八轮星球探测车可展开移动系统设计开题报告.doc

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1.1国内外研究现状和发展趋势1.2星球车可展开移动系统概述1.3星球车空间可展开机构概述1.4八轮星球探测车研究意义2研究的基本内容2.1八轮星球探测车整体的结构设计2.2八轮星球探测车可展开移动系统的参数设计2.3八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3.1研究思路方案3.2可行性分析3.3预期研究成果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A09160119)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。1.1国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。1.2星球车可展开移动系统概述1.2.1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373%。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RoboCrane9。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。1.2.2底盘可展开移动系统美国CMU研制的Nomad10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。1.2.3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。该类型移动系统在美国JPL研制的“Sojourner”及“Spirit”上得到了成功应用11。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。“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”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(AftBogie)、前副摇臂(ForwardBogie)、副摇臂铰轴(BogiePivot)、后主摇臂(AftRocker)、主摇臂转动副(Rocker-BridgeJoint)、前主摇臂(ForwardRocker)、主摇臂展开驱动电机(RockerDeploymentActuator)七部分。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。1.2.4车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。1.3星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。1.3.1空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(NationalAeronauticsandSpaceAdministration)在其近期、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（ISAS）和日本宇航中心（NASDA）以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。1.3.2空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。1.3.2.1微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(HoopColumnDeployableAntenna)采用整体展开，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。1.3.2.2弹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ABLE公司的Coilable天线属于弹簧驱动。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