八轮星球探测车可展开移动系统设计【8张图纸】【优秀】
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八轮星球探测车可展开移动系统设计
38页 16000字数+说明书+任务书+开题报告+答辩讲稿PPT+文献综述+8张CAD图纸
A0总装配图.dwg
A2车架3张.dwg
A4传感器座压盖.dwg
A4扭杆压臂轴承盖.dwg
A4摇臂轴承挡圈.dwg
A4摇臂连接铰轴.dwg
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八轮星球探测车可展开移动系统设计开题报告.doc
八轮星球探测车可展开移动系统设计答辩讲稿.ppt
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摘 要
星球车移动系统作为星球面探测的媒介，其关键技术的研究对于完善探索太空工程具有重要意义。本文主要进行八轮星球探测车可展开移动系统的设计。
为实现星球车折叠比及相应的功能要求，分别对组成移动系统的悬架部件、车轮部件进行设计。通过准静力学分析，分析了各结构参数对星球车越障通过性的影响。为确保八轮星球探测车越障能力满足设计要求，求解后确定了其整体结构尺寸。
根据所确定的结构尺寸，对八轮星球探测车可展开移动系统进行设计，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了相应的轮辐结构。根据可展开悬架新构型，对悬架部件进行了总体结构设计。
关键词 八轮星球探测车；可展开移动系统；结构设计；建模
目 录
摘 要
Abstract
第1章 绪论1
1.1 课题背景及研究意义1
1.2 行星车移动系统概述2
1.2.1 不可展轮式移动系统研究现状2
1.2.2 可展开轮式移动系统研究现状5
1.3 本文主要研究内容8
第2章 可展开移动系统结构设计9
2.1 引言9
2.2 移动系统结构的基本型式9
2.3 可展开悬架结构10
2.3.1 可展开悬架结构特点分析10
2.3.2 可展开悬架展开方案确定10
2.4 可展开车轮结构设计12
2.5 本章小结13
第3章 可展开移动系统的参数设计14
3.1 引言14
3.2 由结构参数表征的地形通过条件14
3.2.1 通过崎岖地形临界条件15
3.2.2 通过坡状地形失效条件15
3.3 由结构参数表征的越垂直障碍条件18
3.3.1 两个前车轮同时越障18
3.3.2 两个中前轮同时越障19
3.3.3 各轮越过垂直障碍能力评价21
3.3.4 越过壕沟的能力21
3.3.5 移动系统的主要参数确定21
3.4 本章小结22
第4章 可展开移动系统车轮部件设计23
4.1 引言23
4.2 可展开移动系统概述23
4.3 车轮部件及其驱动23
4.3.1 驱动方案确定24
4.3.2 可展开车轮结构设计25
4.4 本章小结26
第5章 可展开移动系统三维建模27
5.1 三维建模软件简介27
5.1 可展开移动系统三维建模27
5.3 本章小结28
第6章 结论29
参考文献
致 谢
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。
- 内容简介：
-
附件二： 浙江理工大学本科毕业设计（论文）任务书A09160119 程欣禹（专业 / 班级：机械设计及其自动化（4） 班）现下达毕业设计（论文）课题任务书，望能保质保量地认真按时完成。课题名称八轮星球探测车可展开移动系统设计主要任务与目标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。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。目标：提出的设计方案可行，结构设计合理，完成的三维、二维图纸设计，并完成八轮星球探测车运动学分析与仿真验证。任务：1. 八轮星球探测车可展开移动系统方案结构设计2. 八轮星球探测车可展开移动系统的参数设计3. 八轮星球探测车可展开移动系统三维仿真主要内容与基本要求主要内容：1. 八轮星球探测车可展开移动系统方案结构设计2. 八轮星球探测车可展开移动系统的参数设计3. 八轮星球探测车可展开移动系统三维仿真基本要求：按照课题内容，完成总体构型设计、方案设计和具体结构设计，完成三维、二维装配图和零件图，应用Pro/e等软件 完成八轮星球探测车运动仿真验证。完成毕业设计要求的各种文档，包括开题报告、文献综述、外文翻译、中期报告及毕业设计论文等。严格按照进度安排，保质保量完成所承担的任务；遵守实验室相关规定。主要参考资料及文献阅读任务1 邹永廖，欧阳自远，李春来. 月球探测与研究进展.空间科学学报. 2000，20(10):93-1032 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, 2001:146-1553 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 International Symposium on Deep Space Exploration Technology and Application, 2002,8: 230-2364 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，2002:29-355 胡群芳, 陈永杰. 中国掀起月球车研制热. 深空探测研究.2004, 2 (3): 3-4.6 刘方湖，陈建平. 行星探测机器人的研究现状和发展趋势. 机器人. 2002,24(3):268-274.7 Apostolopoulos, Dimi. Analytical Configuration of Wheeled Robotic Locomotion. Carnegie Mellon University, Robotics Institute, 1997.8 高海波.行星轮式月球车技术及其理论研究.哈尔滨工业大学工学博士学位论文.2003,11:1-179 Roger Bostelman, James Albus, Karl Murphy, et al. A Stewart platform lunar rover. Proceedings of the ASCE Specialty Conference held in Albuquerque. New Mexico, February 26-March 3, 1994: 175-18310 付宜利，徐贺，王树国等. 沙地环境移动机器人驱动轮的发展概况综述机器人技术与应用. 2004,4: 22-29 11 刘明治,高桂芳. 空间可展开天线结构研究进展. 宇航学报. 2003, 24(1):82-8712 岳建如.研究空间可动结构设计与控制分析.浙江大学博士学位论文. 2002:2-613 熊天齐.可展结构理论分析与研究. 同济大学硕士学位论文. 2006,1-3014 WangQiaoling，Guan Rongqiang ，Gu Dongdong 。Pro and con quadrangle suspension fork lunars performce analysis and simulation. The 2nd International Conference on Electrical and Control Engineering.2011:1-415 CHEN Bai-chao, WANG Rong-ben, YANG Lu, JIN Li-sheng, GUO Lie .Design and Simulation Research on a New Type of Suspension for Lunar Rover. Proceedings of the 2007 IEEE International Symposium on Computational Intelligence in Robotics and Automation.2007:1-5外文翻译任务1 WangQiaoling，Guan Rongqiang ，Gu Dongdong 。Pro and con quadrangle suspension fork lunars performce analysis and simulation. The 2nd International Conference on Electrical and Control Engineering.2011:1-42 CHEN Baichao, WANG Rongben, YANG Lu, JIN Li-sheng, GUO Lie .Design and Simulation Research on a New Type of Suspension for Lunar Rover. Proceedings of the 2007 IEEE International Symposium on Computational Intelligence in Robotics and Automation.2007:1-5计划进度：起止时间内容2012.11.152012.12.10调研、信息汇总，文献查阅分析2012.12.102012.12.31外文翻译、文献综述、开题报告，并熟悉理论力学、机械原理等相关知识2013.01.012013.01.10提交开题报告、文献综述及外文翻译2013.01.112013.01.20开题答辩2013.01.212013.03.01八轮星球漫游车的整体方案设计2013.03.022013.03.28八轮星球漫游车结构设计及零部件设计2013.03.292013.04.11三维CAD建模、装配2013.04.122013.04.24三维运动学分析仿真2013.04.252013.05.02结构改进设计及毕业论文撰写2013.05.032013.05.10完成并提交毕业论文2013.05.112013.05.24整理材料准备答辩2013.05.252013.05.29论文答辩实习地点指导教师签 名年 月 日系 意 见系主任签名： 年 月 日学院盖章主管院长签名： 年 月 日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(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 Deployment Actuator)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(National Aeronautics and Space Administration)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(Hoop Column Deployable Antenna)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，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TKCA系列，美国NASA研制的Geo Truss和Pac truss以及常见的太阳帆板。1.3.2.3 液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Gossamer充气太空船技术等。1.3.2.4 自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NASA JPL和MIT开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。1.3.2.5 混合驱动 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。1.4 八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Pro/E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。3.1 研究思路方案具体思路方案包含以下三个方面：3.1.1 根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。3.1.2 八轮星球探测车Pro/ E三维建模目前,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。Pro /Engineer是美国PTC公司于1988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(3DS)设计软件,它不仅具有CAD 的强大功能,同时还具有CAE 和CAM 的功能,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CAD 设计的产品,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,Pro/Engineer 软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Pro/ E三维设计平台,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3D运动学仿真分析奠定了基础。3.1.3 八轮星球探测车Pro/ E运动学仿真分析运动仿真是机构设计的一个重要内容, 在Pro /E的Mechanism模块中,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Pro /E环境下进行机构的运动仿真分析,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PTC公司的三维建模软件Pro/E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Pro/E中建立八轮星球探测车的三维CAD模型，然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。3.2 可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Pro/ E设计工具，本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。3.3 预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2012.11.152012.12.10调研、信息汇总，文献查阅分析2012.12.102012.12.31外文翻译、文献综述、开题报告，并熟悉理论力学、机械原理等相关知识2013.01.012013.01.10提交开题报告、文献综述及外文翻译2013.01.112013.01.20开题答辩2013.01.212013.03.01八轮星球探测车移动系统的整体方案设计2013.03.022013.03.28八轮星球探测车移动系统的结构设计及零部件设计2013.03.292013.04.11三维CAD建模、装配、三维运动学分析仿真2013.04.122013.04.24结构改进设计及毕业论文撰写2013.04.252013.05.02完成并提交毕业论文2013.05.032013.05.10整理材料准备答辩参考文献1 邹永廖，欧阳自远，李春来. 月球探测与研究进展.空间科学学报. 2000，20(10):93-1032 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, 2001:146-1553 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 International Symposium on Deep Space Exploration Technology and Application, 2002,8: 230-2364 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，2002:29-355 胡群芳, 陈永杰. 中国掀起星球车研制热. 深空探测研究.2004, 2 (3): 3-4.6 刘方湖，陈建平. 行星探测机器人的研究现状和发展趋势. 机器人. 2002,24(3):268-274.7 Apostolopoulos, Dimi. 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The key technologies on deployable locomotion system of the eight-wheel with torsion-bar and rocker structure lunar rover are researched.To meet the demand that the volume of lunar rover is least at folded station, and to realize the relevant function, the suspensions and wheels, which make up of the locomotion system, were designed. By the quasi-static analysis, the performance parameter expression of climbing obstacle with structure parameters was determined. The influence that each design parameter acts on the lunar rover performance of climbing obstacle is analyzed. In order to guarantee the climbing ability of eight-wheel with torsion-bar and rocker structure lunar rover to satisfy the design request, after solving the model, the structure dimension of the eight-wheel with torsion-bar and rocker structure lunar rover is made sure. According to the structure dimension, the deployable locomotion system of the eight-wheel with torsion-bar and rocker structure lunar rover was designed, involving the wheels, the suspensions and the power for deploying the suspensions. According to the characteristic each wheel is driven and veered alone, the driving and turning devices of deployable wheel have been designed. Using the new framework of deployable wheel spoke, its structure has been designed. According to the new framework of deployable suspension, the whole structure of the deployable suspension parts has been designed. Keyboard lunar rover, deployable motion system, physical design, modeling, 目 录摘 要Abstract第1章 绪论11.1 课题背景及研究意义11.2 行星车移动系统概述21.2.1 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 谢浙江理工大学本科毕业设计（论文）第1章 绪论1.1 课题背景及研究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。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。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、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373%，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) 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 Deployment Actuator)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，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。 1.摇臂 2.扭杆压臂折杆 3.承载车体 4.支撑平台图2-3 星球车着陆展开过程示意图2.4 可展开车轮结构设计对于圆形截面车轮，其轮缘宽度与直径是影响星球车越障通过性能的重要因素，并直接影响星球车整体尺寸的大小，因此可通过径向或轴向的折叠与展开来改变车轮的体积，即其组成构件必须具备沿车轮径向或轴向运动的可能。同时，应避免附加驱动动力源，而尽可能利用车轮自身的驱动电机。因此，文中提出两种可展开车轮轮辐基本结构型式。（1）空间展开式构型 借鉴折叠雨伞的伞架结构，采用空间并联杆机构作为可展开车轮轮辐的基本结构。该空间机构由六组构型相同的支路并联组成，每一支路均由曲柄滑块机构及分别在曲柄和连杆上加载的两杆组成，单个支路的机构示意图参见图2-4。机构的并联是通过各支路中滑块与机架构件分别合并实现的，合并后的构件仍分别称为滑块与机架。 1.机架2. 曲柄3. 滑块4. 连杆5.附加杆6.附加杆图2-4 可展开式车轮支路机构示意图及仿真示意图其中滑块为主动件，附加杆的末端通过形状改变可制成轮缘。该机构需附加一个驱动部件将滑块与车轮电机联接才可驱动，此驱动部件要求具有将旋转运动变为平移运动的功能，如圆柱状斜面凸轮。其运动方式为：当车轮电机启动并驱动滑块移动时，整个空间机构产生径向的伸展及轴向的收缩（或径向的收缩与轴向的伸展），这样车轮实现展开（或折叠）。（2）平面展开式构型 为使机构的展开运动尽可能简单可靠，只考虑改变对车轮体积影响最大的径向尺寸，即车轮展开运动为平面运动。由于可展开式车轮在某一径向的折叠与伸展，可看作其沿该方向的往复直线运动，故可采用曲柄滑块机构实现这种运动形式。若要实现整个车轮沿径向的折叠与展开，则需在车轮周向均布且并联若干组曲柄滑块机构。其中被并联构件分别为曲柄与机架，曲柄为主动件。为分析简化，在车轮周向均布且并联六组曲柄滑块机构，其机构示意图参见图2-5。当曲柄、连杆、滑块处于同一直线时，车轮完全展开。通过特定机构锁定后，滑块外缘可构成轮缘，曲柄、连杆、滑块与滑槽被固连成为一个整体，共同构成轮辐。由于采用曲柄为主动件，因而不需要再附加驱动部件，直接将曲柄构件与车轮电机相联接，并驱动其旋转就可以实现车轮的伸展运动。 a) 车轮折叠状态 b) 车轮展开状态1.曲柄2.滑槽3.连杆14.滑块15.连杆26.滑块2 7.连杆38.滑块39.连杆410.滑块411.连杆5 12.滑块513.连杆614.滑块6图2-5 可展开式车轮机构示意图（3）基本构型确定 由空间展开式构型的展开方式可知，在实现车轮径向折叠的同时车轮轴向尺寸会被动增大，从而影响折叠的效果，其所附加的驱动部件还会增加车轮结构的复杂性及重量。与空间展开式构型相比，平面展开式构型中展开机构为平面机构，车轮折叠与展开时不会附加产生其它方向的尺寸改变，不需要再附加驱动部件，车轮结构及其展开运动相对简单可靠。故选取平面展开式构型进行结构设计。2.5 本章小结本章通过分别研究选取悬架具体结构、关节的折叠展开方式和关节驱动方式，组合出几种方案，通过分析比较，从中确定了设计中的最终的整体方案并阐述了所选总体方案的工作原理。本章分别对组成移动系统的悬架部件、车轮部件进行了初步设计，确定了各向折叠比均小于0.8的可展开悬架新构型，与现有各类可展开悬架相比，具有折叠状态可自由行驶、多种地点展开的优点。第3章 可展开移动系统的参数设计3.1 引言复杂月面地形的适应性、越障通过性是评价星球车移动系统性能好坏的重要指标，也是新车型研制过程中需解决的关键问题。现有文献中，学者们多是针对所研制出的具有确定结构尺寸的车型进行越障通过性分析，验证所设计车型的合理性、实用性。若在确定结构尺寸时，将星球车的越障性能作为设计条件加以考虑，那么所设计车型的越障性能可达到较理想状态。基于上述思想，以最大越障高度作为目标，其它越障通过性条件作为约束，对八轮星球探测车移动系统的结构参数进行设计。3.2 由结构参数表征的地形通过条件资料表明，月面上常见几何障碍分布情况如下：高度2050cm的巨砾分布密度为3个4个/100m2；直径1m3m的环形山分布密度为10个/100 m2，直径3m5m的环形山分布密度为0.21个/100 m2；斜坡约为20。综合上述情况及八轮星球探测车的车型特点， 利用结构尺寸参数表征，确定八轮星球探测车通过各种月面地形的临界条件。3.2.1 通过崎岖地形临界条件（1）最小离地间隙 当星球车满载、静止且八轮基本处于同一水平高度时，月面与车体最低处的垂直距离被定义为最小离地间隙，记为c，它反映了星球车无碰撞地通过局部垂直障碍物的能力，参见图3-1。（2）前悬和后悬 如图3-1所示，前悬Lf指前轮中心至星球车车体最前端的距离，接近角1为从车体最前端向前轮所引切线与月面形成的角。前悬Lf与接近角1共同反映星球车接近障碍的能力。后悬Lr为后轮中心至星球车最后端的距离，离去角2为从车体最后端向后轮所引切线与月面形成的角。后悬Lr与离去角2共同反映星球车离开障碍的能力。当星球车结构型式如图3-1中所示时，记Lr0、Lf 0，则当车体前、后端部分别超过前、后车轮中心时，记Lr0、Lf0。由于本车型前后对称，且要保证前后四轮转向不受干涉，故取 Lr =Lf 0，则1=290。c12LrLf 图3-1 前悬、后悬、接近角和离去角3.2.2 通过坡状地形失效条件（1）车体前端触头失效 如图3-2(a)所示，星球车行驶至两个坡形面交汇处，当坡形面与星球车的几何尺寸及相对位置关系满足式(3-1)时，将引起车体前端触及月地表面，导致星球车无法行走，失去通过性。 (3-1)事实上，在3.2.1节根据车型特点确定了Lf的取值总是小于Lm，即所设计星球车不会发生车体前端触头失效。LfLmN1nN2nN4nN3n下斜面+上斜面铰链A+上斜面下斜面 a) 车体前端触头失效 b) 车轮触头倾覆失效图3-2 触头失效示意图（2）车轮触头倾覆失效 如图3-2(b)所示，由于扭杆摇臂式悬架的构型特点，当两坡形月面夹角超过一定条件时，前摇臂将绕其铰链翻转，导致星球车倾覆，失去通过性。其准静态方程如下(3-2)式中 Ni 星球车各车轮的地面支反力； L 星球车前轮到后轮中心的距离；l 星球车同一摇臂上两轮中心的距离；车轮与地面间的附着系数；G星球车重量；hg星球车质心高度。 将前摇臂分离体对铰链A取矩，当其所受力矩之和沿顺时针方向小于零时，则出现车轮触头失效，即 (3-3)求解方程组(3-2)，将所得Ni (i=1,2)值代入式(3-3)可得避免车轮触头失效的临界条件为 (3-4)其中(3-5)（3）星球车侧向倾覆失效 如图3-3(a)所示，星球车沿倾斜角度为的坡形月面匀速侧向行驶，当上侧车轮的支反力N1为零时，星球车处于侧向倾覆的临界状态，此时该车将产生以下侧车轮的外轮缘支撑处为轴线的倾覆。由于下侧车轮所受的月面支反力与摩擦力均通过倾覆轴线，所以临界坡度角的计算公式为 (3-6)故侧向倾覆失效条件为， (3-8)即只有满足时，才不会侧向倾覆。当星球车处于临界侧滑状态时，有 (3-9) 即不侧滑的临界条件为 (3-10) 若允许侧滑而不侧倾，则有 (3-11)由式(3-8)可以看出，星球车的重心高度越低，其倾覆角越大，越不易倾覆。当然重心过低又会影响星球车的通过性。由式(3-11)则可以看出，倾覆失效还与附着系数有着密切关系，附着系数越小，因侧滑作用，也不易产生倾覆。但当附着系数过小时，星球车又将失去爬坡能力。这些相互制约的因素都将作为优化设计时的约束条件。坡度角的临界值也可用来评价其单侧车轮同时越过障碍物的能力。N4N3N2N1N2N1 a) 侧向倾覆失效 b) 纵向倾覆失效图3-3 倾覆失效示意图（4）星球车纵向倾覆失效 如图3-3(b)所示，星球车沿倾斜角度为的坡形月面匀速侧向行驶，当星球车处于纵向倾覆失效临界状态，通过受力分析，建立其准静态方程组如下(3-12)当时，星球车将产生纵向倾覆。对方程组(3-12)进行求解，得 (3-13)又N4=0是星球车纵向倾覆的临界条件，故不产生纵向倾覆的条件为 (3-14)静止时不下滑（八个车轮同时制动），应满足 (3-15)即不下滑的条件为 (3-16)若允许下滑而不纵向倾覆，应满足下式 (3-17)式中 星球车沿坡路下滑时,坡度临界角。此时坡度角的临界值可用来评价星球车在倾斜月面上的行驶能力。3.3 由结构参数表征的越垂直障碍条件星球车越过垂直障碍的能力与车轮在移动系统中的位置及各构件的结构尺寸均有密切关系。由于星球车移动速度较低，尤其在越过垂直障碍时车速更低，因此可以用静力学平衡方程求得星球车可以越过的垂直障碍物高度与星球车各结构尺寸参量间的关系。3.3.1 两个前车轮同时越障（1）参数式推导 图3-4为硬路面上星球车两个前轮同时遇到垂直障碍时的力学模型。由图3-4可列写整车及前、后摇臂组件分离体的力及力矩平衡方程如下：(3-18)式中 Gc、Gb 分别为车体、摇臂组件重力；hy 障碍高度； 障碍对前轮的支反力与水平面夹角。lblnN1N2lblgN3N4 a) 整车受力分析lbN3N4N2N1lb b) 前摇臂受力分析 c) 后摇臂受力分析 图3-4 两个前轮同时垂直越障力学模型lg、lb 前轮（或后轮）轴心到车体质心、摇臂质心的距离； ly、ln 扭杆压臂长及扭杆中心到车体质心距离。根据图3-6所示的几何关系，有 (3-19)由方程组(3-18)及式(3-19)可得到星球车越过障碍的高度与各结构尺寸参量之间的关系(3-20)3.3.2 两个中前轮同时越障（1）参数式推导 图3-5为硬路面上星球车两个中前轮同时遇到垂直障碍时的力学模型。N2N1N3N4lnlglblba) 整车受力分析N4N3N1N2 b) 前摇臂受力分析 c) 后摇臂受力分析 图3-5 两个中前轮同时越垂直障碍力学模型由图3-5可列写整车及前、后摇臂组件分离体的力及力矩平衡方程如下(3-21)由方程组(3-21)及式(3-19)可得星球车越过障碍的高度与各结构尺寸参量之间的关系 (3-22)3.3.3 各轮越过垂直障碍能力评价仍采用建立准静力学平衡方程的分析方法推导两中后轮同时越障及两后轮同时越障的参数关系式，得到了两前轮与两中后轮越障能力完全相同，两中前轮越障能力与两后轮越障能力完全相同的结论，故只需分析两前轮与两中前轮的越障能力与结构参数间的关系即可。通过分析得，在附着系数相同的条件下，两前轮的越障能力与两中前轮的越障能力相比较弱，即整车的越障能力主要取决于两前轮的越障能力。因此为简化问题，在后续的优化设计中只考虑两前轮越障所需的参数条件即可。要获得较好的越障效果h0应在极值点附近取值，其具体取值还与l的取值有关，因此l取值不必要选取过大，要综合hg的取值情况进行选取。3.3.4 探测车越过壕沟的能力（1）理论推导 八轮星球探测车跨越壕沟的受力条件与越过垂直障碍时基本相同，参见图3-1。 图3-8 车轮越过壕沟状态图当壕沟宽度小于车轮直径时，车轮陷入壕沟内的深度hy可视作越过垂直障碍的高度，其与壕沟宽度ld存在下列关系， (3-23)3.3.5 移动系统的主要参数确定整车工作状态所占包络空间及其长L、宽B、高H的值；星球车质心高度hg；星球车可爬越的斜坡坡度(或)；车箱高度为h；最小离地间隙c等。根据技术要求，星球车折叠后所占包络空间为1200 mm1000 mm800 mm。因不参与折叠宽度值始终为B=1000mm。对于长度及高度，要求展开前后折叠比i0.8，故星球车工作状态时，亦即展开后长度L1500mm、高度H1000mm。星球车质心高度要求为整车高度的20%50%，取hg=350mm。由于月面斜坡一般为20，故取值=30为星球车可爬越坡度。各边界值详见表3-1。表3-1 八轮星球探测车主要尺寸L=3l 1500mmB=1000mmH 1000mmDr =21=750mmhg=350mmhm=35mmh0=132.5mml=410mmc200mm，=303.4 本章小结本章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。通过准静力学分析，确定了八轮星球探测车失去通过性的临界条件，建立了由结构尺寸参数表征的通过性能参数表达式，分析了各结构参数对星球车越障性能与越沟性能的影响，得出了在相同的参数条件下，星球车的跨越壕沟的能力胜于其越障能力的结论。第4章 可展开移动系统车轮部件设计4.1 引言前面章节中，确定了八轮星球探测车可展开悬架结构型式及其展开方式；从移动系统的越障通过性能出发，以最大越障高度为目标，确定了星球车移动系统展开状态整体结构尺寸。本章将根据已经确定的结构尺寸及可展开悬架结构型式等条件，综合移动系统性能要求及机械本体特点对其各可展开移动系统车轮进行设计。 4.2 可展开移动系统概述八轮星球探测车可展开移动系统由承载车体、悬架部件和包含驱动传动装置的车轮部件三大功能部分组成。为满足其特有的可展开功能要求，悬架部件还需附加锁止限位机构及解锁释放机构。承载车体是各种探月仪器设备的载体，诸如显微镜成像仪、全景照相机、穆斯鲍尔分光计、阿尔法粒子x射线分光计、气体分析仪、同位素电池、太阳能电池板、高增益天线等。这些仪器或因工作特性需密封保温、或工作时与承载车体产生相对运动、或彼此相对位置有特殊要求。因此承载车体的设计涉及了包络空间的确定、联接车载仪器的机械接口设计、联接悬架的机械接口设计、密封设计等多方面问题。由于车载仪器的放置是一个综合的系统工程，本文仅涉及承载车体与悬架部件间的机械接口设计。并根据基本设计要求，以长方体表示承载车体包络空间。悬架部件和车轮部件的设计除机械本体外，还涉及了驱动电机的选择、展开动力源的设计。根据基本技术要求(参见表4-1)进行了可展开移动系统结构设计。 表4-1 星球车技术性能参数整车质量/kg200可爬越坡度/()30平均行走速度/(m/h)60可爬越高度/mm1504.3 车轮部件及其驱动八轮星球探测车采用八轮独立驱动、前后四轮独立转向的运动方式，故其车轮部件的设计涉及了驱动电机选取、驱动传动装置设计、独立转向装置设计、车轮轮缘和轮辐设计等问题。4.3.1 驱动方案确定（1）驱动电机的选取 月球上的大温差、多粉尘环境对于电机的工作特性要求很高。瑞士MAXON公司生产的直流微电机组合作为驱动用部件，以每辆车39套的数量应于“勇气号”和“机遇号”火星车上，获得了巨大成功。故本设计采用MAXON公司生产的集直流电机、行星齿轮减速器和编码器于一体的微电机组合作为驱动。电机功率的确定：考虑稳定性最差的状态，即星球车以最大的加速度上坡，所有的重量均由后部两只车轮承担。则有 (4-1)式中 T驱动力矩(Nm)；D车轮直径(m)； M星球车质量(kg)；a星球车沿斜坡行驶加速度(m/s2)；g月球重力加速度(m/s2)；坡度角()，取最大设计值30。由星球车最大行驶速度200m/h及最大加速度a=1m/s2，估算得到电机输出功率约为20W。由MAXON电机样本选取星球车原理样机的驱动电机组合，包括电机RE25、减速器GP26B及ML型数字MR编码器(包含线驱动器)，表4-2和表4-3为电机和减速器的性能参数表4-2 驱动电机maxon118746参数额定功率20.0W空载转矩5200mNm额定电压24.0V额定转速4150rpm额定转矩28.8mNm最大持续电流668mA最大允许转速5500rpm最大持续扭矩29.0mNm最大允许安装力64N额定电压下最大功率18500mW最大轴向载荷3.2N最大径向载荷16N速度/转矩常数36.1rpm/mNm最高效率87%表4-3 减速器maxon144046参数减速比绝对减速比最大允许电机轴经231:1192375:8323.2根据结构和尺寸要求，蓄电池采用112M7.0系列，具体参数如表4-4和表4-5所示。表4-4 112M7.0蓄电池参数外形尺寸质量额定电压额定容量151x65x94mm2.6kg12V7AH表4-5 112M7.0蓄电池放电特性时间10m25m40m1h2h4h6h8h10h20h40h电流(A）2111.274.22.451.41.050.840.690.390.19（2）驱动装置的设计 八轮独立驱动的方式，避免了复杂的传动机构，直接由直流微电机组合作为驱动用部件即可。因此驱动装置的设计主要涉及车轮轮毂与驱动电机组合输出轴的联接、轮毂与轮轴的联接。具体设计为：轮轴内部安装驱动电机组合，外部通过轴承与轮毂铰接，同时驱动电机组合输出轴与轮毂联接，实现驱动车轮转动的功能。轮轴一端有机械接口，可直接与摇臂相固定联接。轮毂的外部结构型式根据所选用或设计的车轮轮辐、轮缘型式确定。轮毂内部结构简图参见图4-2。1.轮毂端盖2.输出轴联接盘3.轮毂4.轮轴5.电机组6.摇臂图4-2轮毂内部结构简图4.3.2 可展开车轮结构设计图4-4所示为车轮展开状态结构图，车轮轮毂内部采用图4-2所示结构。1.轮缘 2.连杆 3.滑块 4.滑槽 5.轮毂 6.被动滑槽 7.被动滑块图4-3可展开式车轮展开状态结构图根据可展开车轮轮辐拓扑结构及其与轮轴构件的关联模型，对可展开车轮进行结构设计。所设计可展开车轮满足下列技术要求，具体参见表4-6。表4-6 可展开车轮技术参数折叠比质量材料展开直径折叠直径0.7623.9kgYL12354mm270mm在具体结构设计中，为保证车轮展开后结构稳定以及车轮展开锁止机构的安装需求，在基本曲柄滑块机构的基础上，并联了六组被动滑块结构，同时将轮缘曲面进行了分段处理，各段分别与滑块构件固接。如图4-4所示，轮毂外部变换形状后作为车轮展开机构中的曲柄构件，其与连杆、滑块、滑槽相对运动至工作位置并被锁止后，共同构成轮辐。4.4 本章小结本章对星球车移动系统进行了结构设计。设计过程中着重解决了下列问题：根据车轮部件功能要求，单独设计了驱动传动装置，使它们分别与共同构成车轮部件。在此基础上进行了可展开车轮的结构设计。第5章 可展开移动系统仿真验证5.1 三维建模软件简介目前,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。Pro /Engineer是美国PTC公司于1988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(3DS)设计软件,它不仅具有CAD 的强大功能,同时还具有CAE 和CAM 的功能,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CAD 设计的产品,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,Pro/Engineer 软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Pro/ E三维设计平台,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
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