八輪星球探測車移動系統的設計與分析【含cad圖紙優(yōu)秀畢業(yè)課程設計論文】

1、<p><b>　　XXXX大學</b></p><p>　　畢 業(yè) 設 計 說 明 書</p><p>　　設計1：1459919609 2：1969043202 </p><p>　　學 院： </p><p>　　專 業(yè)：

2、 </p><p>　　題 目： 八輪星球探測車可展開移動系統設計 </p><p>　　指導教師： 職稱: </p><p>　　職稱: </p><p>　　20**年**月**日</p>

3、;<p>　　浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文）任務書</p><p>　　充值后就可以下載此設計說明書（不包含CAD圖紙）。我這里還有相應的word說明書（附帶：任務書、開題報告、文獻綜述、外文翻譯）和CAD圖紙（共計11張圖紙）。需要全套資料的朋友請加1：1459919609或2：1969043202，需要其他設計題目直接聯系?。?！</p><p>　　浙江理工大學本科畢業(yè)

4、設計（論文）開題報告</p><p>　　八輪星球探測車移動系統的設計與分析</p><p>　　1 選題的背景與意義</p><p>　　月球是距離地球最近的自然天體，蘊藏大量的礦產資源，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]。</p><p&

5、gt;　　星球車是月球探測中的重要媒介之一，已經成為全世界廣泛研究的熱點。移動系統作為星球車整體系統的關鍵部分，其性能的好壞直接影響整個探測任務的成敗[2]。20世紀90年代產生的以空間機構的折疊、伸展、組合為主要研究內容的 “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]。</p><p>　　由于航天器運載技術和發(fā)射

6、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。</p><p>

7、;　　1.1 國內外研究現狀和發(fā)展趨勢</p><p>　　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，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]。</p>

8、<p>　　迄今為止，國內外研究人員從行星車移動系統的越障性能、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產品及樣機多達四十余種。根據移動系統的體積大小不同，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，其越野能力已大大增

9、強，可以與腿式移動系統相媲美[27]。以下根據不同部位可展開輪式移動系統進一步分類。</p><p>　　1.2 星球車可展開移動系統概述</p><p>　　1.2.1 整體可展開移動系統</p><p>　　整體可展開移動系統以三輪移動系統為主，由于三個車輪聯接于同一個懸架，移動系統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)大學聯合開發(fā)的Tr

10、i-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%。</p><p>　　移動系統整體展開的還有美國國家技術標準局 (NIST)研制的索纜并聯機器人RoboCrane[9]。該移動系統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。 </p><p&

11、gt;　　1.2.2 底盤可展開移動系統</p><p>　　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。當底盤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

12、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，當底盤展開時四桿機構變成一個菱形，當底盤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。</p><p>　　1.2.3 懸架可展開移動系統</p><p>　　懸架可展開移動系統通過獨立懸架機構的折疊與展開實現體積變化，具有結構相對簡單的特點。該類型移動系統在美國JPL研制的“Sojourner” 及“Spir

13、it”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。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)。</p><p>　　“Spirit”火星車的折疊、展開與“Sojourner” 有很多不同，它可實現長、寬、高三方向的折疊與展開。“Spirit”懸架的折疊主要通過懸架各

14、構件間相對位置的改變來實現，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

15、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，使車輪轉向內側，減小車體前端寬度尺寸。 </p><p>　　1.2.4 車輪可展開移動系統</p><p>　　可展開車輪在國內外的研究均較少，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

16、息，由計算機控制參數的變化，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，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控制系統發(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。</p><p>　　1.3 星球車空間可展開機構概述</p&g

17、t;<p>　　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，隨著陸器降落到月面后，根據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工作狀態(tài)，屬于一種特殊的空間可展開機構。</p><p>　　1.3.1 空間可展開機構研究現狀</p><p>　　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

18、，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?？臻g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]，

19、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

20、研究起步較晚，具有代表性的是</p><p>　　1.3.2 空間可展開機構的分類</p><p>　　目前空間可展開機構還沒有統一的分類原則，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

21、最為詳細，包括下面五種情況[15]。</p><p>　　1.3.2.1微電機驅動　</p><p>　　利用電機驅動主動件或者是通過傳動使機構展開。根據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

22、，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。</p><p>　　1.3.2.2 彈簧驅動　</p><p>　　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

23、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

24、 truss以及常見的太陽帆板。</p><p>　　1.3.2.3 液壓或氣壓驅動　</p><p>　　這里所指的有兩種情況，一種是指機械范圍內的驅動，通常由液壓或氣壓系統推動桿件或構件運動，從而帶動整個系統伸展。另一種是充氣膜結構，該結構以柔性薄膜材料制造，內部為空腔，通過向結構內部充入氣體而使結構膨脹展開，生成預先設計的形狀，并實現其功能要求。為了增強結構的可靠性，在展開后一般還需

25、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，

26、以及發(fā)展Gossamer充氣太空船技術等。</p><p>　　1.3.2.4 自伸展驅動　</p><p>　　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。</p><p&

27、gt;　　1.3.2.5 混合驅動 </p><p>　　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合起來進行驅動。</p><p>　　1.4 八輪星球探測車研究意義</p><p>　　本課題主要進行八輪扭桿搖臂式星球車可展開移動系統關鍵技術的研究。其研究成果對于星球車可展開移動系統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

28、。</p><p>　　2 研究的基本內容</p><p>　　本次畢業(yè)設計中主要完成的內容包括：</p><p>　　1）八輪星球探測車整體的結構設計</p><p>　　對八輪扭桿搖臂式星球車可展開移動系統進行設計，包括車輪部件、懸架部件及懸架展開動力源。根據車輪部件獨立驅動、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

29、用可展開車輪新構型設計相應的輪輻結構。</p><p>　　2）八輪星球探測車可展開移動系統的參數設計</p><p>　　根據八輪扭桿搖臂星球車車型特點，建立了由結構尺寸參數表征的越障通過性能參數表達式，對移動系統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。</p><p>　　3）八輪星球探測車可展開移動系統

30、三維仿真</p><p>　　通過建立的三維模型，對展開過程進行仿真。</p><p>　　3 研究思路方案、可行性分析及預期成果</p><p>　　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。</p><p>　　3.1 研究思路方案

31、</p><p>　　具體思路方案包含以下三個方面：</p><p>　　3.1.1 根據月球表面情況對八輪星球探測車進行結構設計</p><p>　　包括整體可展開移動系統、底盤可展開移動系統、車輪可展開移動系統，基于以上理論可進行對八輪星球探測車機構原理分析。</p><p>　　3.1.2 八輪星球探測車Pro/ E三維建模</p

32、><p>　　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,傳統的二維設計正逐漸被三維實體設計所代替。</p><p>　　Pro /Engineer是美國PTC公司于1988年開發(fā)的參數化設計系統,是一套由設計至生產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、

33、有限元分析、加工制造及關系數據庫管理等領域。而且能同時支持針對同一產品進行同步設計,具有單一數據庫、全相關性、以特征為基礎的參數式模型和尺寸參數化等優(yōu)點。采用三維CAD 設計的產品,是和實物完全相同的數字產品,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]。</p><p>　　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

34、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據。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。</p><p>　　3.1.3 八輪星球探測車Pro/ E運動學仿真分析</p>&l

35、t;p>　　運動仿真是機構設計的一個重要內容, 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

36、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,實現產品設計、分析的參數化和全相關,反映機構的真實運動情況。</p><p>　　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

37、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。</p><p><b>　　3.2 可行性分析</b></p><p>　　移動系統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進行運動學和動力學、控制理

38、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。</p><p>　　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

39、的成績，掌握了本設計所需的基本知識。</p><p>　　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驗，本設計的研究方法思路經過深思熟慮，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。</p><p>　　3.3 預期研究成果</p><p>　　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。</p>

40、<p><b>　　４ 研究工作計劃</b></p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　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</p><p>　　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

41、技術研討會論文集. 北京, 2001:146-155</p><p>　　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</p><p>　　鄧宗全，胡 明，高海波,等. 月球

42、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</p><p>　　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.</p><p>　　劉方湖，陳建平. 行星探測機器人的研究現狀和發(fā)展趨勢. 機器人. 2002,24(3):268-274.</p><p>　

43、　Apostolopoulos, Dimi. Analytical Configuration of Wheeled Robotic Locomotion. Carnegie Mellon University, Robotics Institute, 1997.</p><p>　　高海波.行星輪式星球車技術及其理論研究.哈爾濱工業(yè)大學工學博士學位論文.2003,11:1-17</p><p

44、>　　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: 175-183</p><p>

45、;　　E. Rollins, J. Luntz, A. Foessel et al. Nomand: A Demonstration of the Transforming Chassis. Proceedings of IEEE international Conference on Robotics and Automation. Leuven, Belgium, may 1998:611-617</p><p&

46、gt;　　R.A.Lindemann, D.B.Bickler. B.D.Harrington et al. Mars exploratin rover mobility development---Mechanical mobility hardware design,development and testing.IEEE Robotics & Automation Magazine.June 2006:19-26</

47、p><p>　　付宜利，徐賀，王樹國等. 沙地環(huán)境移動機器人驅動輪的發(fā)展概況綜述．機器人技術與應用. 2004,4: 22-29 </p><p>　　劉明治,高桂芳. 空間可展開天線結構研究進展. 宇航學報. 2003, 24(1):82-87</p><p>　　岳建如.研究空間可動結構設計與控制分析.浙江大學博士學位論文. 2002:2-6</p>

48、<p>　　熊天齊.可展結構理論分析與研究. 同濟大學碩士學位論文. 2006,1-30</p><p>　　浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文）文獻綜述報告</p><p>　　八輪星球漫游車移動系統的設計與分析</p><p><b>　　1 前言</b></p><p>　　月球是距離地球最近的自然天體，蘊藏

49、大量的礦產資源，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]。</p><p>　　月球車是月球探測中的重要媒介之一，已經成為全世界廣泛研究的熱點。移動系統作為月球車整體系統的關鍵部分，其性能的好壞直接影響整個探測任務的成敗[2]。20世紀90年代產生的以空間機構的折疊、伸展、組合為主要研究內容的 “變胞機構”等機構學研

50、究最新成果，為月球車可展開移動系統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]。</p><p>　　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、質量輕成為月球車研制的主要技術指標。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備

51、數量將減少，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。</p><p>　　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關鍵技術的研究。其研究成果對于月球車可展開移動系統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。</p><p>　　2 星球車可展開移動系

52、統概述</p><p>　　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，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]。</p><p>　　迄今為

53、止，國內外研究人員從行星車移動系統的越障性能、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產品及樣機多達四十余種。根據移動系統的體積大小不同，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，其越野能力已大大增強，可以與腿式移動系統相媲美[2

54、7]。以下根據不同部位可展開輪式移動系統進一步分類。</p><p>　　2.1 整體可展開移動系統</p><p>　　整體可展開移動系統以三輪移動系統為主，由于三個車輪聯接于同一個懸架，移動系統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2-1。</p

55、><p>　　圖2-1 Tri-star2 行星車[8]</p><p>　　移動系統整體展開的還有美國國家技術標準局 (NIST)研制的索纜并聯機器人RoboCrane[9]。該移動系統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2-2為RoboCrane的兩款樣機照片和其展開

56、過程概念示意圖。</p><p>　　圖2-2 NIST RoboCrane 樣機與展開示意圖[9]</p><p>　　2.2 底盤可展開移動系統</p><p>　　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

57、懸掛系統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。當底盤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，當底盤展開時四桿機構變成一個菱形，當底盤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2-3。</p><p>　　圖2-3 Nomad 行星

58、車和Nomad 底盤結構[10]</p><p>　　2.3 懸架可展開移動系統</p><p>　　懸架可展開移動系統通過獨立懸架機構的折疊與展開實現體積變化，具有結構相對簡單的特點。該類型移動系統在美國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。車體站

59、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2-4。</p><p>　　a) 展開狀態(tài) b) 折疊狀態(tài)</p><p>　　圖2-4 Sojourner的折疊狀態(tài)與展開狀態(tài)</p><p>　　“Spirit”火星車的折疊、展開與“Sojo

60、urner” 有很多不同，它可實現長、寬、高三方向的折疊與展開。“Spirit”單側懸架結構參見圖2-5，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，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(

61、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，使車輪轉向內側，減小車體前端寬度尺寸，實現如圖2-6所示的折疊。</p><p>　　圖2-5 “Spirit”火星

62、探測車單側懸架結構示意圖[11]</p><p>　　a) 折疊狀態(tài) b) 展開狀態(tài)</p><p>　　圖2-6 “Spirit”火星探測車折疊狀態(tài)與展開狀態(tài)的對比</p><p>　　2.4 車輪可展開移動系統</p><p>　　可展開車輪在國內外的研究均較少，60年代美國設計了一種圓規(guī)腿步行輪[1

63、2]，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2-7。在國內，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，這種車輪在月球車移動過程中可根據控制系統發(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2-8。</p>

64、<p>　　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]</p><p>　　3 星球車空間可展開機構概述</p><p>　　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，隨著陸器降落到月面后，根據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工作狀態(tài)，屬于一種特殊的空間可展開機構。</

65、p><p>　　3.1 空間可展開機構研究現狀</p><p>　　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?？臻g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

66、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

67、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</p><p>　　3.2 空間可展開機構的分類</p><p>　　目前空間可展開機構還沒有統一的分類原則，可以按展開動力、結構型式、展開順序等多種方式進行

68、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]。</p><p>　　3.2.1微電機驅動　</p><p>　　利用電機驅動主動件或者是通過傳動使機構展開。根據機構的要求和形式的不同，電機的分布方式也不

69、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。</p><p>　　3.2.2 彈簧驅動　</p><p>　　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

70、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

71、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。</p><p>　　3.2.3 液壓或氣壓驅動　</p><p>　　這里所指的有兩種情況，一種是指機械范圍內的驅動，通常由液壓或氣壓系統推動桿件或構件運動，從而帶動

72、整個系統伸展。另一種是充氣膜結構，該結構以柔性薄膜材料制造，內部為空腔，通過向結構內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

73、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。</p><p>　　3.2.4 自伸展驅動　</p><p>　　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)

74、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。</p><p>　　3.2.5 混合驅動 </p><p>　　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合起來進行驅動。</p><p><b>　　4 總結</b></p&g

75、t;<p>　　如上所述, 目前已經制造出來的這些星球車移動系統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，如結構型式、結構尺寸、傳動及驅動方式等方面都有待發(fā)展，特別是對對可展開移動系統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

76、車移動系統的結構設計研究，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。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　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</p><p>　　李圣怡，戴一帆，劉陽. 月球火

77、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</p><p>　　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</p><p&g

78、t;　　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</p><p>　　胡群芳, 陳永杰. 中國掀起月球車研制熱. 深空探測研究.2004, 2 (3): 3-4.</p><p>　　劉方湖，陳建平. 行星探測機器人的研究現狀和發(fā)展趨勢. 機器人. 2002,24(3):268-274.

79、</p><p>　　Apostolopoulos, Dimi. Analytical Configuration of Wheeled Robotic Locomotion. Carnegie Mellon University, Robotics Institute, 1997.</p><p>　　高海波.行星輪式月球車技術及其理論研究.哈爾濱工業(yè)大學工學博士學位論文.2003,11

80、:1-17</p><p>　　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: 175-1

81、83</p><p>　　E. Rollins, J. Luntz, A. Foessel et al. Nomand: A Demonstration of the Transforming Chassis. Proceedings of IEEE international Conference on Robotics and Automation. Leuven, Belgium, may 1998:611

82、-617</p><p>　　R.A.Lindemann, D.B.Bickler. B.D.Harrington et al. Mars exploratin rover mobility development---Mechanical mobility hardware design,development and testing.IEEE Robotics & Automation Magazin

83、e.June 2006:19-26</p><p>　　付宜利，徐賀，王樹國等. 沙地環(huán)境移動機器人驅動輪的發(fā)展概況綜述．機器人技術與應用. 2004,4: 22-29 </p><p>　　劉明治,高桂芳. 空間可展開天線結構研究進展. 宇航學報. 2003, 24(1):82-87</p><p>　　岳建如.研究空間可動結構設計與控制分析.浙江大學博士學位論文

84、. 2002:2-6</p><p>　　熊天齊.可展結構理論分析與研究. 同濟大學碩士學位論文. 2006,1-30</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　星球車移動系統作為星球面探測的媒介，其關鍵技術的研究對于完善探索太空工程具有重要意義。本文主要進行八輪星球探測車可展開移動系統的設計。</p>

85、<p>　　為實現星球車折疊比及相應的功能要求，分別對組成移動系統的懸架部件、車輪部件進行設計。通過準靜力學分析，分析了各結構參數對星球車越障通過性的影響。為確保八輪星球探測車越障能力滿足設計要求，求解后確定了其整體結構尺寸。</p><p>　　根據所確定的結構尺寸，對八輪星球探測車可展開移動系統進行設計，包括車輪部件、懸架部件。根據車輪部件獨立驅動、獨立轉向的功能要求，進行驅動傳動裝置及轉向裝置

86、的設計，同時采用可展開車輪新構型設計了相應的輪輻結構。根據可展開懸架新構型，對懸架部件進行了總體結構設計。</p><p>　　關鍵詞　八輪星球探測車；可展開移動系統；結構設計；建模</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Locomotion system of lunar rover is the medi

87、um of lunar exploration, the research of the locomotion system key technologies of lunar rover has important meaning for perfecting project of lunar exploration. The key technologies on deployable locomotion system of th

88、e eight-wheel with torsion-bar and rocker structure lunar rover are researched.</p><p>　　To meet the demand that the volume of lunar rover is least at folded station, and to realize the relevant function, th

89、e 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 influ

90、ence 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 wi</p><p>　　According to the structure dimensio

91、n, 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 c

92、haracteristic 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 t

93、o the new framework of de</p><p>　　Keyboard lunar rover, deployable motion system, physical design, modeling, </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要</b>

94、</p><p><b>　　Abstract</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題背景及研究意義1</p><p>　　1.2 行星車移動系統概述2</p><p>　　1.2.1 不可展輪式移動系統研究

95、現狀2</p><p>　　1.2.2 可展開輪式移動系統研究現狀5</p><p>　　1.3 本文主要研究內容8</p><p>　　第2章 可展開移動系統結構設計9</p><p><b>　　2.1 引言9</b></p><p>　　2.2 移動系統結構的基本型式9

96、</p><p>　　2.3 可展開懸架結構10</p><p>　　2.3.1 可展開懸架結構特點分析10</p><p>　　2.3.2 可展開懸架展開方案確定10</p><p>　　2.4 可展開車輪結構設計12</p><p>　　2.5 本章小結13</p><p&g

97、t;　　第3章 可展開移動系統的參數設計14</p><p>　　3.1 引言14</p><p>　　3.2 由結構參數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 由結構參

98、數表征的越垂直障礙條件18</p><p>　　3.3.1 兩個前車輪同時越障18</p><p>　　3.3.2 兩個中前輪同時越障19</p><p>　　3.3.3 各輪越過垂直障礙能力評價21</p><p>　　3.3.4 越過壕溝的能力21</p><p>　　3.3.5 移動系統的主要

99、參數確定21</p><p>　　3.4 本章小結22</p><p>　　第4章 可展開移動系統車輪部件設計23</p><p>　　4.1 引言23</p><p>　　4.2 可展開移動系統概述23</p><p>　　4.3 車輪部件及其驅動23</p><p>　

100、　4.3.1 驅動方案確定24</p><p>　　4.3.2 可展開車輪結構設計25</p><p>　　4.4 本章小結26</p><p>　　第5章 可展開移動系統三維建模27</p><p>　　5.1 三維建模軟件簡介27</p><p>　　5.1 可展開移動系統三維建模27<

101、;/p><p>　　5.3 本章小結28</p><p>　　第6章 結論29</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p><b>　　致 謝</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p>&l

102、t;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，蘊藏大量的礦產資源，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

103、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]。</p><p>　　星球車是月球探測中的重要媒介之一，已經成為全世界廣泛研究的熱點。移動系統作為星球車整體系統的關鍵部分，其性能的好壞直接影響整個探測任務的成敗。國外對移動系統的研究很多，其中有很

104、多成功的范例。</p><p>　　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

105、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。</p><p>　　20世紀90年代產生的以空間機構的折疊、伸展、組合為主要研究內容的“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

106、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。</p><p>　　1.2 行星車移動系統概述</p><p>　　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，