串聯(lián)多關(guān)節(jié)懸架六輪月球車移動(dòng)系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、月球探測(cè)車(簡(jiǎn)稱月球車)移動(dòng)系統(tǒng)是月球著陸探測(cè)必不可少的設(shè)備，是月面巡視勘察和取樣返回的主要實(shí)施工具，其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能的優(yōu)劣，直接關(guān)系到探測(cè)任務(wù)的完成與否。本文提出并深入研究了具有串聯(lián)多關(guān)節(jié)懸架的六輪月球車移動(dòng)系統(tǒng)，主要開展了以下幾方面的工作。
　　對(duì)月球車移動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究。在對(duì)移動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型綜合和分析的基礎(chǔ)上，提出了兼有被動(dòng)和主動(dòng)兩種地形適應(yīng)方式的混合適應(yīng)型六輪移動(dòng)系統(tǒng)，總體方案采用六輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)以及通

2、過連桿差動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)連接的串聯(lián)多關(guān)節(jié)懸架，以保障各車輪均載及良好的牽引性能。在總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，以外包絡(luò)尺寸最小為目標(biāo)函數(shù)，將運(yùn)動(dòng)能力保障條件轉(zhuǎn)化為幾何約束條件，進(jìn)行了移動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，確定了移動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了移動(dòng)系統(tǒng)本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用了帶有輪刺的圓柱—圓錐形薄壁輪體、陶瓷軸承以及金屬橡膠減振器等技術(shù)，以解決月面環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)問題。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立了移動(dòng)系統(tǒng)Pro/E三維實(shí)體模型和ADAMS仿真模型，為

3、樣機(jī)研制和仿真分析奠定了基礎(chǔ)。
　　本文對(duì)所設(shè)計(jì)的移動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行了深入研究。為了充分發(fā)揮該六輪移動(dòng)系統(tǒng)混合適應(yīng)型的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了幾種不同的運(yùn)動(dòng)模式，并闡述了各運(yùn)動(dòng)模式的運(yùn)動(dòng)原理，為移動(dòng)系統(tǒng)的地形通過性分析提供了依據(jù)。在歸納分析了移動(dòng)系統(tǒng)失去地形通過性的幾種常見類型基礎(chǔ)上，確定了系統(tǒng)地形縱向通過性和橫向通過性的幾何條件。對(duì)于移動(dòng)系統(tǒng)的障礙通過性能力，根據(jù)月球車運(yùn)動(dòng)速度低的特點(diǎn)，采用了準(zhǔn)靜力學(xué)方法進(jìn)行研究，建立系統(tǒng)

4、的準(zhǔn)靜力學(xué)平衡一般方程，研究系統(tǒng)越障時(shí)的臨界狀態(tài)和通過能力；鑒于兩輪同時(shí)越障難度最大，利用準(zhǔn)靜力學(xué)平衡方程，并確定出運(yùn)動(dòng)約束幾何條件。對(duì)移動(dòng)系統(tǒng)在被動(dòng)適應(yīng)和主動(dòng)適應(yīng)兩種方式下，兩輪同時(shí)爬越垂直障礙、穿越壕溝和爬坡的通過性條件分別進(jìn)行了推導(dǎo)和計(jì)算，獲得了越障能力與輪地牽引系數(shù)的關(guān)系曲線和極限條件。此外，建立相應(yīng)的ADAMS越障模型，對(duì)移動(dòng)系統(tǒng)各種運(yùn)動(dòng)模式下的越障通過性進(jìn)行了仿真分析，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了理論計(jì)算值的可信性。<

5、br>　　本文對(duì)移動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和仿真分析。應(yīng)用考慮車輪滑移的輪地接觸變換矩陣，并結(jié)合懸架的 D—H變換矩陣，建立了該系統(tǒng)在三維地形中存在滑移運(yùn)動(dòng)的正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，進(jìn)而推導(dǎo)了考慮滑移影響的運(yùn)動(dòng)速度雅克比矩陣，建立起車輪與主車體之間的運(yùn)動(dòng)速度關(guān)系。此外，給出了系統(tǒng)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解方法，建立了描述崎嶇地形的路徑模型，并利用ADAMS軟件對(duì)崎嶇月面運(yùn)行的移動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，以獲得各車輪和主車體運(yùn)動(dòng)變化的規(guī)律。
　　為分析移動(dòng)系

6、統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，基于車輛——地面力學(xué)理論，通過引入和定義當(dāng)量牽引系數(shù)概念，推導(dǎo)了松軟地面環(huán)境下的輪地作用簡(jiǎn)化模型；并以此為基礎(chǔ)，應(yīng)用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中的凱恩方程法，建立了移動(dòng)系統(tǒng)在崎嶇地形下的動(dòng)力學(xué)模型，推導(dǎo)出其動(dòng)力學(xué)矢量方程式。對(duì)于移動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)平順性研究，鑒于系統(tǒng)振動(dòng)理論模型及求解的復(fù)雜性，利用彈簧和阻尼模型模擬金屬橡膠減振器，在ADAMS軟件中構(gòu)建了前輪裝有減振器的移動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真模型，對(duì)移動(dòng)系統(tǒng)被動(dòng)適應(yīng)模式下，在水平硬地面和越障時(shí)

7、的前、后車輪平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)平順性進(jìn)行了仿真對(duì)比，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的金屬橡膠減振器的減振效果。
　　本文研制了具有串聯(lián)多關(guān)節(jié)懸架的六輪月球車移動(dòng)系統(tǒng)原理樣機(jī)和車輪牽引特性多功能測(cè)試裝置，對(duì)移動(dòng)系統(tǒng)的圓柱——圓錐形車輪在松軟沙土上的牽引特性進(jìn)行了測(cè)試和分析，獲得了車輪牽引特性各種指標(biāo)的參數(shù)曲線，并給出了移動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)車輪較適宜的滑轉(zhuǎn)率范圍。在構(gòu)建的不同模擬月面地形環(huán)境下，對(duì)原理樣機(jī)的移動(dòng)速度和可控性、被動(dòng)適應(yīng)與主動(dòng)適應(yīng)兩種方式的越障通過性、金