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）文献综述报告 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 八轮星球漫游车 移动系统的 设计 与分析 目 录 1 前言 2 星球车可展开移动系统概述 体可展开移动系统 盘可展开移动系统 架可展开移动系统 轮可展开移动系统 3 星球车空间可展开机构概述 间可展开机构研究现状 间可展开机构的分类 4 总结 参考文献 指导 教师 审批 意见 签名： 年 月 日 八轮星球漫游车 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 前言 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。 月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。移动系统作为月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，为月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、质量轻成为月球车研制的主要技术指标。因为减小月球车的体积，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。而月球车体积小却意味着其所搭载的仪器设备数量将减少，其直接效果是降低月球车的探测能力。因此，如何使月球车在满足 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。 因此，本课题 主要进行八轮扭杆摇臂式月球车可展开移动系统关键技术的研究。 其 研究成果对于月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 星 球 车 可展开 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。 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%，参见图 2 图 2星车 8 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，图 2 两款样机照片和其展开过程概念示意图。 图 2机与展开示意图 9 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。其样机模型及底盘变形前后示意图参见图 2 图 2星车和 盘结构 10 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，参见图 2 a) 展开状态 b) 折叠状态 图 2折叠状态与展开状态 “ 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。“ 侧悬架结构参见图 2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，实现如图 2示的折叠。 图 2 星探测车单侧悬架结构示意图 11 a) 折叠状态 b) 展开状态 图 2 星探测车折叠状态与展开状态的对比 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，参见图 2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，这种车轮在月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2 图 2规腿步行轮示意图 12 图 2展开车轮实物图 8 3 星 球 车 空间可展开机构 概述 可展开式月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 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 气太空船技术等。 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 发的整体展开应用技术。另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。 4 总结 如上所述 , 目前已经制造出来的这些 星球车移动系统 或多或少的都存在不同方面的问题，都有许多不完善的地方 ，如 结构型式、结构尺寸、传动及驱动方式等方面 都有待发展，特别 是对 对可展开移动系统的越障通过性能以及展开运动中的动态特性进行研究 还比较少 。 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。 参考文献 1 邹永廖，欧阳自远，李春来 . 月球探测与研究进展 2000，20(10):932 李圣怡，戴一帆，刘阳 . 月球火星探测与月球探测车研制初探 . 第二届月球探测技术研讨会论文集 . 北京 , 2001:1463 李瑞玲 ， 丁希仑 ， 战强 ,等 变胞机构的机构学理论及在航天中的应用 2002 2002,8: 2304 邓宗全，胡 明，高海波 ,等 . 月球探测车关键技术及其原理样机的研制 . 2002 年深空探测技术与应用科学国际研讨会 . 青岛， 2002:295 胡群芳 , 陈永杰 . 中国掀起月球车研制热 . 深空探测研究 2 (3): 36 刘方湖，陈建平 . 行星探测机器 人的研究现状和发展趋势
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