国 制的“ 及“ 得到了成功应用 11。其中“ 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。 “ 火星车的折叠、展开与 “ 有很多不同 ， 它可实现长、宽、高三方向的折叠与展开。“ 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 (前副摇臂 ( 副摇臂铰轴 (后主摇臂 (主摇臂转动副 (前主摇臂 (主摇臂展开驱动电机 (部分。当“ 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。 轮可展开移动系统 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 12，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。在国内，北航研制出一种可重复展开式车轮，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 。 球车空间 可展开 机构概述 可展开式 星球车 在地面上被收拢成折叠状态，固定于运载工具的有效载荷舱内，随着陆器降落到月面后，根据地面的控制指令逐步完成展开动作，然后锁定并保持为移动系统工作状态，属于一种特殊的空间可展开机构。 间可展开机构研究现状 20 世纪 60 年代可展开机构的概念最初在建筑领域被提出，并得到成功应用。随着航空航天技术的发展，以太空应用为背景的空间可展开机构得到广泛的研究与应用。空间可展开机构的主要形式包括太阳帆板、伸展臂、空间 可展开天线、空间操作平台、雷达定位杆、空间望远镜调焦机构、空间望远镜展开镜面机构等，其中大型展开天线和太阳帆是大型空间可展开机构研究最活跃、深入的领域。 20 世纪 70 年代后期美国航天局 (其近期、远期发展规划中提出了各种形式的展开天线 13，并对其概念设计、分析理论方法、具体应用设计技术开发进行了系统深入的研究。俄罗斯宇航局也在可展开机构设计发展应用上做出了卓越贡献，尤其在“和平号”空间站上。剑桥大学与欧空局共同建立 了可展开机构实验室，对可展开机构进行理论研究及应用。同时欧空局在其卫星发展计划中也对可展开机构技术进行了深入的研究。日本宇宙科学研究所（ 日本宇航中心（ 及加拿大和印度等国在展开折叠技术研究应用上纷纷发展了自己的技术。我国对空间可展开机构的研究起步较晚，具有代表性的是浙江大学关富玲教授领导的课题组，对伸展臂及空间可展天线等在设计原理、运动规划、静力分析、动力分析、机构设计等方面进行了研究及实验 14。 间可展开机构的分类 目前空间可展开机构还没有统一的分类原则，可以按展 开动力、结构型式、展开顺序等多种方式进行分类。如按照折叠机构组成单元类型可分为杆系单元、板系单元，而杆系单元又可分为剪式铰单元与伸缩式单元；依照机构展开成型后的稳定平衡方式可分为自稳定可展开机构与附加支承可展开机构；而按展开驱动方式进行分类最为详细，包括下面五种情况 15。 电机驱动 利用电机驱动主动件或者是通过传动使机构展开。根据机构的要求和形式的不同，电机的分布方式也不尽相同，主要有分散布置和集中布置两种方式。采用微电机驱动时，在设计中要考虑是使机构整体展开还是使其逐级展开。如环柱状 天线 (用整体展开，通过中心电机驱动环向索带动各个肋支座转动从而使机构整体展开。 簧驱动 弹簧种类很多，包括拉压簧、扭簧、蝶簧、塔簧等。在可伸展机构中，主要使用拉压簧和扭簧。如果在机构接点或杆件中点安放弹簧，在折叠过程中，弹簧存储了一定的应变能，当机构解锁后，应变能释放，驱动 机构 整体展开。美国 司的线属于弹簧驱动。对于拉压簧驱动，在需要变化长度的杆件中间设置拉伸弹簧，机构处于收纳状态时，弹簧处于拉伸状 态而存储弹性能量，当机构解锁后，拉伸弹簧的收缩驱动机构展开，应用广泛的自适应可展机构采用的就是这一展开方式。对于扭簧驱动，在机构的节点或杆件中点处按特定要求设置扭簧，机构处于收纳状态时扭簧受预紧力存储弹性变形能，当机构解锁后扭簧释放弹性能量，驱动机构同步展开。大型桁架机构多采用这种方法，如俄罗斯研制的 列，美国 制的 及常见的太阳帆板。 压或气压驱动 这里所指的有两种情况，一种是指机械范围内的驱动，通常由液压或气压系统推动杆件或构件 运动，从而带动整个系统伸展。另一种是充气膜结构，该结构以柔性薄膜材料制造，内部为空腔，通过向结构内部充入气体而使结构膨胀展开，生成预先设计的形状，并实现其功能要求。为了增强结构的可靠性，在展开后一般还需进行结构表面的固化工作，以防止结构因漏气而影响工作性能。目前折叠 /展开方式主要有 3种： Z 形折叠 /展开、卷曲式折叠 /展开以及喷出式折叠 /展开。 20 世纪 90 年代以来，国际上对充气膜结构的研究开始升温。目前对充气太空结构的研究主要集中 在通讯卫星、空间站、深空探测、火星计划等领域。美国宇航局还为充气膜结构的研究制订了中长期计划。中期计划包括发展太阳帆板、天线、太阳防护罩、太阳阵列以及工业雷达结构技术；长期计划包括将充气天线及太阳帆板应用于实际，以及发展 伸展驱动 机构的一部分构件、某些特定构件的中点或整个机构由记忆合金等特殊元件或特殊材料做成，使其在特定环境下可按设计要求自动展开，如美国 外充气硬化机构也是一种自伸展机构，其在一定的环境条 件下会自动展开。 合驱动 有些可展机构的展开和收拢过程需要以上两种或者几种方式联合起来进行驱动。 轮星球探测车 研究 意义 本课题主要进行八轮扭杆摇臂式 星球车 可展开移动系统关键技术的研究。 其 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。 2 研究的基本内容 本次毕业设计中 主要完成的内容 包括 ： 1） 八轮星球探测车整体 的结构设计 对八轮扭杆摇臂式 星球车 可展开移动系统进行设计，包括车轮部件、悬架部件及悬架展开动力源。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 。 3 研究思路 方案 、 可行性分析 及预期成果 本设计论文拟采用理论分析与三维建模与仿真 实验的方法， 在前人的基础上，通过三维 环境完成 八轮星球探测车 的设计 仿真 ，并对其进行初步的运动学分析。 究思路 方案 具体思路 方案 包含以下三个方面： 据月球表面情况 对 八轮星球探测车 进行 结构设计 包括 整体可展开移动系统、底盘可展开移动系统、车轮可展开移动系统，基于以上理论可进行对 八轮星球探测车 机构原理分析 。 轮星球探测车 目前 ,随着计算机辅助技术的不断发展 ,三维造型软件功能不断完善 ,传统的二维设计正逐渐被三维实体设计所代替。 988年开发的参数化设计系统 ,是一套由设计至生产的机械自动化的三维实体模型 (3计软件 ,它不仅具有 强大功能 ,同时还具有 功能 ,广泛应用于工业设计、机械设计、模具设计、机构分析、有限元分析、加工制造及关系数据库管理等领域。而且能同时支持针对同一产品进行同步设计 ,具有单一数据库、全相关性、以特征为基础的参数式模型和尺寸参数化等优点。采用三维 计的产品 ,是和实物完全相同的数字产品 ,零部 件之间的干涉一目了然 ,件能计算零部件 之间的干涉和体积 ,把错误消灭在设计阶段9。 运用 通过对特征工 具的操作 ,避免高级语言的复杂编程 ,所开发设计出来的 八轮星球探测车 ,便于研究人员通过对界面特征工具的操作 ,生成 八轮星球探测车 实体模型，甚至输出所需要的工程图及相关分析数据。这样既可辅助研究人员完成其设计构思、减轻劳动强度、提高效率和精度、改善视觉的立体效果 ,并可有效地缩短研制周期 ,提高设计制造的成功率 ;也为后续的 3 轮星球探测车 真 分析 运动仿真是机构设计的一个 重要内容 , 在 通过对机构添加运动副、驱动器使其运动起来 ,来实现机构的运动仿真。通过仿真技术可以在进行整体设计和零件设计后 , 对各种零件进行装配后模拟机构的运动 , 从而检查机构的运动是否达到设计的要求 , 可以检查机构运动中各种运动构件之间是否发生干涉，实现机构的设计与运动轨迹校核。同时 , 可直接分析各运动副与构件在某一时刻的位置、运动量以及各运动副之间的相互运动关系及关键部件的受力情况。在 不需要复杂的数学建模、也不需要复杂的计算 机语言编程 ,而是以实体模型为基础 ,集设计与运动分析于一体 ,实现产品设计、分析的参数化和全相关 ,反映机构的真实运动情况。 本次毕业设计 以 及其中的运动学 仿真 功能 建立 八轮星球探测车 的运动仿真模型。首先在 中建立 八轮星球探测车 的三维 后 完成 八轮星球探测车 的装配，设置 机构运动的初始位置，添加驱动和约束，进行运动仿真。在整个过程中，需要对建立模型等前续工作进行不断的修改和完善，才能生成所要求的 八轮星球探测车 的仿真模型。 行性分析 移动系统 的结构设计 和 研究 是 星球车 方面研究的基础 。 因此 ，对 具有理想结构的星球车 移动系统 进行运动学和动力学、控制理论、信息集成等方面的研究是最有效也是最有意义的 。 因此 ,要 进行 星球车 移动系统 的结构设计研究 ，从几何、运动学、动力学及结构关系等不同角度对多指灵巧手进行研究 , 使星球车能完美的在星球表面上运动。 在前人研究工作基础上， 本设计论文进行 欠驱动多指手设计 与仿真，在基本原理上是可行的。 本设计的工作主要涉及力学、机械原理和机械设计等方面的知识，以及 人已学习了 这些 相关课程，并取得了较好的成绩， 掌握了本设计所需的基本知 识。 指导老师在 星球探测车 的相关研究方面具有很多成功的经验，本设计的 研究方法思路 经过深思熟虑，切实可行，能够确保 毕业设计 的顺利完成并取得预期的研究成果。 期研究成果 设计出 八轮星球探测车 ，完成三维建模。通过仿真分析 ，保证设计能较好的满足设计要求 。 研究工作计划 起止时间 内容 研 、 信息汇总 ， 文献查阅分析 文翻译、文献综述、开题报告，并 熟悉 理论力学、机械原理等
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