八輪星球探測車可展開移動系統(tǒng)設計[仿真]【含CAD高清圖紙和說明書】

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浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文）開題報告 班 級 09機械設計制造及其自動化（4）班 姓 名 程欣禹 課題名稱 八輪星球探測車可展開移動系統(tǒng)設計 目 錄 1 選題的背景與意義 1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1.2 星球車可展開移動系統(tǒng)概述 1.3 星球車空間可展開機構概述 1.4 八輪星球探測車研究意義 2 研究的基本內(nèi)容 2.1 八輪星球探測車整體的結構設計 2.2八輪星球探測車可展開移動系統(tǒng)的參數(shù)設計 2.3八輪星球探測車可展開移動系統(tǒng)三維仿真 3 研究方案、可行性分析及預期研究成果 3.1 研究思路方案 3.2 可行性分析 3.3 預期研究成果 4 研究工作計劃 參考文獻 成績： 答 辯 意 見 答辯組長簽名： 年 月 日 系 主 任 審 核 意 見 簽名： 年 月 日 八輪星球探測車移動系統(tǒng)的設計與分析 程欣禹 (機械設計制造及其自動化09(4)班 A09160119) 1 選題的背景與意義 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注的焦點[1]。 星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)作為星球車整體系統(tǒng)的關鍵部分，其性能的好壞直接影響整個探測任務的成敗[2]。20世紀90年代產(chǎn)生的以空間機構的折疊、伸展、組合為主要研究內(nèi)容的 “變胞機構”等機構學研究最新成果，為星球車可展開移動系統(tǒng)關鍵技術的研究奠定了理論基礎，但這方面的理論研究尤其是工程應用還有待于完善和發(fā)展[3]。 由于航天器運載技術和發(fā)射費用的限制，在具有良好的環(huán)境自適應能力的前提下，體積小、質(zhì)量輕成為星球車研制的主要技術指標。因為減小星球車的體積，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。而星球車體積小卻意味著其所搭載的儀器設備數(shù)量將減少，其直接效果是降低星球車的探測能力。因此，如何使星球車在滿足預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。 1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 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、哈爾濱工業(yè)大學[4]、國防科技大學、北京航空航天大學、上海交通大學、華中科技大學和航天科技集團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。 1.2 星球車可展開移動系統(tǒng)概述 1.2.1 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)大學聯(lián)合開發(fā)的Tri-star2，它采用軸環(huán)和可壓縮輪結構，具有較強的機動性，其體積折疊比可達到373%。 移動系統(tǒng)整體展開的還有美國國家技術標準局 (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。 1.2.2 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系列的轉向節(jié)懸掛機構、顯式轉向連桿機構和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?shù)妆P完全展開時所占的包絡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構20%的靜穩(wěn)定性。其底盤主要通過兩個四桿機構進行變形，當?shù)妆P展開時四桿機構變成一個菱形，當?shù)妆P收縮時四桿機構則變成一條直線，每組四桿機構具有獨立的驅動裝置。 1.2.3 懸架可展開移動系統(tǒng) 懸架可展開移動系統(tǒng)通過獨立懸架機構的折疊與展開實現(xiàn)體積變化，具有結構相對簡單的特點。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，后輪被驅動向前，車體被拱起達到要求高度時，彈簧捕捉機構將其鎖定，使整車處于可工作狀態(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?！癝pirit”懸架的折疊主要通過懸架各構件間相對位置的改變來實現(xiàn)，參與折疊的構件包括后副搖臂(Aft Bogie)、前副搖臂(Forward Bogie)、 副搖臂鉸軸(Bogie Pivot)、后主搖臂(Aft Rocker)、主搖臂轉動副(Rocker-Bridge Joint)、前主搖臂(Forward Rocker)、主搖臂展開驅動電機(Rocker Deployment Actuator)七部分。當“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動副分別與副搖臂及前主搖臂發(fā)生相對轉動，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動副轉動，使車輪轉向內(nèi)側，減小車體前端寬度尺寸。 1.2.4 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，并能在步行輪和普通輪之間轉換以適應地面的坡度、越過障礙并保持行駛平順性。在國內(nèi)，北航研制出一種可重復展開式車輪，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)大學機電工程學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。 1.3 星球車空間可展開機構概述 可展開式星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。 1.3.1 空間可展開機構研究現(xiàn)狀 20世紀60年代可展開機構的概念最初在建筑領域被提出，并得到成功應用。隨著航空航天技術的發(fā)展，以太空應用為背景的空間可展開機構得到廣泛的研究與應用。空間可展開機構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、空間望遠鏡展開鏡面機構等，其中大型展開天線和太陽帆是大型空間可展開機構研究最活躍、深入的領域。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]，并對其概念設計、分析理論方法、具體應用設計技術開發(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設計發(fā)展應用上做出了卓越貢獻，尤其在“和平號”空間站上。劍橋大學與歐空局共同建立了可展開機構實驗室，對可展開機構進行理論研究及應用。同時歐空局在其衛(wèi)星發(fā)展計劃中也對可展開機構技術進行了深入的研究。日本宇宙科學研究所（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研究應用上紛紛發(fā)展了自己的技術。我國對空間可展開機構的研究起步較晚，具有代表性的是浙江大學關富玲教授領導的課題組，對伸展臂及空間可展天線等在設計原理、運動規(guī)劃、靜力分析、動力分析、機構設計等方面進行了研究及實驗[14]。 1.3.2 空間可展開機構的分類 目前空間可展開機構還沒有統(tǒng)一的分類原則，可以按展開動力、結構型式、展開順序等多種方式進行分類。如按照折疊機構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)定可展開機構與附加支承可展開機構；而按展開驅動方式進行分類最為詳細，包括下面五種情況[15]。 1.3.2.1微電機驅動　 利用電機驅動主動件或者是通過傳動使機構展開。根據(jù)機構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。采用微電機驅動時，在設計中要考慮是使機構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，通過中心電機驅動環(huán)向索帶動各個肋支座轉動從而使機構整體展開。 1.3.2.2 彈簧驅動　 彈簧種類很多，包括拉壓簧、扭簧、蝶簧、塔簧等。在可伸展機構中，主要使用拉壓簧和扭簧。如果在機構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變能，當機構解鎖后，應變能釋放，驅動機構整體展開。美國ABLE公司的Coilable天線屬于彈簧驅動。對于拉壓簧驅動，在需要變化長度的桿件中間設置拉伸彈簧，機構處于收納狀態(tài)時，彈簧處于拉伸狀態(tài)而存儲彈性能量，當機構解鎖后，拉伸彈簧的收縮驅動機構展開，應用廣泛的自適應可展機構采用的就是這一展開方式。對于扭簧驅動，在機構的節(jié)點或桿件中點處按特定要求設置扭簧，機構處于收納狀態(tài)時扭簧受預緊力存儲彈性變形能，當機構解鎖后扭簧釋放彈性能量，驅動機構同步展開。大型桁架機構多采用這種方法，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。 1.3.2.3 液壓或氣壓驅動　 這里所指的有兩種情況，一種是指機械范圍內(nèi)的驅動，通常由液壓或氣壓系統(tǒng)推動桿件或構件運動，從而帶動整個系統(tǒng)伸展。另一種是充氣膜結構，該結構以柔性薄膜材料制造，內(nèi)部為空腔，通過向結構內(nèi)部充入氣體而使結構膨脹展開，生成預先設計的形狀，并實現(xiàn)其功能要求。為了增強結構的可靠性，在展開后一般還需進行結構表面的固化工作，以防止結構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，國際上對充氣膜結構的研究開始升溫。目前對充氣太空結構的研究主要集中在通訊衛(wèi)星、空間站、深空探測、火星計劃等領域。美國宇航局還為充氣膜結構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)雷達結構技術；長期計劃包括將充氣天線及太陽帆板應用于實際，以及發(fā)展Gossamer充氣太空船技術等。 1.3.2.4 自伸展驅動　 機構的一部分構件、某些特定構件的中點或整個機構由記憶合金等特殊元件或特殊材料做成，使其在特定環(huán)境下可按設計要求自動展開，如美國NASA JPL和MIT開發(fā)的整體展開應用技術。另外充氣硬化機構也是一種自伸展機構，其在一定的環(huán)境條件下會自動展開。 1.3.2.5 混合驅動 有些可展機構的展開和收攏過程需要以上兩種或者幾種方式聯(lián)合起來進行驅動。 1.4 八輪星球探測車研究意義 本課題主要進行八輪扭桿搖臂式星球車可展開移動系統(tǒng)關鍵技術的研究。其研究成果對于星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應用技術的研究均具有一定的借鑒意義。 2 研究的基本內(nèi)容 本次畢業(yè)設計中主要完成的內(nèi)容包括： 1）八輪星球探測車整體的結構設計 對八輪扭桿搖臂式星球車可展開移動系統(tǒng)進行設計，包括車輪部件、懸架部件及懸架展開動力源。根據(jù)車輪部件獨立驅動、獨立轉向的功能要求，進行驅動傳動裝置及轉向裝置的設計，同時采用可展開車輪新構型設計相應的輪輻結構。 2）八輪星球探測車可展開移動系統(tǒng)的參數(shù)設計 根據(jù)八輪扭桿搖臂星球車車型特點，建立了由結構尺寸參數(shù)表征的越障通過性能參數(shù)表達式，對移動系統(tǒng)的越障通過性能進行了全面分析。在此基礎上，求解并確定了主要結構尺寸，保證了所設計星球車的越障性能。 3）八輪星球探測車可展開移動系統(tǒng)三維仿真 通過建立的三維模型，對展開過程進行仿真。 3 研究思路方案、可行性分析及預期成果 本設計論文擬采用理論分析與三維建模與仿真實驗的方法，在前人的基礎上，通過三維Pro/E環(huán)境完成八輪星球探測車的設計仿真，并對其進行初步的運動學分析。 3.1 研究思路方案 具體思路方案包含以下三個方面： 3.1.1 根據(jù)月球表面情況對八輪星球探測車進行結構設計 包括整體可展開移動系統(tǒng)、底盤可展開移動系統(tǒng)、車輪可展開移動系統(tǒng)，基于以上理論可進行對八輪星球探測車機構原理分析。 3.1.2 八輪星球探測車Pro/ E三維建模 目前,隨著計算機輔助技術的不斷發(fā)展,三維造型軟件功能不斷完善,傳統(tǒng)的二維設計正逐漸被三維實體設計所代替。 Pro /Engineer是美國PTC公司于1988年開發(fā)的參數(shù)化設計系統(tǒng),是一套由設計至生產(chǎn)的機械自動化的三維實體模型(3DS)設計軟件,它不僅具有CAD 的強大功能,同時還具有CAE 和CAM 的功能,廣泛應用于工業(yè)設計、機械設計、模具設計、機構分析、有限元分析、加工制造及關系數(shù)據(jù)庫管理等領域。而且能同時支持針對同一產(chǎn)品進行同步設計,具有單一數(shù)據(jù)庫、全相關性、以特征為基礎的參數(shù)式模型和尺寸參數(shù)化等優(yōu)點。采用三維CAD 設計的產(chǎn)品,是和實物完全相同的數(shù)字產(chǎn)品,零部件之間的干涉一目了然,Pro/Engineer 軟件能計算零部件之間的干涉和體積,把錯誤消滅在設計階段[9]。 運用Pro/ E三維設計平臺,通過對特征工具的操作,避免高級語言的復雜編程,所開發(fā)設計出來的八輪星球探測車,便于研究人員通過對界面特征工具的操作,生成八輪星球探測車實體模型，甚至輸出所需要的工程圖及相關分析數(shù)據(jù)。這樣既可輔助研究人員完成其設計構思、減輕勞動強度、提高效率和精度、改善視覺的立體效果,并可有效地縮短研制周期,提高設計制造的成功率;也為后續(xù)的3D運動學仿真分析奠定了基礎。 3.1.3 八輪星球探測車Pro/ E運動學仿真分析 運動仿真是機構設計的一個重要內(nèi)容, 在Pro /E的Mechanism模塊中,通過對機構添加運動副、驅動器使其運動起來,來實現(xiàn)機構的運動仿真。通過仿真技術可以在進行整體設計和零件設計后, 對各種零件進行裝配后模擬機構的運動, 從而檢查機構的運動是否達到設計的要求, 可以檢查機構運動中各種運動構件之間是否發(fā)生干涉，實現(xiàn)機構的設計與運動軌跡校核。同時, 可直接分析各運動副與構件在某一時刻的位置、運動量以及各運動副之間的相互運動關系及關鍵部件的受力情況。在Pro /E環(huán)境下進行機構的運動仿真分析,不需要復雜的數(shù)學建模、也不需要復雜的計算機語言編程,而是以實體模型為基礎,集設計與運動分析于一體,實現(xiàn)產(chǎn)品設計、分析的參數(shù)化和全相關,反映機構的真實運動情況。 本次畢業(yè)設計以PTC公司的三維建模軟件Pro/E及其中的運動學仿真功能建立八輪星球探測車的運動仿真模型。首先在Pro/E中建立八輪星球探測車的三維CAD模型，然后完成八輪星球探測車的裝配，設置機構運動的初始位置，添加驅動和約束，進行運動仿真。在整個過程中，需要對建立模型等前續(xù)工作進行不斷的修改和完善，才能生成所要求的八輪星球探測車的仿真模型。 3.2 可行性分析 移動系統(tǒng)的結構設計和研究是星球車方面研究的基礎。因此，對具有理想結構的星球車移動系統(tǒng)進行運動學和動力學、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)的結構設計研究，從幾何、運動學、動力學及結構關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。在前人研究工作基礎上，本設計論文進行欠驅動多指手設計與仿真，在基本原理上是可行的。 本設計的工作主要涉及力學、機械原理和機械設計等方面的知識，以及Pro/ E設計工具，本人已學習了這些相關課程，并取得了較好的成績，掌握了本設計所需的基本知識。 指導老師在星球探測車的相關研究方面具有很多成功的經(jīng)驗，本設計的研究方法思路經(jīng)過深思熟慮，切實可行，能夠確保畢業(yè)設計的順利完成并取得預期的研究成果。 3.3 預期研究成果 設計出八輪星球探測車，完成三維建模。通過仿真分析，保證設計能較好的滿足設計要求。 ４ 研究工作計劃 起止時間 內(nèi)容 2012.11.15~2012.12.10 調(diào)研、信息匯總，文獻查閱分析 2012.12.10~2012.12.31 外文翻譯、文獻綜述、開題報告，并熟悉理論力學、機械原理等相關知識 2013.01.01~2013.01.10 提交開題報告、文獻綜述及外文翻譯 2013.01.11~2013.01.20 開題答辯 2013.01.21~2013.03.01 八輪星球探測車移動系統(tǒng)的整體方案設計 2013.03.02~2013.03.28 八輪星球探測車移動系統(tǒng)的結構設計及零部件設計 2013.03.29~2013.04.11 三維CAD建模、裝配、三維運動學分析仿真 2013.04.12~2013.04.24 結構改進設計及畢業(yè)論文撰寫 2013.04.25~2013.05.02 完成并提交畢業(yè)論文 2013.05.03~2013.05.10 整理材料準備答辯 參考文獻 [1] 鄒永廖，歐陽自遠，李春來. 月球探測與研究進展.空間科學學報. 2000，20(10):93-103 [2] 李圣怡，戴一帆，劉陽. 月球火星探測與月球探測車研制初探. 第二屆月球探測技術研討會論文集. 北京, 2001:146-155 [3] 李瑞玲，丁希侖，戰(zhàn)強,等．變胞機構的機構學理論及在航天中的應用．2002 International Symposium on Deep Space Exploration Technology and Application, 2002,8: 230-236 [4] 鄧宗全，胡 明，高海波,等. 月球探測車關鍵技術及其原理樣機的研制. 2002年深空探測技術與應用科學國際研討會. 青島，2002:29-35 [5] 胡群芳, 陳永杰. 中國掀起星球車研制熱. 深空探測研究.2004, 2 (3): 3-4. 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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 錄 摘 要 Abstract 第1章 緒論 1 1.1 課題背景及研究意義 1 1.2 行星車移動系統(tǒng)概述 2 1.2.1 不可展輪式移動系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 2 1.2.2 可展開輪式移動系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 5 1.3 本文主要研究內(nèi)容 8 第2章 可展開移動系統(tǒng)結構設計 9 2.1 引言 9 2.2 移動系統(tǒng)結構的基本型式 9 2.3 可展開懸架結構 10 2.3.1 可展開懸架結構特點分析 10 2.3.2 可展開懸架展開方案確定 10 2.4 可展開車輪結構設計 12 2.5 本章小結 13 第3章 可展開移動系統(tǒng)的參數(shù)設計 14 3.1 引言 14 3.2 由結構參數(shù)表征的地形通過條件 14 3.2.1 通過崎嶇地形臨界條件 15 3.2.2 通過坡狀地形失效條件 15 3.3 由結構參數(shù)表征的越垂直障礙條件 18 3.3.1 兩個前車輪同時越障 18 3.3.2 兩個中前輪同時越障 19 3.3.3 各輪越過垂直障礙能力評價 21  3.3.4 越過壕溝的能力 21 3.3.5 移動系統(tǒng)的主要參數(shù)確定 21 3.4 本章小結 22 第4章 可展開移動系統(tǒng)車輪部件設計 23 4.1 引言 23 4.2 可展開移動系統(tǒng)概述 23 4.3 車輪部件及其驅動 23 4.3.1 驅動方案確定 24 4.3.2 可展開車輪結構設計 25 4.4 本章小結 26 第5章 可展開移動系統(tǒng)三維建模 27 5.1 三維建模軟件簡介 27 5.1 可展開移動系統(tǒng)三維建模 27 5.3 本章小結 28 第6章 結論 29 參考文獻 致 謝 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 第1章 緒論 1.1 課題背景及研究意義 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注的焦點。在經(jīng)歷了第一次美蘇探月高潮以后，月球探測沉寂了20年，1986年美國提出的“重返月球、建立月球基地”設想，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行月球探測。作為一個航天大國， 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年將開展深空探測研究，重點開展月球探測。2004年中國正式啟動了探月“嫦娥工程” [1]。 星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)作為星球車整體系統(tǒng)的關鍵部分，其性能的好壞直接影響整個探測任務的成敗。國外對移動系統(tǒng)的研究很多，其中有很多成功的范例。 由于航天器運載技術和發(fā)射費用的限制，在具有良好的環(huán)境自適應能力的前提下，體積小、質(zhì)量輕成為星球車研制的主要技術指標。因為減小星球車的體積，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。而星球車體積小卻意味著其所搭載的儀器設備數(shù)量將減少，其直接效果是降低星球車的探測能力。因此，如何使星球車在滿足預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。美國“勇氣”號探測車的成功應用證明[2]，將折疊與展開技術及其設計理論應用到星球車移動系統(tǒng)的研制中可以很好地解決星球車的最小發(fā)射體積與功能多樣性之間的矛盾。 20世紀90年代產(chǎn)生的以空間機構的折疊、伸展、組合為主要研究內(nèi)容的“變約束機構”、“變胞機構”等機構學研究最新成果，為星球車可展開移動系統(tǒng)關鍵技術的研究奠定了理論基礎，但這方面的理論研究尤其是工程應用還有待于完善和發(fā)展 [3]。因此，本課題的研究成果對于星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應用技術的研究均具有一定的借鑒意義。 1.2 行星車移動系統(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、哈爾濱工業(yè)大學、國防科技大學、北京航空航天大學、上海交通大學、華中科技大學和航天科技集團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[4,5]。 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]，具體特點等參見表1-1。 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[7]。根據(jù)輪式移動系統(tǒng)是否具有可展開功能可進一步分類。 表1-1 星球車移動系統(tǒng)主要分類及特點 移動方式 優(yōu)點 缺點 代表車型 輪式 高速、高效 越障能力較差 種類多 腿式 地形適應能力較強 結構復雜、速度慢、效率低、控制復雜 美國卡內(nèi)基—梅隆大學(CMU)開發(fā)的六腿機器人Ambler、框架行走機器人Daedalus ，俄羅斯研制的擺動式腿結構六足機器人 輪腿式 高速、高效、 地形適應能力強 重量大、能耗大 美國噴氣動力實驗室（JPL）研制的Go-For、 日本Tohoku研制的Chairiot 履帶式 地形適應能力強、穩(wěn)定性能和越障性能良好、動載荷小、結構緊湊 體積大、能耗大、履帶易磨損 俄羅斯移動車輛工程學院（VNIITRANSMASH）研制的Track1 1.2.1 不可展輪式移動系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 （1）單輪移動系統(tǒng) 單輪移動系統(tǒng)不存在懸架的概念。由于它用一個輪子來代替整個車體，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車輛地形適應能力的限制，從而大大地減小了體積，增加了機動靈活性。例如：美國CMU機器人研究所研制的單輪移動機器人Gyrover[8]，參見圖1-1。 圖1-1 單輪機器人Gyrover[8] 日本東京電子通訊大學也研制了一種球形移動機器人。它由一個球形輪和一個裝在輪上的弧形體構成，運動控制機構全部位于球形輪內(nèi)部。哈爾濱工業(yè)大學、北京郵電大學也分別研制過單輪星球車原理樣機。 （2）二輪移動系統(tǒng) 哈爾濱工業(yè)大學研制的兩輪并列式星球車原理樣機，具有體積小、不易傾覆、 零半徑旋轉的特點，可作為子母探測車中的子車[9]。 （3）四輪移動系統(tǒng) 四輪移動系統(tǒng)結構相對簡單，但越野能力有限，要想對此進行改進，必須在底盤及驅動方式上有所突破。美國University of Oklahoma研制的Copernicus Rover就是通過獨特的底盤結構來提高地形適應能力的，其樣機及底盤結構型式參見圖1-2[10]。 圖1-2 行星車Copernicus及其底盤結構[10] （4）八輪移動系統(tǒng) 八輪移動系統(tǒng)在行駛平穩(wěn)性方面具有優(yōu)勢，值得深入研究，目前共有四種類型。 扭桿式八輪移動系統(tǒng)，主要應用于前蘇聯(lián)研制的星球車[11]，參見圖1-3。該移動系統(tǒng)由儀器艙與自動行走底盤組成，具有保證車體平穩(wěn)性及行駛平順性的優(yōu)點，但懸架在運動過程中會對車輪產(chǎn)生額外的橫向或縱向力。 圖1-3樣機和車輪與車架連接結構示意圖[11] CRAB-8和DoubleSpring八輪移動系統(tǒng)參見圖1-15，前者為CRAB-8，后者為DoubleSpring。這兩種移動系統(tǒng)均是歐洲ASL提出的新概念車型，二者均具有結構對稱，質(zhì)心位于系統(tǒng)中心的特點。雖沒有樣機實驗，但經(jīng)仿真顯示，兩系統(tǒng)的越障、平順性、地形適應能力均較好。 圖1-4 CRAB-8 和 DoubleSpring 機構示意圖 搖臂式八輪移動系統(tǒng)采用閉鏈平面鉸鏈機構，由哈爾濱工業(yè)大學研制，參見圖1-16。其結構型式左右對稱，通過差速機構與承載平臺連接，具有重力在各輪上均勻分配、八輪自適應地形及通過性能良好等優(yōu)點，但結構相對復雜。 圖1-5 搖臂式八輪移動系統(tǒng)機構示意圖 1.2.2 可展開輪式移動系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 在類型眾多的行星探測車移動系統(tǒng)中，具有可展開功能的車型并不多。已研制出樣機的有下列幾種： （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)大學聯(lián)合開發(fā)的Tri-star2，它采用軸環(huán)和可壓縮輪結構，具有較強的機動性，其體積折疊比可達到373%，參見圖1-6。 圖1-6 Tri-star2 行星車[11] 移動系統(tǒng)整體展開的還有美國國家技術標準局 (NIST)研制的索纜并聯(lián)機器人RoboCrane[12]。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1-7為RoboCrane的兩款樣機照片和其展開過程概念示意圖。 圖1-7 NIST RoboCrane 樣機與展開示意圖[12] （2）底盤可展開移動系統(tǒng) 美國CMU研制的Nomad13]是一種底盤可變形的四輪行星車。它采用前蘇聯(lián)的自包含電動輪模塊概念、Rocky系列的轉向節(jié)懸掛機構、顯式轉向連桿機構和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?shù)妆P完全展開時所占的包絡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構20%的靜穩(wěn)定性。其底盤主要通過兩個四桿機構進行變形，當?shù)妆P展開時四桿機構變成一個菱形，當?shù)妆P收縮時四桿機構則變成一條直線，每組四桿機構具有獨立的驅動裝置。其樣機模型及底盤變形前后示意圖參見圖1-8。 圖1-8 Nomad 行星車和Nomad 底盤結構[13] （3）懸架可展開移動系統(tǒng) 懸架可展開移動系統(tǒng)通過獨立懸架機構的折疊與展開實現(xiàn)體積變化，具有結構相對簡單的特點。該類型移動系統(tǒng)在美國JPL研制的“Sojourner” 及“Spirit”上得到了成功應用[14]。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，后輪被驅動向前，車體被拱起達到要求高度時，彈簧捕捉機構將其鎖定，使整車處于可工作狀態(tài)，參見圖1-9。當“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動副分別與副搖臂及前主搖臂發(fā)生相對轉動，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動副轉動，使車輪轉向內(nèi)側，減小車體前端寬度尺寸，實現(xiàn)折疊。 a) 展開狀態(tài) b) 折疊狀態(tài) 圖1-9 Sojourner的折疊狀態(tài)與展開狀態(tài)[14] “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”單側懸架結構參見圖1-10，懸架的折疊主要通過懸架各構件間相對位置的改變來實現(xiàn)，參與折疊的構件包括后副搖臂(Aft Bogie)、前副搖臂(Forward Bogie)、 副搖臂鉸軸(Bogie Pivot)、后主搖臂(Aft Rocker)、主搖臂轉動副(Rocker-Bridge Joint)、前主搖臂(Forward Rocker)、主搖臂展開驅動電機(Rocker Deployment Actuator)七部分。當“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動副分別與副搖臂及前主搖臂發(fā)生相對轉動，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動副轉動，使車輪轉向內(nèi)側，減小車體前端寬度尺寸，實現(xiàn)如圖1-10(a)所示的折疊。 a) 折疊狀態(tài) b) 展開狀態(tài) 圖1-10 “Spirit”火星探測車折疊狀態(tài)與展開狀態(tài)的對比 （4）可展開車輪概述 可展開車輪在國內(nèi)外的研究均較少，60年代美國設計了一種圓規(guī)腿步行輪[15]，它通過多種傳感器獲得車輛的位姿信息，由計算機控制參數(shù)的變化，能完全補償步行輪的多邊形效應，并能在步行輪和普通輪之間轉換以適應地面的坡度、越過障礙并保持行駛平順性，參見圖1-11。 圖1-11 圓規(guī)腿步行輪示意圖[15] 圖1-12 可展開車輪實物圖[11] 在國內(nèi)，北航研制出一種可重復展開式車輪，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)大學機電工程學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1-12。 1.3 本文研究主要內(nèi)容 （1）八輪星球探測車可展開移動系統(tǒng)的結構設計 包括車輪部件、懸架部件。根據(jù)車輪部件獨立驅動、獨立轉向的功能要求，進行驅動傳動裝置及轉向裝置的設計，同時采用可展開車輪新構型設計相應的輪輻結構。 （2）八輪星球探測車可展開移動系統(tǒng)的參數(shù)設計 根據(jù)八輪扭桿搖臂星球車車型特點，建立了由結構尺寸參數(shù)表征的越障通過性能參數(shù)表達式，對移動系統(tǒng)的越障通過性能進行了全面分析。在此基礎上，求解并確定了主要結構尺寸，保證了所設計星球車的越障性能。 （3）八輪星球探測車可展開移動系統(tǒng)三維仿真 通過建立的三維模型，對展開過程進行仿真。 第2章 可展開移動系統(tǒng)結構設計 2.1 引言 在現(xiàn)有的航天器運載技術條件下，運載工具有效載荷空間的限制要求星球車應盡可能結構緊湊、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在星球車的研制開發(fā)上具有廣闊的應用前景。美國“勇氣”號探測車就是折疊與展開技術在行星探測器上成功應用的范例。 輪式移動系統(tǒng)因其高效可靠等特點得到了廣泛應用，目前研制較成功的輪式移動系統(tǒng)均采用各輪獨立驅動的方式。輪式移動系統(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際應用價值。 懸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，各自在結構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，對其進行結構設計是本章的重點。 2.2 移動系統(tǒng)結構的基本型式 八輪星球探測車移動系統(tǒng)作為新型輪式移動系統(tǒng)，采用八輪獨立驅動方式，具有前后四輪獨立轉向功能。該移動系統(tǒng)具有結構型式對稱的特點，其單側結構型式如圖2-1所示。建立YOZ平面坐標系，其中Y方向為星球車行駛方向，Z方向為鉛直方向。 該移動系統(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；車輪部件則包括轉向機構、車輪及其驅動傳動裝置。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，扭桿壓臂可相對于車體進行小幅度轉動；同時八輪中每兩輪通過搖臂共同鉸接于同一扭桿壓臂，這一結構特點使重力在各車輪上能夠均勻分配，并實現(xiàn)八輪自適應地形變化。 1.車輪 2.搖臂 3.扭桿壓臂 4.承載車體 5.扭桿彈簧 6.轉向機構 圖2-1 八輪星球探測車機構示意圖 要求星球車可適應多種方式、不同地點的展開，即星球車可在著陸器上展開，或離開著陸器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)時星球車仍可自由行駛是懸架結構主要性能要求。同時星球車需搭載于著陸器內(nèi)部，故可展開移動系統(tǒng)折疊后所占用的空間應小于著陸器承載艙內(nèi)部的包絡空間，并要求折疊后與折疊前體積比小于0.8。 2.3 可展開懸架結構 2.3.1 可展開懸架結構特點分析 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)預留足夠空間，并附加改變扭桿彈簧間相對位置的機構；②利用懸架部件的空間運動改變懸架與車體間的相對位置，實現(xiàn)懸架的折疊。兩種方法均增加了懸架部件結構及其展開運動的復雜程度?；诮Y構簡單，運動可靠的觀點，本文只考慮長度(沿Y軸)、高度(沿Z軸)方向的折疊與展開，即懸架部件只在YOZ面上折疊與展開。 2.3.2 可展開懸架展開方案確定 （1）可展開懸架結構確定 合理的懸架展開機構構型方案，應在保證折疊后星球車所占包絡空間最小的前提下，同時兼顧到懸架自身功能、懸架展開的可靠性、星球車車型特點及懸架作為星球車的組成部分所應具有的空間機構特點、懸架展開的動力源選用等諸方面。方案選取時需依據(jù)如下三條準則： 1.懸架折疊后星球車所占包絡空間小； 2.未展開前仍可自由行駛，以適應駛離著陸器在月面上展開的需求； 3.懸架組成構件少，以滿足懸架展開可靠性要求及懸架作為空間機構應具有的質(zhì)量輕的特點； 圖2-2為星球車可展開懸架折疊狀態(tài)與展開狀態(tài)機構簡圖。 a)折疊狀態(tài) b)展開狀態(tài) 圖2-2 可展開懸架折疊與展開狀態(tài)機構簡圖 由機構自由度及主動副位置的判定可知，要實現(xiàn)確定的星球車懸架展開運動，需分別在三個車輪和鉸鏈A、鉸鏈B處添加動力源，具體參見圖2-2(b)，圖中標示的運動副位置即為動力源安置位置。由于本車型移動系統(tǒng)采用八輪獨立驅動方式，故可直接利用車輪驅動電機作為動力源。 （2）可展開懸架附加機構組成 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)）時各構件均具有確定的相對位置，需附加搖臂折疊鎖定機構、搖臂展開鎖定機構、扭桿壓臂折疊鎖定機構、扭桿壓臂展開鎖定機構，其中各折疊鎖定機構均包含解鎖裝置。為實現(xiàn)懸架展開運動，還需附加驅動懸架展開的動力裝置，用于解鎖和啟動、制動電機的位置傳感器。 （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行，人不能直接參與，故其展開方式要根據(jù)展開地點不同進行規(guī)劃。為敘述方便，記搖臂及扭桿壓臂的展開鎖定機構分別為E、F，記搖臂及扭桿壓臂的折疊鎖定機構分別為G、H。 在著陸器上展開。此時，星球車承載車體被安置于著陸器上的支撐平臺，且星球車車輪離地一定距離，當折疊鎖定機構G與H解鎖后，在重力與彈簧動力源的雙重作用下，星球車扭桿壓臂折桿向下展開，當車輪觸及地面后，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構E鎖止，同時車體在彈簧動力源作用下向上抬起車體至工作位置，展開鎖定機構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。 1.搖臂 2.扭桿壓臂折桿 3.承載車體 4.支撐平臺 圖2-3 星球車著陸展開過程示意圖 2.4 可展開車輪結構設計 對于圓形截面車輪，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，即其組成構件必須具備沿車輪徑向或軸向運動的可能。同時，應避免附加驅動動力源，而盡可能利用車輪自身的驅動電機。因此，文中提出兩種可展開車輪輪輻基本結構型式。 （1）空間展開式構型 借鑒折疊雨傘的傘架結構，采用空間并聯(lián)桿機構作為可展開車輪輪輻的基本結構。該空間機構由六組構型相同的支路并聯(lián)組成，每一支路均由曲柄滑塊機構及分別在曲柄和連桿上加載的兩桿組成，單個支路的機構示意圖參見圖2-4。機構的并聯(lián)是通過各支路中滑塊與機架構件分別合并實現(xiàn)的，合并后的構件仍分別稱為滑塊與機架。 1.機架　2. 曲柄　3. 滑塊　4. 連桿　5.附加桿①　6.附加桿②　 圖2-4 可展開式車輪支路機構示意圖及仿真示意圖 其中滑塊為主動件，附加桿②的末端通過形狀改變可制成輪緣。該機構需附加一個驅動部件將滑塊與車輪電機聯(lián)接才可驅動，此驅動部件要求具有將旋轉運動變?yōu)槠揭七\動的功能，如圓柱狀斜面凸輪。其運動方式為：當車輪電機啟動并驅動滑塊移動時，整個空間機構產(chǎn)生徑向的伸展及軸向的收縮（或徑向的收縮與軸向的伸展），這樣車輪實現(xiàn)展開（或折疊）。 （2）平面展開式構型 為使機構的展開運動盡可能簡單可靠，只考慮改變對車輪體積影響最大的徑向尺寸，即車輪展開運動為平面運動。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直線運動，故可采用曲柄滑塊機構實現(xiàn)這種運動形式。若要實現(xiàn)整個車輪沿徑向的折疊與展開，則需在車輪周向均布且并聯(lián)若干組曲柄滑塊機構。其中被并聯(lián)構件分別為曲柄與機架，曲柄為主動件。 為分析簡化，在車輪周向均布且并聯(lián)六組曲柄滑塊機構，其機構示意圖參見圖2-5。當曲柄、連桿、滑塊處于同一直線時，車輪完全展開。通過特定機構鎖定后，滑塊外緣可構成輪緣，曲柄、連桿、滑塊與滑槽被固連成為一個整體，共同構成輪輻。由于采用曲柄為主動件，因而不需要再附加驅動部件，直接將曲柄構件與車輪電機相聯(lián)接，并驅動其旋轉就可以實現(xiàn)車輪的伸展運動。 a) 車輪折疊狀態(tài) 　 b) 車輪展開狀態(tài) 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 圖2-5 可展開式車輪機構示意圖 （3）基本構型確定 由空間展開式構型的展開方式可知，在實現(xiàn)車輪徑向折疊的同時車輪軸向尺寸會被動增大，從而影響折疊的效果，其所附加的驅動部件還會增加車輪結構的復雜性及重量。與空間展開式構型相比，平面展開式構型中展開機構為平面機構，車輪折疊與展開時不會附加產(chǎn)生其它方向的尺寸改變，不需要再附加驅動部件，車輪結構及其展開運動相對簡單可靠。故選取平面展開式構型進行結構設計。 2.5 本章小結 本章通過分別研究選取懸架具體結構、關節(jié)的折疊展開方式和關節(jié)驅動方式，組合出幾種方案，通過分析比較，從中確定了設計中的最終的整體方案并闡述了所選總體方案的工作原理。本章分別對組成移動系統(tǒng)的懸架部件、車輪部件進行了初步設計，確定了各向折疊比均小于0.8的可展開懸架新構型，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、多種地點展開的優(yōu)點。 第3章 可展開移動系統(tǒng)的參數(shù)設計 3.1 引言 復雜月面地形的適應性、越障通過性是評價星球車移動系統(tǒng)性能好壞的重要指標，也是新車型研制過程中需解決的關鍵問題。現(xiàn)有文獻中，學者們多是針對所研制出的具有確定結構尺寸的車型進行越障通過性分析，驗證所設計車型的合理性、實用性。若在確定結構尺寸時，將星球車的越障性能作為設計條件加以考慮，那么所設計車型的越障性能可達到較理想狀態(tài)。基于上述思想，以最大越障高度作為目標，其它越障通過性條件作為約束，對八輪星球探測車移動系統(tǒng)的結構參數(shù)進行設計。 3.2 由結構參數(shù)表征的地形通過條件 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～4個/100m2；直徑1m～3m的環(huán)形山分布密度為10個/100 m2，直徑3m～5m的環(huán)形山分布密度為0.2～1個/100 m2；斜坡約為20°。綜合上述情況及八輪星球探測車的車型特點， 利用結構尺寸參數(shù)表征，確定八輪星球探測車通過各種月面地形的臨界條件。 3.2.1 通過崎嶇地形臨界條件 （1）最小離地間隙 當星球車滿載、靜止且八輪基本處于同一水平高度時，月面與車體最低處的垂直距離被定義為最小離地間隙，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。 （2）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共同反映星球車離開障礙的能力。當星球車結構型式如圖3-1中所示時，記Lr≤0、Lf ≤0，則當車體前、后端部分別超過前、后車輪中心時，記Lr≥0、Lf≥0。由于本車型前后對稱，且要保證前后四輪轉向不受干涉，故取 Lr =Lf ≤0，則γ1=γ2≥90o。 c γ1 γ2 Lr Lf 圖3-1 前懸、后懸、接近角和離去角 3.2.2 通過坡狀地形失效條件 （1）車體前端觸頭失效 如圖3-2(a)所示，星球車行駛至兩個坡形面交匯處，當坡形面與星球車的幾何尺寸及相對位置關系滿足式(3-1)時，將引起車體前端觸及月地表面，導致星球車無法行走，失去通過性。 (3-1) 事實上，在3.2.1節(jié)根據(jù)車型特點確定了Lf的取值總是小于Lm，即所設計星球車不會發(fā)生車體前端觸頭失效。 Lf Lm φN1nφ φN2nφ φN4nφ φN3nφ 下斜面 α+β 上斜面 鉸鏈A β α α+β 上斜面 下斜面 α β α a) 車體前端觸頭失效 b) 車輪觸頭傾覆失效 圖3-2 觸頭失效示意圖 （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型特點，當兩坡形月面夾角超過一定條件時，前搖臂將繞其鉸鏈翻轉，導致星球車傾覆，失去通過性。其準靜態(tài)方程如下 (3-2) 式中 Ni ——星球車各車輪的地面支反力； L ——星球車前輪到后輪中心的距離； l ——星球車同一搖臂上兩輪中心的距離； φ——車輪與地面間的附著系數(shù)； G——星球車重量； hg——星球車質(zhì)心高度。 將前搖臂分離體對鉸鏈A取矩，當其所受力矩之和沿順時針方向小于零時，則出現(xiàn)車輪觸頭失效，即 (3-3) 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 (3-4)其中 (3-5) （3）星球車側向傾覆失效 如圖3-3(a)所示，星球車沿傾斜角度為β的坡形月面勻速側向行駛，當上側車輪的支反力N1為零時，星球車處于側向傾覆的臨界狀態(tài)，此時該車將產(chǎn)生以下側車輪的外輪緣支撐處為軸線的傾覆。由于下側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的計算公式為 (3-6) 故側向傾覆失效條件為 ， (3-8) 即只有滿足時，才不會側向傾覆。 當星球車處于臨界側滑狀態(tài)時，有 (3-9) 即不側滑的臨界條件為 (3-10) 若允許側滑而不側傾，則有 (3-11) 由式(3-8)可以看出，星球車的重心高度越低，其傾覆角越大，越不易傾覆。當然重心過低又會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)有著密切關系，附著系數(shù)越小，因側滑作用，也不易產(chǎn)生傾覆。但當附著系數(shù)過小時，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)化設計時的約束條件。坡度角β的臨界值也可用來評價其單側車輪同時越過障礙物的能力。 φN4 φN3 φN2 φN1 φN2 β β β φN1 a) 側向傾覆失效 b) 縱向傾覆失效 圖3-3 傾覆失效示意圖 （4）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的坡形月面勻速側向行駛，當星球車處于縱向傾覆失效臨界狀態(tài)，通過受力分析，建立其準靜態(tài)方程組如下 (3-12) 當時，星球車將產(chǎn)生縱向傾覆。對方程組(3-12)進行求解，得 (3-13) 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 (3-14) 靜止時不下滑（八個車輪同時制動），應滿足 (3-15) 即不下滑的條件為 (3-16) 若允許下滑而不縱向傾覆，應滿足下式 (3-17) 式中 ——星球車沿坡路下滑時,坡度臨界角。 此時坡度角β的臨界值可用來評價星球車在傾斜月面上的行駛能力。 3.3 由結構參數(shù)表征的越垂直障礙條件 星球車越過垂直障礙的能力與車輪在移動系統(tǒng)中的位置及各構件的結構尺寸均有密切關系。由于星球車移動速度較低，尤其在越過垂直障礙時車速更低，因此可以用靜力學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構尺寸參量間的關系。 3.3.1 兩個前車輪同時越障 （1）參數(shù)式推導 圖3-4為硬路面上星球車兩個前輪同時遇到垂直障礙時的力學模型。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： (3-18) 式中 Gc、Gb —— 分別為車體、搖臂組件重力； hy —— 障礙高度； α —— 障礙對前輪的支反力與水平面夾角。 lb ln φN1 φN2 lb lg θ θ α α φN3 φN4 a) 整車受力分析 lb φN3 φN4 φN2 φN1 lb b) 前搖臂受力分析 c) 后搖臂受力分析 圖3-4 兩個前輪同時垂直越障力學模型 lg、lb —— 前輪（或后輪）軸心到車體質(zhì)心、搖臂質(zhì)心的距離； ly、ln —— 扭桿壓臂長及扭桿中心到車體質(zhì)心距離。 根據(jù)圖3-6所示的幾何關系，有 (3-19) 由方程組(3-18)及式(3-19)可得到星球車越過障礙的高度與各結構尺寸參量之間的關系 (3-20) 3.3.2 兩個中前輪同時越障 （1）參數(shù)式推導 圖3-5為硬路面上星球車兩個中前輪同時遇到垂直障礙時的力學模型。 φN2 φN1 φN3 φN4 θ θ α α ln lg lb lb a) 整車受力分析 φN4 φN3 φN1 φN2 α α b) 前搖臂受力分析 c) 后搖臂受力分析 圖3-5 兩個中前輪同時越垂直障礙力學模型 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 (3-21) 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構尺寸參量之間的關系 (3-22) 3.3.3 各輪越過垂直障礙能力評價 仍采用建立準靜力學平衡方程的分析方法推導兩中后輪同時越障及兩后輪同時越障的參數(shù)關系式，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論，故只需分析兩前輪與兩中前輪的越障能力與結構參數(shù)間的關系即可。 通過分析得，在附著系數(shù)φ相同的條件下，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)化設計中只考慮兩前輪越障所需的參數(shù)條件即可。 要獲得較好的越障效果h0應在極值點附近取值，其具體取值還與l的取值有關，因此l取值不必要選取過大，要綜合hg的取值情況進行選取。 3.3.4 探測車越過壕溝的能力 （1）理論推導 八輪星球探測車跨越壕溝的受力條件與越過垂直障礙時基本相同，參見圖3-1。 圖3-8 車輪越過壕溝狀態(tài)圖 當壕溝寬度小于車輪直徑時，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存在下列關系， (3-23) 3.3.5 移動系統(tǒng)的主要參數(shù)確定 整車工作狀態(tài)所占包絡空間及其長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。 根據(jù)技術要求，星球車折疊后所占包絡空間為1200 mm×1000 mm×800 mm。因不參與折疊寬度值始終為B=1000mm。對于長度及高度，要求展開前后折疊比i≤0.8，故星球車工作狀態(tài)時，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。 表3-1 八輪星球探測車主要尺寸 L=3l ≥1500mm B=1000mm H ≥1000mm Dr =2ρ1=750mm hg=350mm hm=35mm h0=132.5mm l=410mm c≥200mm，α=30? 3.4 本章小結 本章根據(jù)八輪扭桿搖臂星球車車型特點，建立了由結構尺寸參數(shù)表征的越障通過性能參數(shù)表達式，對移動系統(tǒng)的越障通過性能進行了全面分析。在此基礎上，求解并確定了主要結構尺寸，保證了所設計星球車的越障性能。 通過準靜力學分析，確定了八輪星球探測車失去通過性的臨界條件，建立了由結構尺寸參數(shù)表征的通過性能參數(shù)表達式，分析了各結構參數(shù)對星球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論。 第4章 可展開移動系統(tǒng)車輪部件設計 4.1 引言 前面章節(jié)中，確定了八輪星球探測車可展開懸架結構型式及其展開方式；從移動系統(tǒng)的越障通過性能出發(fā)，以最大越障高度為目標，確定了星球車移動系統(tǒng)展開狀態(tài)整體結構尺寸。本章將根據(jù)已經(jīng)確定的結構尺寸及可展開懸架結構型式等條件，綜合移動系統(tǒng)性能要求及機械本體特點對其各可展開移動系統(tǒng)車輪進行設計。 4.2 可展開移動系統(tǒng)概述 八輪星球探測車可展開移動系統(tǒng)由承載車體、懸架部件和包含驅動傳動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機構及解鎖釋放機構。 承載車體是各種探月儀器設備的載體，諸如顯微鏡成像儀、全景照相機、穆斯鮑爾分光計、阿爾法粒子x射線分光計、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、或工作時與承載車體產(chǎn)生相對運動、或彼此相對位置有特殊要求。因此承載車體的設計涉及了包絡空間的確定、聯(lián)接車載儀器的機械接口設計、聯(lián)接懸架的機械接口設計、密封設計等多方面問題。由于車載儀器的放置是一個綜合的系統(tǒng)工程，本文僅涉及承載車體與懸架部件間的機械接口設計。并根據(jù)基本設計要求，以長方體表示承載車體包絡空間。 懸架部件和車輪部件的設計除機械本體外，還涉及了驅動電機的選擇、展開動力源的設計。根據(jù)基本技術要求(參見表4-1)進行了可展開移動系統(tǒng)結構設計。 表4-1 星球車技術性能參數(shù) 整車質(zhì)量/kg 200 可爬越坡度/(°) 30° 平均行走速度/(m/h) 60 可爬越高度/mm 150 4.3 車輪部件及其驅動 八輪星球探測車采用八輪獨立驅動、前后四輪獨立轉向的運動方式，故其車輪部件的設計涉及了驅動電機選取、驅動傳動裝置設計、獨立轉向裝置設計、車輪輪緣和輪輻設計等問題。 4.3.1 驅動方案確定 （1）驅動電機的選取 月球上的大溫差、多粉塵環(huán)境對于電機的工作特性要求很高。瑞士MAXON公司生產(chǎn)的直流微電機組合作為驅動用部件，以每輛車39套的數(shù)量應于“勇氣號”和“機遇號”火星車上，獲得了巨大成功。故本設計采用MAXON公司生產(chǎn)的集直流電機、行星齒輪減速器和編碼器于一體的微電機組合作為驅動。 電機功率的確定：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。則有 (4-1) 式中 T——驅動力矩(N·m)； D——車輪直徑(m)； M——星球車質(zhì)量(kg)； a——星球車沿斜坡行駛加速度(m/s2)； g——月球重力加速度(m/s2)； θ——坡度角(°)，取最大設計值30°。 由星球車最大行駛速度200m/h及最大加速度a=1m/s2，估算得到電機輸出功率約為20W。由MAXON電機樣本選取星球車原理樣機的驅動電機組合，包括電機RE25、減速器GP26B及ML型數(shù)字MR編碼器(包含線驅動器)，表4-2和表4-3為電機和減速器的性能參數(shù) 表4-2 驅動電機maxon118746參數(shù) 額定功率 20.0W 空載轉矩 5200mNm 額定電壓 24.0V 額定轉速 4150rpm 額定轉矩 28.8mNm 最大持續(xù)電流 668mA 最大允許轉速 5500rpm 最大持續(xù)扭矩 29.0mNm 最大允許安裝力 64N 額定電壓下最大功率 18500mW 最大軸向載荷 3.2N 最大徑向載荷 16N 速度/轉矩常數(shù) 36.1rpm/mNm 最高效率 87% 表4-3 減速器maxon144046參數(shù) 減速比 絕對減速比 最大允許電機軸經(jīng) 231:1 192375:832 3.2 根據(jù)結構和尺寸要求，蓄電池采用112M7.0系列，具體參數(shù)如表4-4和表4-5所示。 表4-4 112M7.0蓄電池參數(shù) 外形尺寸 質(zhì)量 額定電壓 額定容量 151x65x94mm 2.6kg 12V 7AH 表4-5 112M7.0蓄電池放電特性 時間 10m 25m 40m 1h 2h 4h 6h 8h 10h 20h 40h 電流(A） 21 11.2 7 4.2 2.45 1.4 1.05 0.84 0.69 0.39 0.19 （2）驅動裝置的設計 八輪獨立驅動的方式，避免了復雜的傳動機構，直接由直流微電機組合作為驅動用部件即可。因此驅動裝置的設計主要涉及車輪輪轂與驅動電機組合輸出軸的聯(lián)接、輪轂與輪軸的聯(lián)接。具體設計為：輪軸內(nèi)部安裝驅動電機組合，外部通過軸承與輪轂鉸接，同時驅動電機組合輸出軸與輪轂聯(lián)接，實現(xiàn)驅動車輪轉動的功能。輪軸一端有機械接口，可直接與搖臂相固定聯(lián)接。輪轂的外部結構型式根據(jù)所選用或設計的車輪輪輻、輪緣型式確定。輪轂內(nèi)部結構簡圖參見圖4-2。 1.輪轂端蓋　2.輸出軸聯(lián)接盤　3.輪轂　4.輪軸　5.電機組　6.搖臂① 圖4-2輪轂內(nèi)部結構簡圖 4.3.2 可展開車輪結構設計 圖4-4所示為車輪展開狀態(tài)結構圖，車輪輪轂內(nèi)部采用圖4-2所示結構。 1.輪緣 2.連桿 3.滑塊 4.滑槽 5.輪轂 6.被動滑槽 7.被動滑塊 圖4-3可展開式車輪展開狀態(tài)結構圖 根據(jù)可展開車輪輪輻拓撲結構及其與輪軸構件的關聯(lián)模型，對可展開車輪進行結構設計。所設計可展開車輪滿足下列技術要求，具體參見表4-6。 表4-6 可展開車輪技術參數(shù) 折疊比 質(zhì)量 材料 展開直徑 折疊直徑 0.762 3.9kg YL12 354mm 270mm 在具體結構設計中，為保證車輪展開后結構穩(wěn)定以及車輪展開鎖止機構的安裝需求，在基本曲柄滑塊機構的基礎上，并聯(lián)了六組被動滑塊結構，同時將輪緣曲面進行了分段處理，各段分別與滑塊構件固接。如圖4-4所示，輪轂外部變換形狀后作為車輪展開機構中的曲柄構件，其與連桿、滑塊、滑槽相對運動至工作位置并被鎖止后，共同構成輪輻。 4.4 本章小結 本章對星球車移動系統(tǒng)進行了結構設計。設計過程中著重解決了下列問題：根據(jù)車輪部件功能要求，單獨設計了驅動傳動裝置，使它們分別與共同構成車輪部件。在此基礎上進行了可展開車輪的結構設計。 第5章 可展開移動系統(tǒng)仿真驗證 5.1 三維建模軟件簡介 目前,隨著計算機輔助技術的不斷發(fā)展,三維造型軟件功能不斷完善,傳統(tǒng)的二維設計正逐漸被三維實體設計所代替。 Pro /Engineer是美國PTC公司于1988年開發(fā)的參數(shù)化設計系統(tǒng),是一套由設計至生產(chǎn)的機械自動化的三維實體模型(3DS)設計軟件,它不僅具有CAD 的強大功能,同時還具有CAE 和CAM 的功能,廣泛應用于工業(yè)設計、機械設計、模具設計、機構分析、有限元分析、加工制造及關系數(shù)據(jù)庫管理等領域。而且能同時支持針對同一產(chǎn)品進行同步設計,具有單一數(shù)據(jù)庫、全相關性、以特征為基礎的參數(shù)式模型和尺寸參數(shù)化等優(yōu)點。采用三維CAD 設計的產(chǎn)品,是和實物完全相同的數(shù)字產(chǎn)品,零部件之間的干涉一目了然,Pro/Engineer 軟件能計算零部件之