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浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）文獻綜述報告
班 級
09機械設(shè)計制造及其自動化(4)班
姓 名
程欣禹
課題名稱
八輪星球漫游車移動系統(tǒng)的設(shè)計與分析
目 錄
1 前言
2 星球車可展開移動系統(tǒng)概述
2.1 整體可展開移動系統(tǒng)
2.2 底盤可展開移動系統(tǒng)
2.3 懸架可展開移動系統(tǒng)
2.4 車輪可展開移動系統(tǒng)
3 星球車空間可展開機構(gòu)概述
3.1 空間可展開機構(gòu)研究現(xiàn)狀
3.2 空間可展開機構(gòu)的分類
4 總結(jié)
參考文獻
指導(dǎo)
教師
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意見
簽名：
年 月 日
八輪星球漫游車移動系統(tǒng)的設(shè)計與分析
程欣禹
(機械設(shè)計制造及其自動化09(4)班 A09160119)
1 前言
月球是距離地球最近的自然天體，蘊藏大量的礦產(chǎn)資源，是人類飛離地球進行深空探測的第一站，也是理想的天然空間中轉(zhuǎn)站。月球所具有的巨大經(jīng)濟、政治和軍事價值使得月球探測成為人類一直關(guān)注的焦點[1]。
月球車是月球探測中的重要媒介之一，已經(jīng)成為全世界廣泛研究的熱點。移動系統(tǒng)作為月球車整體系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其性能的好壞直接影響整個探測任務(wù)的成敗[2]。20世紀90年代產(chǎn)生的以空間機構(gòu)的折疊、伸展、組合為主要研究內(nèi)容的 “變胞機構(gòu)”等機構(gòu)學(xué)研究最新成果，為月球車可展開移動系統(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]。
由于航天器運載技術(shù)和發(fā)射費用的限制，在具有良好的環(huán)境自適應(yīng)能力的前提下，體積小、質(zhì)量輕成為月球車研制的主要技術(shù)指標。因為減小月球車的體積，不僅可以減小其運載火箭的體積和質(zhì)量，節(jié)省推動力，降低發(fā)射成本，而且對提高發(fā)射的可靠性意義重大。而月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，其直接效果是降低月球車的探測能力。因此，如何使月球車在滿足預(yù)期的探測功能的前提下，盡可能少的占用運載器的有效載荷空間是一個很值得研究的課題。
因此，本課題主要進行八輪扭桿搖臂式月球車可展開移動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究。其研究成果對于月球車可展開移動系統(tǒng)的進一步研制乃至其它空間可展開機構(gòu)應(yīng)用技術(shù)的研究均具有一定的借鑒意義。
2 星球車可展開移動系統(tǒng)概述
自20世紀60年代以來，以美國、俄羅斯、法國、日本等發(fā)達國家為首，各國科研機構(gòu)紛紛進行各種類型行星車的研制，有的甚至已進入實用化、商品化階段，如“勇氣號”火星車。在國內(nèi)，清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)[4]、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[5]。
迄今為止，國內(nèi)外研究人員從行星車移動系統(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系統(tǒng)產(chǎn)品及樣機多達四十余種。根據(jù)移動系統(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、無人駕駛遠程遙控兩類。根據(jù)移動方式不同，可分為履帶式、腿式、輪式、輪腿式等幾類[6]，由于輪式移動系統(tǒng)具有運動速度快的優(yōu)點，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，可以與腿式移動系統(tǒng)相媲美[27]。以下根據(jù)不同部位可展開輪式移動系統(tǒng)進一步分類。
2.1 整體可展開移動系統(tǒng)
整體可展開移動系統(tǒng)以三輪移動系統(tǒng)為主，由于三個車輪聯(lián)接于同一個懸架，移動系統(tǒng)的折疊與展開需整體進行。具有代表性的有日本NASDA和東京工業(yè)大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的Tri-star2，它采用軸環(huán)和可壓縮輪結(jié)構(gòu)，具有較強的機動性，其體積折疊比可達到373%，參見圖2-1。
圖2-1 Tri-star2 行星車[8]
移動系統(tǒng)整體展開的還有美國國家技術(shù)標準局 (NIST)研制的索纜并聯(lián)機器人RoboCrane[9]。該移動系統(tǒng)由三組索桿鉸接在一個Stewart平臺上形成，索桿可代替動力源驅(qū)動形成移動框架。通過索纜的順序張緊與釋放，改變索桿和車輪間相對位置，可最終完成折疊與展開功能，圖2-2為RoboCrane的兩款樣機照片和其展開過程概念示意圖。
圖2-2 NIST RoboCrane 樣機與展開示意圖[9]
2.2 底盤可展開移動系統(tǒng)
美國CMU研制的Nomad[10]是一種底盤可變形的四輪行星車。它采用前蘇聯(lián)Луноход的自包含電動輪模塊概念、Rocky系列的轉(zhuǎn)向節(jié)懸掛機構(gòu)、顯式轉(zhuǎn)向連桿機構(gòu)和LRV的自動輪距擴展概念，利用均化懸掛系統(tǒng)平滑車體相對于車輪的運動，保證在各種地形情況下四輪都能同時著地。當(dāng)?shù)妆P完全展開時所占的包絡(luò)空間可比其折疊狀態(tài)時增加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四桿機構(gòu)進行變形，當(dāng)?shù)妆P展開時四桿機構(gòu)變成一個菱形，當(dāng)?shù)妆P收縮時四桿機構(gòu)則變成一條直線，每組四桿機構(gòu)具有獨立的驅(qū)動裝置。其樣機模型及底盤變形前后示意圖參見圖2-3。
圖2-3 Nomad 行星車和Nomad 底盤結(jié)構(gòu)[10]
2.3 懸架可展開移動系統(tǒng)
懸架可展開移動系統(tǒng)通過獨立懸架機構(gòu)的折疊與展開實現(xiàn)體積變化，具有結(jié)構(gòu)相對簡單的特點。該類型移動系統(tǒng)在美國JPL研制的“Sojourner” 及“Spirit”上得到了成功應(yīng)用[11]。其中“Sojourner”折疊收攏時采用蹲坐的方式，通過將搖臂桿在與車體連接的樞軸處分為兩部分實現(xiàn)。車體站起時，其它車輪不動，后輪被驅(qū)動向前，車體被拱起達到要求高度時，彈簧捕捉機構(gòu)將其鎖定，使整車處于可工作狀態(tài)，參見圖2-4。
a) 展開狀態(tài) b) 折疊狀態(tài)
圖2-4 Sojourner的折疊狀態(tài)與展開狀態(tài)
“Spirit”火星車的折疊、展開與“Sojourner” 有很多不同，它可實現(xiàn)長、寬、高三方向的折疊與展開。“Spirit”單側(cè)懸架結(jié)構(gòu)參見圖2-5，懸架的折疊主要通過懸架各構(gòu)件間相對位置的改變來實現(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)動副(Rocker-Bridge Joint)、前主搖臂(Forward Rocker)、主搖臂展開驅(qū)動電機(Rocker Deployment Actuator)七部分。當(dāng)“Spirit”折疊時，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)動副分別與副搖臂及前主搖臂發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)車體的蹲伏，縮小整車高度尺寸；前主搖臂繞主搖臂轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動，使車輪轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)，減小車體前端寬度尺寸，實現(xiàn)如圖2-6所示的折疊。
圖2-5 “Spirit”火星探測車單側(cè)懸架結(jié)構(gòu)示意圖[11]
a) 折疊狀態(tài) b) 展開狀態(tài)
圖2-6 “Spirit”火星探測車折疊狀態(tài)與展開狀態(tài)的對比
2.4 車輪可展開移動系統(tǒng)
可展開車輪在國內(nèi)外的研究均較少，60年代美國設(shè)計了一種圓規(guī)腿步行輪[12]，它通過多種傳感器獲得車輛的位姿信息，由計算機控制參數(shù)的變化，能完全補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)地面的坡度、越過障礙并保持行駛平順性，參見圖2-7。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，這種車輪在月球車移動過程中可根據(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)機電工程學(xué)院在可展開式車輪上，進行了初步的研究，研制出幾種可展開式車輪，實物模型參見圖2-8。
圖2-7 圓規(guī)腿步行輪示意圖[12] 圖2-8可展開車輪實物圖[8]
3 星球車空間可展開機構(gòu)概述
可展開式月球車在地面上被收攏成折疊狀態(tài)，固定于運載工具的有效載荷艙內(nèi)，隨著陸器降落到月面后，根據(jù)地面的控制指令逐步完成展開動作，然后鎖定并保持為移動系統(tǒng)工作狀態(tài)，屬于一種特殊的空間可展開機構(gòu)。
3.1 空間可展開機構(gòu)研究現(xiàn)狀
20世紀60年代可展開機構(gòu)的概念最初在建筑領(lǐng)域被提出，并得到成功應(yīng)用。隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，以太空應(yīng)用為背景的空間可展開機構(gòu)得到廣泛的研究與應(yīng)用?？臻g可展開機構(gòu)的主要形式包括太陽帆板、伸展臂、空間可展開天線、空間操作平臺、雷達定位桿、空間望遠鏡調(diào)焦機構(gòu)、空間望遠鏡展開鏡面機構(gòu)等，其中大型展開天線和太陽帆是大型空間可展開機構(gòu)研究最活躍、深入的領(lǐng)域。20世紀70年代后期美國航天局(National Aeronautics and Space Administration)在其近期、遠期發(fā)展規(guī)劃中提出了各種形式的展開天線[13]，并對其概念設(shè)計、分析理論方法、具體應(yīng)用設(shè)計技術(shù)開發(fā)進行了系統(tǒng)深入的研究。俄羅斯宇航局也在可展開機構(gòu)設(shè)計發(fā)展應(yīng)用上做出了卓越貢獻，尤其在“和平號”空間站上。劍橋大學(xué)與歐空局共同建立了可展開機構(gòu)實驗室，對可展開機構(gòu)進行理論研究及應(yīng)用。同時歐空局在其衛(wèi)星發(fā)展計劃中也對可展開機構(gòu)技術(shù)進行了深入的研究。日本宇宙科學(xué)研究所（ISAS）和日本宇航中心（NASDA）以及加拿大和印度等國在展開折疊技術(shù)研究應(yīng)用上紛紛發(fā)展了自己的技術(shù)。我國對空間可展開機構(gòu)的研究起步較晚，具有代表性的是浙江大學(xué)關(guān)富玲教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組，對伸展臂及空間可展天線等在設(shè)計原理、運動規(guī)劃、靜力分析、動力分析、機構(gòu)設(shè)計等方面進行了研究及實驗[14]。
3.2 空間可展開機構(gòu)的分類
目前空間可展開機構(gòu)還沒有統(tǒng)一的分類原則，可以按展開動力、結(jié)構(gòu)型式、展開順序等多種方式進行分類。如按照折疊機構(gòu)組成單元類型可分為桿系單元、板系單元，而桿系單元又可分為剪式鉸單元與伸縮式單元；依照機構(gòu)展開成型后的穩(wěn)定平衡方式可分為自穩(wěn)定可展開機構(gòu)與附加支承可展開機構(gòu)；而按展開驅(qū)動方式進行分類最為詳細，包括下面五種情況[15]。
3.2.1微電機驅(qū)動
利用電機驅(qū)動主動件或者是通過傳動使機構(gòu)展開。根據(jù)機構(gòu)的要求和形式的不同，電機的分布方式也不盡相同，主要有分散布置和集中布置兩種方式。采用微電機驅(qū)動時，在設(shè)計中要考慮是使機構(gòu)整體展開還是使其逐級展開。如環(huán)柱狀天線(Hoop Column Deployable Antenna)采用整體展開，通過中心電機驅(qū)動環(huán)向索帶動各個肋支座轉(zhuǎn)動從而使機構(gòu)整體展開。
3.2.2 彈簧驅(qū)動
彈簧種類很多，包括拉壓簧、扭簧、蝶簧、塔簧等。在可伸展機構(gòu)中，主要使用拉壓簧和扭簧。如果在機構(gòu)接點或桿件中點安放彈簧，在折疊過程中，彈簧存儲了一定的應(yīng)變能，當(dāng)機構(gòu)解鎖后，應(yīng)變能釋放，驅(qū)動機構(gòu)整體展開。美國ABLE公司的Coilable天線屬于彈簧驅(qū)動。對于拉壓簧驅(qū)動，在需要變化長度的桿件中間設(shè)置拉伸彈簧，機構(gòu)處于收納狀態(tài)時，彈簧處于拉伸狀態(tài)而存儲彈性能量，當(dāng)機構(gòu)解鎖后，拉伸彈簧的收縮驅(qū)動機構(gòu)展開，應(yīng)用廣泛的自適應(yīng)可展機構(gòu)采用的就是這一展開方式。對于扭簧驅(qū)動，在機構(gòu)的節(jié)點或桿件中點處按特定要求設(shè)置扭簧，機構(gòu)處于收納狀態(tài)時扭簧受預(yù)緊力存儲彈性變形能，當(dāng)機構(gòu)解鎖后扭簧釋放彈性能量，驅(qū)動機構(gòu)同步展開。大型桁架機構(gòu)多采用這種方法，如俄羅斯研制的TKCA系列，美國NASA研制的Geo Truss和Pac truss以及常見的太陽帆板。
3.2.3 液壓或氣壓驅(qū)動
這里所指的有兩種情況，一種是指機械范圍內(nèi)的驅(qū)動，通常由液壓或氣壓系統(tǒng)推動桿件或構(gòu)件運動，從而帶動整個系統(tǒng)伸展。另一種是充氣膜結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)以柔性薄膜材料制造，內(nèi)部為空腔，通過向結(jié)構(gòu)內(nèi)部充入氣體而使結(jié)構(gòu)膨脹展開，生成預(yù)先設(shè)計的形狀，并實現(xiàn)其功能要求。為了增強結(jié)構(gòu)的可靠性，在展開后一般還需進行結(jié)構(gòu)表面的固化工作，以防止結(jié)構(gòu)因漏氣而影響工作性能。目前折疊/展開方式主要有3種：Z形折疊/展開、卷曲式折疊/展開以及噴出式折疊/展開。20世紀90年代以來，國際上對充氣膜結(jié)構(gòu)的研究開始升溫。目前對充氣太空結(jié)構(gòu)的研究主要集中在通訊衛(wèi)星、空間站、深空探測、火星計劃等領(lǐng)域。美國宇航局還為充氣膜結(jié)構(gòu)的研究制訂了中長期計劃。中期計劃包括發(fā)展太陽帆板、天線、太陽防護罩、太陽陣列以及工業(yè)雷達結(jié)構(gòu)技術(shù)；長期計劃包括將充氣天線及太陽帆板應(yīng)用于實際，以及發(fā)展Gossamer充氣太空船技術(shù)等。
3.2.4 自伸展驅(qū)動
機構(gòu)的一部分構(gòu)件、某些特定構(gòu)件的中點或整個機構(gòu)由記憶合金等特殊元件或特殊材料做成，使其在特定環(huán)境下可按設(shè)計要求自動展開，如美國NASA JPL和MIT開發(fā)的整體展開應(yīng)用技術(shù)。另外充氣硬化機構(gòu)也是一種自伸展機構(gòu)，其在一定的環(huán)境條件下會自動展開。
3.2.5 混合驅(qū)動
有些可展機構(gòu)的展開和收攏過程需要以上兩種或者幾種方式聯(lián)合起來進行驅(qū)動。
4 總結(jié)
如上所述, 目前已經(jīng)制造出來的這些星球車移動系統(tǒng)或多或少的都存在不同方面的問題，都有許多不完善的地方，如結(jié)構(gòu)型式、結(jié)構(gòu)尺寸、傳動及驅(qū)動方式等方面都有待發(fā)展，特別是對對可展開移動系統(tǒng)的越障通過性能以及展開運動中的動態(tài)特性進行研究還比較少。移動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和研究是星球車方面研究的基礎(chǔ)。因此，對具有理想結(jié)構(gòu)的星球車移動系統(tǒng)進行運動學(xué)和動力學(xué)、控制理論、信息集成等方面的研究是最有效也是最有意義的。因此,要進行星球車移動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究，從幾何、運動學(xué)、動力學(xué)及結(jié)構(gòu)關(guān)系等不同角度對多指靈巧手進行研究, 使星球車能完美的在星球表面上運動。
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