八輪星球探測(cè)車可展開移動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文[帶圖紙]

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　　題 目 八輪星球探測(cè)車可展開移動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p>　　學(xué) 院 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí) 09機(jī)械設(shè)計(jì)制造

2、及其自動(dòng)化（4）班 </p><p>　　姓 名 程欣禹 學(xué) 號(hào) A09160119 </p><p>　　指導(dǎo)教師 胡 明 </p><p>　　系 主 任 學(xué)

3、院院長 </p><p>　　二O 一三 年 五 月 二十一 日</p><p>　　浙 江 理 工 大 學(xué)</p><p><b>　　機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院</b></p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)誠信聲明</b></p

4、><p>　　我謹(jǐn)在此保證：本人所做的畢業(yè)設(shè)計(jì)，凡引用他人的研究成果均已在參考文獻(xiàn)或注釋中列出。設(shè)計(jì)說明書與圖紙均由本人獨(dú)立完成，沒有抄襲、剽竊他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的研究成果行為。如出現(xiàn)以上違反知識(shí)產(chǎn)權(quán)的情況，本人愿意承擔(dān)相應(yīng)的責(zé)任。</p><p>　　聲明人（簽名）： </p><p>　　2013年 5月 21 日</p><p&g

5、t;<b>　　摘 要</b></p><p>　　星球車移動(dòng)系統(tǒng)作為星球面探測(cè)的媒介，其關(guān)鍵技術(shù)的研究對(duì)于完善探索太空工程具有重要意義。本文主要進(jìn)行八輪星球探測(cè)車可展開移動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。</p><p>　　為實(shí)現(xiàn)星球車折疊比及相應(yīng)的功能要求，分別對(duì)組成移動(dòng)系統(tǒng)的懸架部件、車輪部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過準(zhǔn)靜力學(xué)分析，分析了各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)星球車越障通過性的影響。為確保八輪

6、星球探測(cè)車越障能力滿足設(shè)計(jì)要求，求解后確定了其整體結(jié)構(gòu)尺寸。</p><p>　　根據(jù)所確定的結(jié)構(gòu)尺寸，對(duì)八輪星球探測(cè)車可展開移動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括車輪部件、懸架部件。根據(jù)車輪部件獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、獨(dú)立轉(zhuǎn)向的功能要求，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置及轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計(jì)，同時(shí)采用可展開車輪新構(gòu)型設(shè)計(jì)了相應(yīng)的輪輻結(jié)構(gòu)。根據(jù)可展開懸架新構(gòu)型，對(duì)懸架部件進(jìn)行了總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。</p><p>　　關(guān)鍵詞　八輪星球探測(cè)車；可展

7、開移動(dòng)系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；建模</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Locomotion system of lunar rover is the medium of lunar exploration, the research of the locomotion system key technologies of lunar r

8、over has important meaning for perfecting project of lunar exploration. The key technologies on deployable locomotion system of the eight-wheel with torsion-bar and rocker structure lunar rover are researched.</p>

9、<p>　　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 qu

10、asi-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 i

11、s analyzed. In order to guarantee the climbing ability of eight-wheel wi</p><p>　　According to the structure dimension, the deployable locomotion system of the eight-wheel with torsion-bar and rocker structu

12、re 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 de

13、ployable wheel have been designed. Using the new framework of deployable wheel spoke, its structure has been designed. According to the new framework of de</p><p>　　Keyboard lunar rover, deployable motion s

14、ystem, physical design, modeling, </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p><b>　　Abstract</b></p><p><b>　　第1章 緒論

15、1</b></p><p>　　1.1 課題背景及研究意義1</p><p>　　1.2 行星車移動(dòng)系統(tǒng)概述2</p><p>　　1.2.1 不可展輪式移動(dòng)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2.2 可展開輪式移動(dòng)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀5</p><p>　　1.3 本文主要研究內(nèi)容8<

16、;/p><p>　　第2章 可展開移動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)9</p><p><b>　　2.1 引言9</b></p><p>　　2.2 移動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本型式9</p><p>　　2.3 可展開懸架結(jié)構(gòu)10</p><p>　　2.3.1 可展開懸架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析10</p&g

17、t;<p>　　2.3.2 可展開懸架展開方案確定10</p><p>　　2.4 可展開車輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)12</p><p>　　2.5 本章小結(jié)13</p><p>　　第3章 可展開移動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)14</p><p>　　3.1 引言14</p><p>　　3.2 由結(jié)構(gòu)參數(shù)

18、表征的地形通過條件14</p><p>　　3.2.1 通過崎嶇地形臨界條件15</p><p>　　3.2.2 通過坡狀地形失效條件15</p><p>　　3.3 由結(jié)構(gòu)參數(shù)表征的越垂直障礙條件18</p><p>　　3.3.1 兩個(gè)前車輪同時(shí)越障18</p><p>　　3.3.2 兩個(gè)中前

19、輪同時(shí)越障19</p><p>　　3.3.3 各輪越過垂直障礙能力評(píng)價(jià)21</p><p>　　3.3.4 越過壕溝的能力21</p><p>　　3.3.5 移動(dòng)系統(tǒng)的主要參數(shù)確定21</p><p>　　3.4 本章小結(jié)22</p><p>　　第4章 可展開移動(dòng)系統(tǒng)車輪部件設(shè)計(jì)23<

20、/p><p>　　4.1 引言23</p><p>　　4.2 可展開移動(dòng)系統(tǒng)概述23</p><p>　　4.3 車輪部件及其驅(qū)動(dòng)23</p><p>　　4.3.1 驅(qū)動(dòng)方案確定24</p><p>　　4.3.2 可展開車輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)25</p><p>　　4.4 本章小

21、結(jié)26</p><p>　　第5章 可展開移動(dòng)系統(tǒng)三維建模27</p><p>　　5.1 三維建模軟件簡介27</p><p>　　5.1 可展開移動(dòng)系統(tǒng)三維建模27</p><p>　　5.3 本章小結(jié)28</p><p>　　第6章 結(jié)論29</p><p><

22、b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p><b>　　致 謝</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 課題背景及研究意義</p><p>　　月球是距離地球最近的自然天體，蘊(yùn)藏大量的礦產(chǎn)資源，是人類飛離地球進(jìn)行深空探測(cè)的第一站，也

23、是理想的天然空間中轉(zhuǎn)站。月球所具有的巨大經(jīng)濟(jì)、政治和軍事價(jià)值使得月球探測(cè)成為人類一直關(guān)注的焦點(diǎn)。在經(jīng)歷了第一次美蘇探月高潮以后，月球探測(cè)沉寂了20年，1986年美國提出的“重返月球、建立月球基地”設(shè)想，揭開了新一輪探月高潮的序幕。俄羅斯、日本、歐洲空間局、印度等國家和組織也紛紛宣布要進(jìn)行月球探測(cè)。作為一個(gè)航天大國， 2000年11月22日中國發(fā)布了《中國的航天》白皮書，明確提出未來10年將開展深空探測(cè)研究，重點(diǎn)開展月球探測(cè)。2004年中

24、國正式啟動(dòng)了探月“嫦娥工程” [1]。</p><p>　　星球車是月球探測(cè)中的重要媒介之一，已經(jīng)成為全世界廣泛研究的熱點(diǎn)。移動(dòng)系統(tǒng)作為星球車整體系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其性能的好壞直接影響整個(gè)探測(cè)任務(wù)的成敗。國外對(duì)移動(dòng)系統(tǒng)的研究很多，其中有很多成功的范例。</p><p>　　由于航天器運(yùn)載技術(shù)和發(fā)射費(fèi)用的限制，在具有良好的環(huán)境自適應(yīng)能力的前提下，體積小、質(zhì)量輕成為星球車研制的主要技術(shù)指標(biāo)。因?yàn)?/p>

25、減小星球車的體積，不僅可以減小其運(yùn)載火箭的體積和質(zhì)量，節(jié)省推動(dòng)力，降低發(fā)射成本，而且對(duì)提高發(fā)射的可靠性意義重大。而星球車體積小卻意味著其所搭載的儀器設(shè)備數(shù)量將減少，其直接效果是降低星球車的探測(cè)能力。因此，如何使星球車在滿足預(yù)期的探測(cè)功能的前提下，盡可能少的占用運(yùn)載器的有效載荷空間是一個(gè)很值得研究的課題。美國“勇氣”號(hào)探測(cè)車的成功應(yīng)用證明[2]，將折疊與展開技術(shù)及其設(shè)計(jì)理論應(yīng)用到星球車移動(dòng)系統(tǒng)的研制中可以很好地解決星球車的最小發(fā)射體積與功

26、能多樣性之間的矛盾。</p><p>　　20世紀(jì)90年代產(chǎn)生的以空間機(jī)構(gòu)的折疊、伸展、組合為主要研究內(nèi)容的“變約束機(jī)構(gòu)”、“變胞機(jī)構(gòu)”等機(jī)構(gòu)學(xué)研究最新成果，為星球車可展開移動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究奠定了理論基礎(chǔ)，但這方面的理論研究尤其是工程應(yīng)用還有待于完善和發(fā)展 [3]。因此，本課題的研究成果對(duì)于星球車可展開移動(dòng)系統(tǒng)的進(jìn)一步研制乃至其它空間可展開機(jī)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)的研究均具有一定的借鑒意義。</p><

27、;p>　　1.2 行星車移動(dòng)系統(tǒng)概述</p><p>　　自20世紀(jì)60年代以來，以美國、俄羅斯、法國、日本等發(fā)達(dá)國家為首，各國科研機(jī)構(gòu)紛紛進(jìn)行各種類型行星車的研制，有的甚至已進(jìn)入實(shí)用化、商品化階段，如“勇氣號(hào)”火星車。在國內(nèi)，清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、國防科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)、華中科技大學(xué)和航天科技集團(tuán)502所等高等院校及科研院所相繼開展了這方面的研究工作[4,5]。</p&g

28、t;<p>　　迄今為止，國內(nèi)外研究人員從行星車移動(dòng)系統(tǒng)的越障性能、地形適應(yīng)能力、能耗等要求出發(fā)，研制出各類行星車移動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品及樣機(jī)多達(dá)四十余種。根據(jù)移動(dòng)系統(tǒng)的體積大小不同，可分為微型、超小型、中型及大型等四類。根據(jù)操縱控制方式不同，可分為有人駕駛、無人駕駛遠(yuǎn)程遙控兩類。根據(jù)移動(dòng)方式不同，可分為履帶式、腿式、輪式、輪腿式等幾類[6]，具體特點(diǎn)等參見表1-1。</p><p>　　由于輪式移動(dòng)系統(tǒng)具有

29、運(yùn)動(dòng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，故得到了廣泛研究。隨著各種懸架的出現(xiàn)，其越野能力已大大增強(qiáng)，可以與腿式移動(dòng)系統(tǒng)相媲美[7]。根據(jù)輪式移動(dòng)系統(tǒng)是否具有可展開功能可進(jìn)一步分類。</p><p>　　表1-1 星球車移動(dòng)系統(tǒng)主要分類及特點(diǎn)</p><p>　　1.2.1 不可展輪式移動(dòng)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀</p><p>　?。?）單輪移動(dòng)系統(tǒng) </p><p>　　

30、單輪移動(dòng)系統(tǒng)不存在懸架的概念。由于它用一個(gè)輪子來代替整個(gè)車體，很好地利用了圓這種幾何形狀，避免了車底凈高等附加幾何約束對(duì)車輛地形適應(yīng)能力的限制，從而大大地減小了體積，增加了機(jī)動(dòng)靈活性。例如：美國CMU機(jī)器人研究所研制的單輪移動(dòng)機(jī)器人Gyrover[8]，參見圖1-1。</p><p>　　圖1-1 單輪機(jī)器人Gyrover[8]</p><p>　　日本東京電子通訊大學(xué)也研制了一種球形移

31、動(dòng)機(jī)器人。它由一個(gè)球形輪和一個(gè)裝在輪上的弧形體構(gòu)成，運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)全部位于球形輪內(nèi)部。哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京郵電大學(xué)也分別研制過單輪星球車原理樣機(jī)。</p><p>　?。?）二輪移動(dòng)系統(tǒng) </p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的兩輪并列式星球車原理樣機(jī)，具有體積小、不易傾覆、 零半徑旋轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，可作為子母探測(cè)車中的子車[9]。</p><p>　?。?）四輪移動(dòng)系

32、統(tǒng) </p><p>　　四輪移動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，但越野能力有限，要想對(duì)此進(jìn)行改進(jìn)，必須在底盤及驅(qū)動(dòng)方式上有所突破。美國University of Oklahoma研制的Copernicus Rover就是通過獨(dú)特的底盤結(jié)構(gòu)來提高地形適應(yīng)能力的，其樣機(jī)及底盤結(jié)構(gòu)型式參見圖1-2[10]。</p><p>　　圖1-2 行星車Copernicus及其底盤結(jié)構(gòu)[10] </p

33、><p>　　（4）八輪移動(dòng)系統(tǒng) </p><p>　　八輪移動(dòng)系統(tǒng)在行駛平穩(wěn)性方面具有優(yōu)勢(shì)，值得深入研究，目前共有四種類型。</p><p>　　扭桿式八輪移動(dòng)系統(tǒng)，主要應(yīng)用于前蘇聯(lián)研制的星球車[11]，參見圖1-3。該移動(dòng)系統(tǒng)由儀器艙與自動(dòng)行走底盤組成，具有保證車體平穩(wěn)性及行駛平順性的優(yōu)點(diǎn)，但懸架在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)對(duì)車輪產(chǎn)生額外的橫向或縱向力。</p>

34、<p>　　圖1-3樣機(jī)和車輪與車架連接結(jié)構(gòu)示意圖[11]</p><p>　　CRAB-8和DoubleSpring八輪移動(dòng)系統(tǒng)參見圖1-15，前者為CRAB-8，后者為DoubleSpring。這兩種移動(dòng)系統(tǒng)均是歐洲ASL提出的新概念車型，二者均具有結(jié)構(gòu)對(duì)稱，質(zhì)心位于系統(tǒng)中心的特點(diǎn)。雖沒有樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，但經(jīng)仿真顯示，兩系統(tǒng)的越障、平順性、地形適應(yīng)能力均較好。</p><p>　　

35、圖1-4 CRAB-8 和 DoubleSpring 機(jī)構(gòu)示意圖</p><p>　　搖臂式八輪移動(dòng)系統(tǒng)采用閉鏈平面鉸鏈機(jī)構(gòu)，由哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制，參見圖1-16。其結(jié)構(gòu)型式左右對(duì)稱，通過差速機(jī)構(gòu)與承載平臺(tái)連接，具有重力在各輪上均勻分配、八輪自適應(yīng)地形及通過性能良好等優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。</p><p>　　圖1-5 搖臂式八輪移動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)示意圖</p><p>

36、　　1.2.2 可展開輪式移動(dòng)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀</p><p>　　在類型眾多的行星探測(cè)車移動(dòng)系統(tǒng)中，具有可展開功能的車型并不多。已研制出樣機(jī)的有下列幾種：</p><p>　　（1）整體可展開移動(dòng)系統(tǒng) </p><p>　　整體可展開移動(dòng)系統(tǒng)以三輪移動(dòng)系統(tǒng)為主，由于三個(gè)車輪聯(lián)接于同一個(gè)懸架，移動(dòng)系統(tǒng)的折疊與展開需整體進(jìn)行。具有代表性的有日本NASDA和東京工業(yè)大學(xué)聯(lián)

37、合開發(fā)的Tri-star2，它采用軸環(huán)和可壓縮輪結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性，其體積折疊比可達(dá)到373%，參見圖1-6。</p><p>　　圖1-6 Tri-star2 行星車[11]</p><p>　　移動(dòng)系統(tǒng)整體展開的還有美國國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)局 (NIST)研制的索纜并聯(lián)機(jī)器人RoboCrane[12]。該移動(dòng)系統(tǒng)由三組索桿鉸接在一個(gè)Stewart平臺(tái)上形成，索桿可代替動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)形成移動(dòng)框架

38、。通過索纜的順序張緊與釋放，改變索桿和車輪間相對(duì)位置，可最終完成折疊與展開功能，圖1-7為RoboCrane的兩款樣機(jī)照片和其展開過程概念示意圖。</p><p>　　圖1-7 NIST RoboCrane 樣機(jī)與展開示意圖[12]</p><p>　　（2）底盤可展開移動(dòng)系統(tǒng) </p><p>　　美國CMU研制的Nomad13]是一種底盤可變形的四輪行星車。它采

39、用前蘇聯(lián)的自包含電動(dòng)輪模塊概念、Rocky系列的轉(zhuǎn)向節(jié)懸掛機(jī)構(gòu)、顯式轉(zhuǎn)向連桿機(jī)構(gòu)和LRV的自動(dòng)輪距擴(kuò)展概念，利用均化懸掛系統(tǒng)平滑車體相對(duì)于車輪的運(yùn)動(dòng)，保證在各種地形情況下四輪都能同時(shí)著地。當(dāng)?shù)妆P完全展開時(shí)所占的包絡(luò)空間可比其折疊狀態(tài)時(shí)增加35%，這種展開功能使底盤具備超越其裝載結(jié)構(gòu)20%的靜穩(wěn)定性。其底盤主要通過兩個(gè)四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行變形，當(dāng)?shù)妆P展開時(shí)四桿機(jī)構(gòu)變成一個(gè)菱形，當(dāng)?shù)妆P收縮時(shí)四桿機(jī)構(gòu)則變成一條直線，每組四桿機(jī)構(gòu)具有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)裝置。其

40、樣機(jī)模型及底盤變形前后示意圖參見圖1-8。</p><p>　　圖1-8 Nomad 行星車和Nomad 底盤結(jié)構(gòu)[13]</p><p>　?。?）懸架可展開移動(dòng)系統(tǒng) </p><p>　　懸架可展開移動(dòng)系統(tǒng)通過獨(dú)立懸架機(jī)構(gòu)的折疊與展開實(shí)現(xiàn)體積變化，具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單的特點(diǎn)。該類型移動(dòng)系統(tǒng)在美國JPL研制的“Sojourner” 及“Spirit”上得到了成功應(yīng)用

41、[14]。其中“Sojourner”折疊收攏時(shí)采用蹲坐的方式，通過將搖臂桿在與車體連接的樞軸處分為兩部分實(shí)現(xiàn)。車體站起時(shí)，其它車輪不動(dòng)，后輪被驅(qū)動(dòng)向前，車體被拱起達(dá)到要求高度時(shí)，彈簧捕捉機(jī)構(gòu)將其鎖定，使整車處于可工作狀態(tài)，參見圖1-9。當(dāng)“Spirit”折疊時(shí)，后副搖臂沿著滑道縮入前副搖臂，使中輪與后輪的輪距縮小，從而減小整車長度尺寸；后主搖臂通過副搖臂鉸軸及主搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)副分別與副搖臂及前主搖臂發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)車體的蹲伏，縮小整車高度尺

42、寸；前主搖臂繞主搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng)，使車輪轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)，減小車體前端寬度尺寸，實(shí)現(xiàn)折疊。</p><p>　　a) 展開狀態(tài) b) 折疊狀態(tài)</p><p>　　圖1-9 Sojourner的折疊狀態(tài)與展開狀態(tài)[14]</p><p>　　“Spirit”火星車的折疊、展開與“Sojourner” 有很多不同，它可實(shí)現(xiàn)長

43、、寬、高三方向的折疊與展開?！癝pirit”單側(cè)懸架結(jié)構(gòu)參見圖1-10，懸架的折疊主要通過懸架各構(gòu)件間相對(duì)位置的改變來實(shí)現(xiàn)，參與折疊的構(gòu)件包括后副搖臂(Aft Bogie)、前副搖臂(Forward Bogie)、 副搖臂鉸軸(Bogie Pivot)、后主搖臂(Aft Rocker)、主搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)副(Rocker-Bridge Joint)、前主搖臂(Forward Rocker)、主搖臂展開驅(qū)動(dòng)電機(jī)(Rocker Deployment

44、 Actuator)七部分。當(dāng)“Spirit”折疊時(shí)，后副搖臂沿著滑道縮入前副搖臂，使中輪與后輪的輪距縮小，從而減小整車長度尺寸；后主搖臂通過副搖臂鉸軸及主搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)副分別與副搖臂及前主搖臂發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)車體的蹲伏，縮小整車高度尺寸；前主搖臂繞主搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng)，使車輪轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)，減小車體前端寬度尺寸，實(shí)現(xiàn)如圖1-10(a)所示的折疊。</p><p>　　a) 折疊狀態(tài) b)

45、 展開狀態(tài)</p><p>　　圖1-10 “Spirit”火星探測(cè)車折疊狀態(tài)與展開狀態(tài)的對(duì)比</p><p>　　（4）可展開車輪概述 </p><p>　　可展開車輪在國內(nèi)外的研究均較少，60年代美國設(shè)計(jì)了一種圓規(guī)腿步行輪[15]，它通過多種傳感器獲得車輛的位姿信息，由計(jì)算機(jī)控制參數(shù)的變化，能完全補(bǔ)償步行輪的多邊形效應(yīng)，并能在步行輪和普通輪之間轉(zhuǎn)換以適應(yīng)地面的

46、坡度、越過障礙并保持行駛平順性，參見圖1-11。</p><p>　　圖1-11 圓規(guī)腿步行輪示意圖[15] 圖1-12 可展開車輪實(shí)物圖[11]</p><p>　　在國內(nèi)，北航研制出一種可重復(fù)展開式車輪，與圓規(guī)腿步行輪工作方式相仿，這種車輪在星球車移動(dòng)過程中可根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)出的指令展開與折疊。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院在可展開式車輪上，進(jìn)行了初步的研究，研制出幾

47、種可展開式車輪，實(shí)物模型參見圖1-12。</p><p>　　1.3 本文研究主要內(nèi)容</p><p>　?。?）八輪星球探測(cè)車可展開移動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　包括車輪部件、懸架部件。根據(jù)車輪部件獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、獨(dú)立轉(zhuǎn)向的功能要求，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置及轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計(jì)，同時(shí)采用可展開車輪新構(gòu)型設(shè)計(jì)相應(yīng)的輪輻結(jié)構(gòu)。</p><p>　　（

48、2）八輪星球探測(cè)車可展開移動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)</p><p>　　根據(jù)八輪扭桿搖臂星球車車型特點(diǎn)，建立了由結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)表征的越障通過性能參數(shù)表達(dá)式，對(duì)移動(dòng)系統(tǒng)的越障通過性能進(jìn)行了全面分析。在此基礎(chǔ)上，求解并確定了主要結(jié)構(gòu)尺寸，保證了所設(shè)計(jì)星球車的越障性能。</p><p>　　（3）八輪星球探測(cè)車可展開移動(dòng)系統(tǒng)三維仿真</p><p>　　通過建立的三維模型，對(duì)展開過

49、程進(jìn)行仿真。</p><p>　　第2章 可展開移動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　2.1 引言</b></p><p>　　在現(xiàn)有的航天器運(yùn)載技術(shù)條件下，運(yùn)載工具有效載荷空間的限制要求星球車應(yīng)盡可能結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，而星球車的功能需求卻要求其具有較大體積，因此折疊與展開技術(shù)在星球車的研制開發(fā)上具有廣闊的應(yīng)用前景。美國“勇氣”號(hào)探

50、測(cè)車就是折疊與展開技術(shù)在行星探測(cè)器上成功應(yīng)用的范例。</p><p>　　輪式移動(dòng)系統(tǒng)因其高效可靠等特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用，目前研制較成功的輪式移動(dòng)系統(tǒng)均采用各輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的方式。輪式移動(dòng)系統(tǒng)按主要完成功能可劃分為承載車體、懸架部件及車輪部件三大組成部分。其中承載車體主要功能是裝載各種儀器設(shè)備，所占空間體積不易改變，故研究星球車懸架和車輪的折疊與展開問題具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。</p><p>　　懸

51、架作為星球車的支撐部件，車輪作為星球車行走的執(zhí)行部件，各自在結(jié)構(gòu)上影響著整車的體積，在功能上影響著整車行駛的平順性與越障性，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是本章的重點(diǎn)。</p><p>　　2.2 移動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本型式</p><p>　　八輪星球探測(cè)車移動(dòng)系統(tǒng)作為新型輪式移動(dòng)系統(tǒng)，采用八輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式，具有前后四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向功能。該移動(dòng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)型式對(duì)稱的特點(diǎn)，其單側(cè)結(jié)構(gòu)型式如圖2-1所示。建立Y

52、OZ平面坐標(biāo)系，其中Y方向?yàn)樾乔蜍囆旭偡较?，Z方向?yàn)殂U直方向。</p><p>　　該移動(dòng)系統(tǒng)的三大組成部分為承載車體、懸架部件及車輪部件。其中懸架部件由扭桿彈簧、扭桿壓臂、搖臂組成；車輪部件則包括轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、車輪及其驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置。各部件聯(lián)接方式如下：四組扭桿彈簧分別被橫向布置于承載車體內(nèi)作為懸架支撐，每組扭桿彈簧均一端固接于承載車體，另一端固接于扭桿壓臂。由于扭桿彈簧的特點(diǎn)，扭桿壓臂可相對(duì)于車體進(jìn)行小幅度轉(zhuǎn)動(dòng)；同

53、時(shí)八輪中每兩輪通過搖臂共同鉸接于同一扭桿壓臂，這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使重力在各車輪上能夠均勻分配，并實(shí)現(xiàn)八輪自適應(yīng)地形變化。</p><p>　　1.車輪 2.搖臂 3.扭桿壓臂 4.承載車體 5.扭桿彈簧 6.轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)</p><p>　　圖2-1 八輪星球探測(cè)車機(jī)構(gòu)示意圖</p><p>　　要求星球車可適應(yīng)多種方式、不同地點(diǎn)的展開，即星球車可在著陸器上展開，或離開著陸器

54、的過程中在著陸梯上展開，或駛離著陸器后在月球表面展開，因此折疊狀態(tài)時(shí)星球車仍可自由行駛是懸架結(jié)構(gòu)主要性能要求。同時(shí)星球車需搭載于著陸器內(nèi)部，故可展開移動(dòng)系統(tǒng)折疊后所占用的空間應(yīng)小于著陸器承載艙內(nèi)部的包絡(luò)空間，并要求折疊后與折疊前體積比小于0.8。</p><p>　　2.3 可展開懸架結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.3.1 可展開懸架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析</p><p>

55、　　由本章2.2節(jié)可知，懸架部件通過四組扭桿彈簧與承載車體間相聯(lián)接，且扭桿彈簧被橫向(沿車體寬度方向)布置在承載車體內(nèi)。如果要沿寬度方向折疊懸架，可以有兩種方法：①在承載車體內(nèi)預(yù)留足夠空間，并附加改變扭桿彈簧間相對(duì)位置的機(jī)構(gòu)；②利用懸架部件的空間運(yùn)動(dòng)改變懸架與車體間的相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)懸架的折疊。兩種方法均增加了懸架部件結(jié)構(gòu)及其展開運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜程度?；诮Y(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動(dòng)可靠的觀點(diǎn)，本文只考慮長度(沿Y軸)、高度(沿Z軸)方向的折疊與展開，即懸架

56、部件只在YOZ面上折疊與展開。</p><p>　　2.3.2 可展開懸架展開方案確定</p><p>　?。?）可展開懸架結(jié)構(gòu)確定 合理的懸架展開機(jī)構(gòu)構(gòu)型方案，應(yīng)在保證折疊后星球車所占包絡(luò)空間最小的前提下，同時(shí)兼顧到懸架自身功能、懸架展開的可靠性、星球車車型特點(diǎn)及懸架作為星球車的組成部分所應(yīng)具有的空間機(jī)構(gòu)特點(diǎn)、懸架展開的動(dòng)力源選用等諸方面。方案選取時(shí)需依據(jù)如下三條準(zhǔn)則：</p&g

57、t;<p>　　1.懸架折疊后星球車所占包絡(luò)空間??； </p><p>　　2.未展開前仍可自由行駛，以適應(yīng)駛離著陸器在月面上展開的需求；</p><p>　　3.懸架組成構(gòu)件少，以滿足懸架展開可靠性要求及懸架作為空間機(jī)構(gòu)應(yīng)具有的質(zhì)量輕的特點(diǎn)；</p><p>　　圖2-2為星球車可展開懸架折疊狀態(tài)與展開狀態(tài)機(jī)構(gòu)簡圖。</p><p

58、>　　a)折疊狀態(tài) b)展開狀態(tài)</p><p>　　圖2-2 可展開懸架折疊與展開狀態(tài)機(jī)構(gòu)簡圖</p><p>　　由機(jī)構(gòu)自由度及主動(dòng)副位置的判定可知，要實(shí)現(xiàn)確定的星球車懸架展開運(yùn)動(dòng)，需分別在三個(gè)車輪和鉸鏈A、鉸鏈B處添加動(dòng)力源，具體參見圖2-2(b)，圖中標(biāo)示的運(yùn)動(dòng)副位置即為動(dòng)力源安置位置。由于本車型移動(dòng)系統(tǒng)采用八輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式，故可直接利用車輪驅(qū)

59、動(dòng)電機(jī)作為動(dòng)力源。</p><p>　?。?）可展開懸架附加機(jī)構(gòu)組成 由圖2-2可以看出,為保證懸架處于折疊狀態(tài)（或展開狀態(tài)）時(shí)各構(gòu)件均具有確定的相對(duì)位置，需附加搖臂折疊鎖定機(jī)構(gòu)、搖臂展開鎖定機(jī)構(gòu)、扭桿壓臂折疊鎖定機(jī)構(gòu)、扭桿壓臂展開鎖定機(jī)構(gòu)，其中各折疊鎖定機(jī)構(gòu)均包含解鎖裝置。為實(shí)現(xiàn)懸架展開運(yùn)動(dòng)，還需附加驅(qū)動(dòng)懸架展開的動(dòng)力裝置，用于解鎖和啟動(dòng)、制動(dòng)電機(jī)的位置傳感器。</p><p>　?。?/p>

60、3）可展開懸架的折疊與展開 可展開懸架的折疊由人直接參與在地面上進(jìn)行，因而可以有多種形式，不需特別規(guī)劃。而懸架的展開需通過遙控在月面上進(jìn)行，人不能直接參與，故其展開方式要根據(jù)展開地點(diǎn)不同進(jìn)行規(guī)劃。為敘述方便，記搖臂及扭桿壓臂的展開鎖定機(jī)構(gòu)分別為E、F，記搖臂及扭桿壓臂的折疊鎖定機(jī)構(gòu)分別為G、H。</p><p>　　在著陸器上展開。此時(shí)，星球車承載車體被安置于著陸器上的支撐平臺(tái)，且星球車車輪離地一定距離，當(dāng)折疊

61、鎖定機(jī)構(gòu)G與H解鎖后，在重力與彈簧動(dòng)力源的雙重作用下，星球車扭桿壓臂折桿向下展開，當(dāng)車輪觸及地面后，在地面支反力的作用下，兩搖臂被打開至工作位置后由展開鎖定機(jī)構(gòu)E鎖止，同時(shí)車體在彈簧動(dòng)力源作用下向上抬起車體至工作位置，展開鎖定機(jī)構(gòu)F將扭桿壓臂鎖定。圖2-3為星球車在著陸上展開過程示意圖。</p><p>　　1.搖臂 2.扭桿壓臂折桿 3.承載車體 4.支撐平臺(tái)</p><p>　　圖2-

62、3 星球車著陸展開過程示意圖</p><p>　　2.4 可展開車輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　對(duì)于圓形截面車輪，其輪緣寬度與直徑是影響星球車越障通過性能的重要因素，并直接影響星球車整體尺寸的大小，因此可通過徑向或軸向的折疊與展開來改變車輪的體積，即其組成構(gòu)件必須具備沿車輪徑向或軸向運(yùn)動(dòng)的可能。同時(shí)，應(yīng)避免附加驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源，而盡可能利用車輪自身的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。因此，文中提出兩種可展開車輪輪輻

63、基本結(jié)構(gòu)型式。</p><p>　?。?）空間展開式構(gòu)型 借鑒折疊雨傘的傘架結(jié)構(gòu)，采用空間并聯(lián)桿機(jī)構(gòu)作為可展開車輪輪輻的基本結(jié)構(gòu)。該空間機(jī)構(gòu)由六組構(gòu)型相同的支路并聯(lián)組成，每一支路均由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)及分別在曲柄和連桿上加載的兩桿組成，單個(gè)支路的機(jī)構(gòu)示意圖參見圖2-4。機(jī)構(gòu)的并聯(lián)是通過各支路中滑塊與機(jī)架構(gòu)件分別合并實(shí)現(xiàn)的，合并后的構(gòu)件仍分別稱為滑塊與機(jī)架。</p><p>　　1.機(jī)架　2.

64、曲柄　3. 滑塊　4. 連桿　5.附加桿①　6.附加桿②　</p><p>　　圖2-4 可展開式車輪支路機(jī)構(gòu)示意圖及仿真示意圖</p><p>　　其中滑塊為主動(dòng)件，附加桿②的末端通過形狀改變可制成輪緣。該機(jī)構(gòu)需附加一個(gè)驅(qū)動(dòng)部件將滑塊與車輪電機(jī)聯(lián)接才可驅(qū)動(dòng)，此驅(qū)動(dòng)部件要求具有將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)槠揭七\(yùn)動(dòng)的功能，如圓柱狀斜面凸輪。其運(yùn)動(dòng)方式為：當(dāng)車輪電機(jī)啟動(dòng)并驅(qū)動(dòng)滑塊移動(dòng)時(shí)，整個(gè)空間機(jī)構(gòu)產(chǎn)生徑

65、向的伸展及軸向的收縮（或徑向的收縮與軸向的伸展），這樣車輪實(shí)現(xiàn)展開（或折疊）。</p><p>　?。?）平面展開式構(gòu)型 為使機(jī)構(gòu)的展開運(yùn)動(dòng)盡可能簡單可靠，只考慮改變對(duì)車輪體積影響最大的徑向尺寸，即車輪展開運(yùn)動(dòng)為平面運(yùn)動(dòng)。由于可展開式車輪在某一徑向的折疊與伸展，可看作其沿該方向的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，故可采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)這種運(yùn)動(dòng)形式。若要實(shí)現(xiàn)整個(gè)車輪沿徑向的折疊與展開，則需在車輪周向均布且并聯(lián)若干組曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。其中

66、被并聯(lián)構(gòu)件分別為曲柄與機(jī)架，曲柄為主動(dòng)件。</p><p>　　為分析簡化，在車輪周向均布且并聯(lián)六組曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)示意圖參見圖2-5。當(dāng)曲柄、連桿、滑塊處于同一直線時(shí)，車輪完全展開。通過特定機(jī)構(gòu)鎖定后，滑塊外緣可構(gòu)成輪緣，曲柄、連桿、滑塊與滑槽被固連成為一個(gè)整體，共同構(gòu)成輪輻。由于采用曲柄為主動(dòng)件，因而不需要再附加驅(qū)動(dòng)部件，直接將曲柄構(gòu)件與車輪電機(jī)相聯(lián)接，并驅(qū)動(dòng)其旋轉(zhuǎn)就可以實(shí)現(xiàn)車輪的伸展運(yùn)動(dòng)。</p&

67、gt;<p>　　a) 車輪折疊狀態(tài) 　 b) 車輪展開狀態(tài)</p><p>　　1.曲柄　2.滑槽　3.連桿1　4.滑塊1　5.連桿2　6.滑塊2 7.連桿3　8.滑塊3　9.連桿4　10.滑塊4　11.連桿5 12.滑塊5　13.連桿6　14.滑塊6</p><p>　　圖2-5 可展開式車輪機(jī)構(gòu)示意圖</p><p>　?。?）基本構(gòu)

68、型確定 由空間展開式構(gòu)型的展開方式可知，在實(shí)現(xiàn)車輪徑向折疊的同時(shí)車輪軸向尺寸會(huì)被動(dòng)增大，從而影響折疊的效果，其所附加的驅(qū)動(dòng)部件還會(huì)增加車輪結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及重量。與空間展開式構(gòu)型相比，平面展開式構(gòu)型中展開機(jī)構(gòu)為平面機(jī)構(gòu)，車輪折疊與展開時(shí)不會(huì)附加產(chǎn)生其它方向的尺寸改變，不需要再附加驅(qū)動(dòng)部件，車輪結(jié)構(gòu)及其展開運(yùn)動(dòng)相對(duì)簡單可靠。故選取平面展開式構(gòu)型進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　2.5 本章小結(jié)&

69、lt;/b></p><p>　　本章通過分別研究選取懸架具體結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)的折疊展開方式和關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式，組合出幾種方案，通過分析比較，從中確定了設(shè)計(jì)中的最終的整體方案并闡述了所選總體方案的工作原理。本章分別對(duì)組成移動(dòng)系統(tǒng)的懸架部件、車輪部件進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，確定了各向折疊比均小于0.8的可展開懸架新構(gòu)型，與現(xiàn)有各類可展開懸架相比，具有折疊狀態(tài)可自由行駛、多種地點(diǎn)展開的優(yōu)點(diǎn)。</p><p&g

70、t;　　第3章 可展開移動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　3.1 引言</b></p><p>　　復(fù)雜月面地形的適應(yīng)性、越障通過性是評(píng)價(jià)星球車移動(dòng)系統(tǒng)性能好壞的重要指標(biāo)，也是新車型研制過程中需解決的關(guān)鍵問題?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中，學(xué)者們多是針對(duì)所研制出的具有確定結(jié)構(gòu)尺寸的車型進(jìn)行越障通過性分析，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)車型的合理性、實(shí)用性。若在確定結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)，將星球車的越障性

71、能作為設(shè)計(jì)條件加以考慮，那么所設(shè)計(jì)車型的越障性能可達(dá)到較理想狀態(tài)?；谏鲜鏊枷耄宰畲笤秸细叨茸鳛槟繕?biāo)，其它越障通過性條件作為約束，對(duì)八輪星球探測(cè)車移動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。</p><p>　　3.2 由結(jié)構(gòu)參數(shù)表征的地形通過條件</p><p>　　資料表明，月面上常見幾何障礙分布情況如下：高度20～50cm的巨礫分布密度為3個(gè)～4個(gè)/100m2；直徑1m～3m的環(huán)形山分布密度為10

72、個(gè)/100 m2，直徑3m～5m的環(huán)形山分布密度為0.2～1個(gè)/100 m2；斜坡約為20°。綜合上述情況及八輪星球探測(cè)車的車型特點(diǎn)， 利用結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)表征，確定八輪星球探測(cè)車通過各種月面地形的臨界條件。</p><p>　　3.2.1 通過崎嶇地形臨界條件</p><p>　?。?）最小離地間隙 當(dāng)星球車滿載、靜止且八輪基本處于同一水平高度時(shí)，月面與車體最低處的垂直距離被定義為

73、最小離地間隙，記為c，它反映了星球車無碰撞地通過局部垂直障礙物的能力，參見圖3-1。</p><p>　?。?）前懸和后懸 如圖3-1所示，前懸Lf指前輪中心至星球車車體最前端的距離，接近角γ1為從車體最前端向前輪所引切線與月面形成的角。前懸Lf與接近角γ1共同反映星球車接近障礙的能力。后懸Lr為后輪中心至星球車最后端的距離，離去角γ2為從車體最后端向后輪所引切線與月面形成的角。后懸Lr與離去角γ2共同反映星球車

74、離開障礙的能力。當(dāng)星球車結(jié)構(gòu)型式如圖3-1中所示時(shí)，記Lr≤0、Lf ≤0，則當(dāng)車體前、后端部分別超過前、后車輪中心時(shí)，記Lr≥0、Lf≥0。由于本車型前后對(duì)稱，且要保證前后四輪轉(zhuǎn)向不受干涉，故取 Lr =Lf ≤0，則γ1=γ2≥90º。</p><p>　　圖3-1 前懸、后懸、接近角和離去角</p><p>　　3.2.2 通過坡狀地形失效條件</p><

75、;p>　?。?）車體前端觸頭失效 如圖3-2(a)所示，星球車行駛至兩個(gè)坡形面交匯處，當(dāng)坡形面與星球車的幾何尺寸及相對(duì)位置關(guān)系滿足式(3-1)時(shí)，將引起車體前端觸及月地表面，導(dǎo)致星球車無法行走，失去通過性。</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　事實(shí)上，在3.2.1節(jié)根據(jù)車型特點(diǎn)確定了Lf的取值總是小于Lm，即所設(shè)計(jì)星球車不會(huì)發(fā)生車

76、體前端觸頭失效。</p><p>　　a) 車體前端觸頭失效 b) 車輪觸頭傾覆失效</p><p>　　圖3-2 觸頭失效示意圖</p><p>　　（2）車輪觸頭傾覆失效 如圖3-2(b)所示，由于扭桿搖臂式懸架的構(gòu)型特點(diǎn)，當(dāng)兩坡形月面夾角超過一定條件時(shí)，前搖臂將繞其鉸鏈翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致星球車傾覆，失去通過性。其準(zhǔn)靜態(tài)方程如下</p&

77、gt;<p>　　式中 Ni ——星球車各車輪的地面支反力；</p><p>　　L ——星球車前輪到后輪中心的距離；</p><p>　　l ——星球車同一搖臂上兩輪中心的距離；</p><p>　　φ——車輪與地面間的附著系數(shù)；</p><p><b>　　G——星球車重量；</b></p>

78、;<p>　　hg——星球車質(zhì)心高度。 </p><p>　　將前搖臂分離體對(duì)鉸鏈A取矩，當(dāng)其所受力矩之和沿順時(shí)針方向小于零時(shí)，則出現(xiàn)車輪觸頭失效，即</p><p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　求解方程組(3-2)，將所得Ni (i=1,2)值代入式(3-3)可得避免車輪觸頭失效的臨界條件為</p&

79、gt;<p><b>　　(3-4)其中</b></p><p>　?。?）星球車側(cè)向傾覆失效 如圖3-3(a)所示，星球車沿傾斜角度為β的坡形月面勻速側(cè)向行駛，當(dāng)上側(cè)車輪的支反力N1為零時(shí)，星球車處于側(cè)向傾覆的臨界狀態(tài)，此時(shí)該車將產(chǎn)生以下側(cè)車輪的外輪緣支撐處為軸線的傾覆。由于下側(cè)車輪所受的月面支反力與摩擦力均通過傾覆軸線，所以臨界坡度角β的計(jì)算公式為</p>&

80、lt;p><b>　　(3-6)</b></p><p>　　故側(cè)向傾覆失效條件為</p><p>　　， (3-8)</p><p>　　即只有滿足時(shí)，才不會(huì)側(cè)向傾覆。</p><p>　　當(dāng)星球車處于臨界側(cè)滑狀態(tài)時(shí)，有</p><p><b>　　(

81、3-9) </b></p><p>　　即不側(cè)滑的臨界條件為 </p><p><b>　　(3-10) </b></p><p>　　若允許側(cè)滑而不側(cè)傾，則有</p><p><b>　　(3-11)</b></p><p>　　由式(3-8)可以看出

82、，星球車的重心高度越低，其傾覆角越大，越不易傾覆。當(dāng)然重心過低又會(huì)影響星球車的通過性。由式(3-11)則可以看出，傾覆失效還與附著系數(shù)有著密切關(guān)系，附著系數(shù)越小，因側(cè)滑作用，也不易產(chǎn)生傾覆。但當(dāng)附著系數(shù)過小時(shí)，星球車又將失去爬坡能力。這些相互制約的因素都將作為優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)的約束條件。坡度角β的臨界值也可用來評(píng)價(jià)其單側(cè)車輪同時(shí)越過障礙物的能力。</p><p>　　a) 側(cè)向傾覆失效 b)

83、 縱向傾覆失效</p><p>　　圖3-3 傾覆失效示意圖</p><p>　?。?）星球車縱向傾覆失效 如圖3-3(b)所示，星球車沿傾斜角度為β的坡形月面勻速側(cè)向行駛，當(dāng)星球車處于縱向傾覆失效臨界狀態(tài)，通過受力分析，建立其準(zhǔn)靜態(tài)方程組如下</p><p>　　當(dāng)時(shí)，星球車將產(chǎn)生縱向傾覆。對(duì)方程組(3-12)進(jìn)行求解，得</p><p>

84、;<b>　　(3-13)</b></p><p>　　又N4=0是星球車縱向傾覆的臨界條件，故不產(chǎn)生縱向傾覆的條件為</p><p><b>　　(3-14)</b></p><p>　　靜止時(shí)不下滑（八個(gè)車輪同時(shí)制動(dòng)），應(yīng)滿足</p><p><b>　　(3-15)</b>

85、;</p><p>　　即不下滑的條件為 (3-16)</p><p>　　若允許下滑而不縱向傾覆，應(yīng)滿足下式</p><p><b>　　(3-17)</b></p><p>　　式中 ——星球車沿坡路下滑時(shí),坡度臨界角。</p>&l

86、t;p>　　此時(shí)坡度角β的臨界值可用來評(píng)價(jià)星球車在傾斜月面上的行駛能力。</p><p>　　3.3 由結(jié)構(gòu)參數(shù)表征的越垂直障礙條件</p><p>　　星球車越過垂直障礙的能力與車輪在移動(dòng)系統(tǒng)中的位置及各構(gòu)件的結(jié)構(gòu)尺寸均有密切關(guān)系。由于星球車移動(dòng)速度較低，尤其在越過垂直障礙時(shí)車速更低，因此可以用靜力學(xué)平衡方程求得星球車可以越過的垂直障礙物高度與星球車各結(jié)構(gòu)尺寸參量間的關(guān)系。<

87、;/p><p>　　3.3.1 兩個(gè)前車輪同時(shí)越障</p><p>　?。?）參數(shù)式推導(dǎo) 圖3-4為硬路面上星球車兩個(gè)前輪同時(shí)遇到垂直障礙時(shí)的力學(xué)模型。由圖3-4可列寫整車及前、后搖臂組件分離體的力及力矩平衡方程如下：</p><p>　　式中 Gc、Gb —— 分別為車體、搖臂組件重力；</p><p>　　hy —— 障礙高度；<

88、;/p><p>　　α —— 障礙對(duì)前輪的支反力與水平面夾角。</p><p><b>　　a) 整車受力分析</b></p><p>　　b) 前搖臂受力分析 c) 后搖臂受力分析 </p><p>　　圖3-4 兩個(gè)前輪同時(shí)垂直越障力學(xué)模型</p><p>　　lg、l

89、b —— 前輪（或后輪）軸心到車體質(zhì)心、搖臂質(zhì)心的距離；</p><p>　　ly、ln —— 扭桿壓臂長及扭桿中心到車體質(zhì)心距離。</p><p>　　根據(jù)圖3-6所示的幾何關(guān)系，有 </p><p><b>　　(3-19)</b></p><p>　　由方程組(3-18)及式(3-19)可得到星球車越過

90、障礙的高度與各結(jié)構(gòu)尺寸參量之間的關(guān)系</p><p>　　3.3.2 兩個(gè)中前輪同時(shí)越障</p><p>　　（1）參數(shù)式推導(dǎo) 圖3-5為硬路面上星球車兩個(gè)中前輪同時(shí)遇到垂直障礙時(shí)的力學(xué)模型。</p><p><b>　　a) 整車受力分析</b></p><p>　　b) 前搖臂受力分析 c) 后搖臂受

91、力分析 </p><p>　　圖3-5 兩個(gè)中前輪同時(shí)越垂直障礙力學(xué)模型</p><p>　　由圖3-5可列寫整車及前、后搖臂組件分離體的力及力矩平衡方程如下</p><p>　　由方程組(3-21)及式(3-19)可得星球車越過障礙的高度與各結(jié)構(gòu)尺寸參量之間的關(guān)系</p><p><b>　　(3-22)</b>&

92、lt;/p><p>　　3.3.3 各輪越過垂直障礙能力評(píng)價(jià)</p><p>　　仍采用建立準(zhǔn)靜力學(xué)平衡方程的分析方法推導(dǎo)兩中后輪同時(shí)越障及兩后輪同時(shí)越障的參數(shù)關(guān)系式，得到了兩前輪與兩中后輪越障能力完全相同，兩中前輪越障能力與兩后輪越障能力完全相同的結(jié)論，故只需分析兩前輪與兩中前輪的越障能力與結(jié)構(gòu)參數(shù)間的關(guān)系即可。</p><p>　　通過分析得，在附著系數(shù)φ相同的條

93、件下，兩前輪的越障能力與兩中前輪的越障能力相比較弱，即整車的越障能力主要取決于兩前輪的越障能力。因此為簡化問題，在后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中只考慮兩前輪越障所需的參數(shù)條件即可。</p><p>　　要獲得較好的越障效果h0應(yīng)在極值點(diǎn)附近取值，其具體取值還與l的取值有關(guān)，因此l取值不必要選取過大，要綜合hg的取值情況進(jìn)行選取。</p><p>　　3.3.4 探測(cè)車越過壕溝的能力</p>

94、<p>　?。?）理論推導(dǎo) 八輪星球探測(cè)車跨越壕溝的受力條件與越過垂直障礙時(shí)基本相同，參見圖3-1。</p><p>　　圖3-8 車輪越過壕溝狀態(tài)圖</p><p>　　當(dāng)壕溝寬度小于車輪直徑時(shí)，車輪陷入壕溝內(nèi)的深度hy可視作越過垂直障礙的高度，其與壕溝寬度ld存在下列關(guān)系，</p><p><b>　　(3-23)</b>&

95、lt;/p><p>　　3.3.5 移動(dòng)系統(tǒng)的主要參數(shù)確定</p><p>　　整車工作狀態(tài)所占包絡(luò)空間及其長L、寬B、高H的值；星球車質(zhì)心高度hg；星球車可爬越的斜坡坡度α(或β)；車箱高度為h；最小離地間隙c等。</p><p>　　根據(jù)技術(shù)要求，星球車折疊后所占包絡(luò)空間為1200 mm×1000 mm×800 mm。因不參與折疊寬度值始終為B

96、=1000mm。對(duì)于長度及高度，要求展開前后折疊比i≤0.8，故星球車工作狀態(tài)時(shí)，亦即展開后長度L≥1500mm、高度H≥1000mm。星球車質(zhì)心高度要求為整車高度的20%~50%，取hg=350mm。由于月面斜坡一般為20?，故取值α=30?為星球車可爬越坡度。各邊界值詳見表3-1。</p><p>　　表3-1 八輪星球探測(cè)車主要尺寸</p><p><b>　　3.4 本

97、章小結(jié)</b></p><p>　　本章根據(jù)八輪扭桿搖臂星球車車型特點(diǎn)，建立了由結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)表征的越障通過性能參數(shù)表達(dá)式，對(duì)移動(dòng)系統(tǒng)的越障通過性能進(jìn)行了全面分析。在此基礎(chǔ)上，求解并確定了主要結(jié)構(gòu)尺寸，保證了所設(shè)計(jì)星球車的越障性能。</p><p>　　通過準(zhǔn)靜力學(xué)分析，確定了八輪星球探測(cè)車失去通過性的臨界條件，建立了由結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)表征的通過性能參數(shù)表達(dá)式，分析了各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)星球

98、車越障性能與越溝性能的影響，得出了在相同的參數(shù)條件下，星球車的跨越壕溝的能力勝于其越障能力的結(jié)論。</p><p>　　第4章 可展開移動(dòng)系統(tǒng)車輪部件設(shè)計(jì)</p><p><b>　　4.1 引言</b></p><p>　　前面章節(jié)中，確定了八輪星球探測(cè)車可展開懸架結(jié)構(gòu)型式及其展開方式；從移動(dòng)系統(tǒng)的越障通過性能出發(fā)，以最大越障高度為目標(biāo)，

99、確定了星球車移動(dòng)系統(tǒng)展開狀態(tài)整體結(jié)構(gòu)尺寸。本章將根據(jù)已經(jīng)確定的結(jié)構(gòu)尺寸及可展開懸架結(jié)構(gòu)型式等條件，綜合移動(dòng)系統(tǒng)性能要求及機(jī)械本體特點(diǎn)對(duì)其各可展開移動(dòng)系統(tǒng)車輪進(jìn)行設(shè)計(jì)。 </p><p>　　4.2 可展開移動(dòng)系統(tǒng)概述</p><p>　　八輪星球探測(cè)車可展開移動(dòng)系統(tǒng)由承載車體、懸架部件和包含驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置的車輪部件三大功能部分組成。為滿足其特有的可展開功能要求，懸架部件還需附加鎖止限位

100、機(jī)構(gòu)及解鎖釋放機(jī)構(gòu)。</p><p>　　承載車體是各種探月儀器設(shè)備的載體，諸如顯微鏡成像儀、全景照相機(jī)、穆斯鮑爾分光計(jì)、阿爾法粒子x射線分光計(jì)、氣體分析儀、同位素電池、太陽能電池板、高增益天線等。這些儀器或因工作特性需密封保溫、或工作時(shí)與承載車體產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)、或彼此相對(duì)位置有特殊要求。因此承載車體的設(shè)計(jì)涉及了包絡(luò)空間的確定、聯(lián)接車載儀器的機(jī)械接口設(shè)計(jì)、聯(lián)接懸架的機(jī)械接口設(shè)計(jì)、密封設(shè)計(jì)等多方面問題。由于車載儀器的

101、放置是一個(gè)綜合的系統(tǒng)工程，本文僅涉及承載車體與懸架部件間的機(jī)械接口設(shè)計(jì)。并根據(jù)基本設(shè)計(jì)要求，以長方體表示承載車體包絡(luò)空間。</p><p>　　懸架部件和車輪部件的設(shè)計(jì)除機(jī)械本體外，還涉及了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇、展開動(dòng)力源的設(shè)計(jì)。根據(jù)基本技術(shù)要求(參見表4-1)進(jìn)行了可展開移動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 </p><p>　　表4-1 星球車技術(shù)性能參數(shù)</p><p>　　4.3

102、 車輪部件及其驅(qū)動(dòng)</p><p>　　八輪星球探測(cè)車采用八輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、前后四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向的運(yùn)動(dòng)方式，故其車輪部件的設(shè)計(jì)涉及了驅(qū)動(dòng)電機(jī)選取、驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)、獨(dú)立轉(zhuǎn)向裝置設(shè)計(jì)、車輪輪緣和輪輻設(shè)計(jì)等問題。</p><p>　　4.3.1 驅(qū)動(dòng)方案確定</p><p>　?。?）驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選取 月球上的大溫差、多粉塵環(huán)境對(duì)于電機(jī)的工作特性要求很高。瑞士MAXON公司生產(chǎn)

103、的直流微電機(jī)組合作為驅(qū)動(dòng)用部件，以每輛車39套的數(shù)量應(yīng)于“勇氣號(hào)”和“機(jī)遇號(hào)”火星車上，獲得了巨大成功。故本設(shè)計(jì)采用MAXON公司生產(chǎn)的集直流電機(jī)、行星齒輪減速器和編碼器于一體的微電機(jī)組合作為驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　電機(jī)功率的確定：考慮穩(wěn)定性最差的狀態(tài)，即星球車以最大的加速度上坡，所有的重量均由后部兩只車輪承擔(dān)。則有</p><p><b>　　(4-1)</b>

104、</p><p>　　式中 T——驅(qū)動(dòng)力矩(N·m)；</p><p>　　D——車輪直徑(m)；</p><p>　　M——星球車質(zhì)量(kg)；</p><p>　　a——星球車沿斜坡行駛加速度(m/s2)；</p><p>　　g——月球重力加速度(m/s2)；</p><p>　

105、　θ——坡度角(°)，取最大設(shè)計(jì)值30°。</p><p>　　由星球車最大行駛速度200m/h及最大加速度a=1m/s2，估算得到電機(jī)輸出功率約為20W。由MAXON電機(jī)樣本選取星球車原理樣機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)組合，包括電機(jī)RE25、減速器GP26B及ML型數(shù)字MR編碼器(包含線驅(qū)動(dòng)器)，表4-2和表4-3為電機(jī)和減速器的性能參數(shù)</p><p>　　表4-2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)max

106、on118746參數(shù)</p><p>　　表4-3 減速器maxon144046參數(shù)</p><p>　　根據(jù)結(jié)構(gòu)和尺寸要求，蓄電池采用112M7.0系列，具體參數(shù)如表4-4和表4-5所示。</p><p>　　表4-4 112M7.0蓄電池參數(shù)</p><p>　　表4-5 112M7.0蓄電池放電特性</p><p&g

107、t;　　（2）驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) 八輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的方式，避免了復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，直接由直流微電機(jī)組合作為驅(qū)動(dòng)用部件即可。因此驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)主要涉及車輪輪轂與驅(qū)動(dòng)電機(jī)組合輸出軸的聯(lián)接、輪轂與輪軸的聯(lián)接。具體設(shè)計(jì)為：輪軸內(nèi)部安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)組合，外部通過軸承與輪轂鉸接，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)組合輸出軸與輪轂聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的功能。輪軸一端有機(jī)械接口，可直接與搖臂相固定聯(lián)接。輪轂的外部結(jié)構(gòu)型式根據(jù)所選用或設(shè)計(jì)的車輪輪輻、輪緣型式確定。輪轂內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖參見圖4

108、-2。</p><p>　　1.輪轂端蓋　2.輸出軸聯(lián)接盤　3.輪轂　4.輪軸　5.電機(jī)組　6.搖臂①</p><p>　　圖4-2輪轂內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖</p><p>　　4.3.2 可展開車輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　圖4-4所示為車輪展開狀態(tài)結(jié)構(gòu)圖，車輪輪轂內(nèi)部采用圖4-2所示結(jié)構(gòu)。</p><p>　　1.輪

109、緣 2.連桿 3.滑塊 4.滑槽 5.輪轂 6.被動(dòng)滑槽 7.被動(dòng)滑塊</p><p>　　圖4-3可展開式車輪展開狀態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　根據(jù)可展開車輪輪輻拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其與輪軸構(gòu)件的關(guān)聯(lián)模型，對(duì)可展開車輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)可展開車輪滿足下列技術(shù)要求，具體參見表4-6。</p><p>　　表4-6 可展開車輪技術(shù)參數(shù)</p><p>

110、;　　在具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為保證車輪展開后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定以及車輪展開鎖止機(jī)構(gòu)的安裝需求，在基本曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，并聯(lián)了六組被動(dòng)滑塊結(jié)構(gòu)，同時(shí)將輪緣曲面進(jìn)行了分段處理，各段分別與滑塊構(gòu)件固接。如圖4-4所示，輪轂外部變換形狀后作為車輪展開機(jī)構(gòu)中的曲柄構(gòu)件，其與連桿、滑塊、滑槽相對(duì)運(yùn)動(dòng)至工作位置并被鎖止后，共同構(gòu)成輪輻。</p><p><b>　　4.4 本章小結(jié)</b></p>

111、<p>　　本章對(duì)星球車移動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程中著重解決了下列問題：根據(jù)車輪部件功能要求，單獨(dú)設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置，使它們分別與共同構(gòu)成車輪部件。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了可展開車輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。</p><p>　　第5章 可展開移動(dòng)系統(tǒng)仿真驗(yàn)證</p><p>　　5.1 三維建模軟件簡介</p><p>　　目前,隨著計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的不斷發(fā)展,三維造

112、型軟件功能不斷完善,傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)正逐漸被三維實(shí)體設(shè)計(jì)所代替。</p><p>　　Pro /Engineer是美國PTC公司于1988年開發(fā)的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng),是一套由設(shè)計(jì)至生產(chǎn)的機(jī)械自動(dòng)化的三維實(shí)體模型(3DS)設(shè)計(jì)軟件,它不僅具有CAD 的強(qiáng)大功能,同時(shí)還具有CAE 和CAM 的功能,廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)分析、有限元分析、加工制造及關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理等領(lǐng)域。而且能同時(shí)支持針對(duì)同一產(chǎn)品進(jìn)行同