輪腿式月球車機構(gòu)理論與仿真分析.pdf

1、為完成月球表面的探測任務(wù)，月球車是不可缺少的探測工具。目前，國內(nèi)外各科研院所設(shè)計的月球車種類很多，大有百家爭鳴之勢，但都是原理樣車，還不能真正上月球。自2004年我國正式啟動“嫦娥工程”以來，創(chuàng)新研制性能優(yōu)良的月球車就顯得尤為迫切。如何利用機構(gòu)理論、力學(xué)分析、優(yōu)化方法和仿真實驗等手段來進一步改善月球車的機動性能，使之滿足復(fù)雜月壤環(huán)境下的探測任務(wù)需求，是擺在廣大專家和學(xué)者面前急需解決的問題。
　　 論文基于動物肢體運動的不對稱性原

2、理，提出一種可以產(chǎn)生步行運動效果的二級半轉(zhuǎn)機構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，研制出一種新型的基于二級半轉(zhuǎn)機構(gòu)步行運動原理的輪腿式月球車。論文以該輪腿式月球車移動機構(gòu)為研究對象，從機構(gòu)設(shè)計、機構(gòu)運動學(xué)分析、越障性能研究、機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、移動性能仿真分析、模型樣機研制與場地試驗等角度開展相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究工作，其主要研究內(nèi)容和初步成果如下：
　　 (1)基于半轉(zhuǎn)機構(gòu)模擬動物肢體運動的不對稱性原理，提出一種可以產(chǎn)生步行運動效果的二級半轉(zhuǎn)機構(gòu)。通過分析二級

3、半轉(zhuǎn)機構(gòu)的內(nèi)在運動特性，探尋機構(gòu)中各轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的運動耦合關(guān)系?；诙壈朕D(zhuǎn)機構(gòu)的步行運動原理，提出了月球車輪腿機構(gòu)的總體機構(gòu)構(gòu)成方案，并采用二級行星輪系傳動來實現(xiàn)二級半轉(zhuǎn)機構(gòu)的步行運動特性。在此基礎(chǔ)上，進行輪腿機構(gòu)運動干涉分析，推導(dǎo)出了輪腿機構(gòu)不發(fā)生干涉且滿足步行運動要求的條件。在COSMOS Motion仿真環(huán)境下，對該輪腿機構(gòu)進行了步行運動仿真，獲得了機構(gòu)中各關(guān)節(jié)的運動軌跡曲線，并分析了該輪腿機構(gòu)的上下起伏度。仿真結(jié)果表明，二級半轉(zhuǎn)輪

4、腿機構(gòu)的上下起伏度比一級半轉(zhuǎn)輪腿機構(gòu)的上下起伏度要小得多。
　　 (2)提出了一種基于構(gòu)型組合的輪腿式月球車構(gòu)型設(shè)計方法，以及同構(gòu)組合和異構(gòu)組合兩種設(shè)計模式。以基于二級半轉(zhuǎn)機構(gòu)步行運動原理的輪腿式月球車為研究對象，開展了月球車移動機構(gòu)構(gòu)型設(shè)計研究。將輪腿式月球車移動機構(gòu)視為由輪腿、懸架和車體3類子構(gòu)型構(gòu)成的多體系統(tǒng)，通過對其移動機構(gòu)的子構(gòu)型分析，提出了4種輪腿子構(gòu)型、4種懸架子構(gòu)型和5種車體子構(gòu)型。以四輪腿和六輪腿月球車為例，基

5、于同構(gòu)和異構(gòu)組合設(shè)計模式，共得到122種四輪腿月球車移動機構(gòu)構(gòu)型組合設(shè)計方案和84種六輪腿月球車移動機構(gòu)構(gòu)型組合設(shè)計方案。這些構(gòu)型組合設(shè)計方案對輪腿式月球車移動機構(gòu)的總體方案設(shè)計具有重要的參考價值。
　　 (3)基于上述輪腿式月球車移動機構(gòu)可選構(gòu)型組合設(shè)計方案，綜合考慮月球車機構(gòu)的簡單實用性和良好的機動性能，確定了基于二級半轉(zhuǎn)機構(gòu)步行運動原理的輪腿式月球車移動機構(gòu)的總體設(shè)計方案，其移動機構(gòu)由4個結(jié)構(gòu)相同的二級半轉(zhuǎn)輪腿機構(gòu)、車體支

6、架以及轉(zhuǎn)向支架三部分構(gòu)成。利用坐標變換方法，建立了輪腿機構(gòu)坐標變換模型，進而推導(dǎo)了月球車輪腿機構(gòu)各跨步桿端點相對車體中心的正向運動學(xué)模型，為后續(xù)的越障分析提供理論數(shù)據(jù)?；陂]鏈坐標變換方法，進一步推導(dǎo)了月球車車體中心在月面參考坐標系下的位姿變換矩陣表達式，為月球車運動控制提供參考。最后，以月球車在平地上直線行走為例，基于虛擬樣機技術(shù)對其進行運動學(xué)仿真分析，獲得了移動機構(gòu)各關(guān)節(jié)的運動軌跡曲線。并分析了其車身起伏度大小。仿真結(jié)果表明，基于二

7、級半轉(zhuǎn)機構(gòu)的輪腿式月球車的車身起伏度較小，可以平滑地完成跨步動作。
　　 (4)在不考慮月壤特性的情況下，分析了該輪腿式月球車在硬地面環(huán)境下的越障能力，提出了一種新的越障能力評價指標。分析了月球車在典型路況下的理論極限越障能力，包括直接越障、垂直越障和斜坡越障。針對月球車在自由路面環(huán)境下的越障問題，提出將輪腿與路面之間的摩擦力解空間的可行域面積大小作為越障能力的評價指標，若摩擦力解空間的可行域面積越大，則輪腿的越障能力越強。在此

8、基礎(chǔ)上，采用靜力學(xué)方法研究了月球車在自由路面環(huán)境下的越障能力，在考慮摩擦力約束條件下，建立了月球車越障的力學(xué)模型，給出了在約束條件下輪腿所受摩擦力的解空間可行域的仿真程序設(shè)計流程圖，并對兩前輪腿同時越障、右前輪腿單獨越障和右后輪腿單獨越障情況進行了仿真分析。此部分研究為月球車在任意路面的越障能力提供了一種新的評價指標和靜力學(xué)研究方法。
　　 (5)考慮月壤力學(xué)特性，借鑒已有車輛地面力學(xué)理論和相關(guān)土壤模型，在不考慮月球車輪腿足部構(gòu)

9、型的情況下，建立了基于剛性輪腿假設(shè)的輪腿與月壤的相互作用模型?；诖四Ｐ?，分析了月球車輪腿下陷量與作用于輪腿上的載荷之間的關(guān)系以及輪腿驅(qū)動力與下陷量之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，建立了月球車在軟月面環(huán)境下越障行走的整車力學(xué)模型。考慮到輪腿下陷問題，月球車的機構(gòu)運動學(xué)方程和力學(xué)方程是相互耦合的，通過對輪腿下陷量的變化幅度進行迭代修正的方法，結(jié)合機構(gòu)運動學(xué)和硬地面環(huán)境下的越障能力分析流程，對月球車在軟月面環(huán)境下的單輪腿越障和雙輪腿越障性能進行了研

10、究。最后，在考慮月球車輪腿足部結(jié)構(gòu)的情況下，建立了輪腿足瓣與月壤之間的應(yīng)力分布模型，并對模型進行了合理簡化。在設(shè)定月球車輪腿足部參數(shù)及月壤特性參數(shù)的基礎(chǔ)上，對輪腿足瓣與月壤之間的應(yīng)力分布模型進行了仿真分析。有關(guān)月球車輪腿與月壤相互作用模型的研究成果，將為月球車模型樣機的研制提供理論分析方法和依據(jù)。
　　 (6)以月球車的輪腿機構(gòu)為優(yōu)化設(shè)計研究對象，以輪腿機構(gòu)體積最小、質(zhì)量最輕為總目標函數(shù)，建立了車身起伏度、垂直越障能力、轉(zhuǎn)向能力

11、和抗干涉能力的輪腿機構(gòu)設(shè)計約束函數(shù)。運用模糊優(yōu)化的理論與方法對月球車輪腿機構(gòu)參數(shù)進行模糊優(yōu)化設(shè)計，要求輪腿機構(gòu)中的行星輪系參數(shù)在滿足齒面接觸疲勞強度、齒根彎曲疲勞強度、幾何邊界約束條件以及越障性能的前提下，使月球車具有更緊湊的輪腿結(jié)構(gòu)，為月球車模型樣機設(shè)計提供參考。在此基礎(chǔ)上，考慮月球車的整車抗側(cè)傾能力和各輪腿運動的統(tǒng)一協(xié)調(diào)性，在滿足邊界約束、運動協(xié)調(diào)性約束和干涉約束的前提下，對月球車整車機構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計，以保證月球車具有更好的越

12、障行走能力。
　　 (7)分析月面地形特點及其對月球車移動性能提出的要求，在此基礎(chǔ)上擬定后續(xù)移動性能仿真分析的各種典型路況。忽略月球車機構(gòu)內(nèi)部細節(jié)，利用三維軟件對二級半轉(zhuǎn)輪腿式月球車進行了虛擬樣機建模。在設(shè)定月球車輪腿與路面之間的3D碰撞屬性的前提下，針對月球車在平地行走、平地轉(zhuǎn)向、垂直越障、斜坡越障、單側(cè)越障和壕溝側(cè)向越障等典型路況下的各種移動性能，進行了ADAMS虛擬樣機仿真分析，給出了車體位移、速度和加速度曲線，車體位姿角

13、度變化曲線以及輪腿跨步桿和路面的接觸力曲線，并對它們進行了結(jié)果分析。上述移動性能仿真分析結(jié)果為月球車模型樣機設(shè)計與試驗研究提供了數(shù)據(jù)參考。
　　 (8)對月球車模型樣機的機械子系統(tǒng)進行了設(shè)計，并介紹了其控制子系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，在此基礎(chǔ)上成功研制出了基于二級半轉(zhuǎn)機構(gòu)的輪腿式月球車模型樣機。最后，對月球車模型樣機進行了一系列室內(nèi)和室外場地試驗研究，試驗結(jié)果表明：基于二級半轉(zhuǎn)機構(gòu)的輪腿式月球車具好較強的路面適應(yīng)能力和良好的綜合機動性能，