輪腿式月球車機(jī)構(gòu)理論與仿真分析.pdf

1、為完成月球表面的探測(cè)任務(wù)，月球車是不可缺少的探測(cè)工具。目前，國(guó)內(nèi)外各科研院所設(shè)計(jì)的月球車種類很多，大有百家爭(zhēng)鳴之勢(shì)，但都是原理樣車，還不能真正上月球。自2004年我國(guó)正式啟動(dòng)“嫦娥工程”以來(lái)，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(jī)構(gòu)理論、力學(xué)分析、優(yōu)化方法和仿真實(shí)驗(yàn)等手段來(lái)進(jìn)一步改善月球車的機(jī)動(dòng)性能，使之滿足復(fù)雜月壤環(huán)境下的探測(cè)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(dòng)物肢體運(yùn)動(dòng)的不對(duì)稱性原

2、理，提出一種可以產(chǎn)生步行運(yùn)動(dòng)效果的二級(jí)半轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，研制出一種新型的基于二級(jí)半轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)步行運(yùn)動(dòng)原理的輪腿式月球車。論文以該輪腿式月球車移動(dòng)機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、越障性能研究、機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、移動(dòng)性能仿真分析、模型樣機(jī)研制與場(chǎng)地試驗(yàn)等角度開展相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究工作，其主要研究?jī)?nèi)容和初步成果如下：
　　 (1)基于半轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)模擬動(dòng)物肢體運(yùn)動(dòng)的不對(duì)稱性原理，提出一種可以產(chǎn)生步行運(yùn)動(dòng)效果的二級(jí)半轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。通過分析二級(jí)

3、半轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的內(nèi)在運(yùn)動(dòng)特性，探尋機(jī)構(gòu)中各轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)耦合關(guān)系。基于二級(jí)半轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的步行運(yùn)動(dòng)原理，提出了月球車輪腿機(jī)構(gòu)的總體機(jī)構(gòu)構(gòu)成方案，并采用二級(jí)行星輪系傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)二級(jí)半轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的步行運(yùn)動(dòng)特性。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行輪腿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)干涉分析，推導(dǎo)出了輪腿機(jī)構(gòu)不發(fā)生干涉且滿足步行運(yùn)動(dòng)要求的條件。在COSMOS Motion仿真環(huán)境下，對(duì)該輪腿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了步行運(yùn)動(dòng)仿真，獲得了機(jī)構(gòu)中各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，并分析了該輪腿機(jī)構(gòu)的上下起伏度。仿真結(jié)果表明，二級(jí)半轉(zhuǎn)輪

4、腿機(jī)構(gòu)的上下起伏度比一級(jí)半轉(zhuǎn)輪腿機(jī)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(jì)方法，以及同構(gòu)組合和異構(gòu)組合兩種設(shè)計(jì)模式。以基于二級(jí)半轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)步行運(yùn)動(dòng)原理的輪腿式月球車為研究對(duì)象，開展了月球車移動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)研究。將輪腿式月球車移動(dòng)機(jī)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(duì)其移動(dòng)機(jī)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(jì)模式，共得到122種四輪腿月球車移動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)型組合設(shè)計(jì)方案和84種六輪腿月球車移動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)型組合設(shè)計(jì)方案。這些構(gòu)型組合設(shè)計(jì)方案對(duì)輪腿式月球車移動(dòng)機(jī)構(gòu)的總體方案設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。
　　 (3)基于上述輪腿式月球車移動(dòng)機(jī)構(gòu)可選構(gòu)型組合設(shè)計(jì)方案，綜合考慮月球車機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)單實(shí)用性和良好的機(jī)動(dòng)性能，確定了基于二級(jí)半轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)步行運(yùn)動(dòng)原理的輪腿式月球車移動(dòng)機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)方案，其移動(dòng)機(jī)構(gòu)由4個(gè)結(jié)構(gòu)相同的二級(jí)半轉(zhuǎn)輪腿機(jī)構(gòu)、車體支

6、架以及轉(zhuǎn)向支架三部分構(gòu)成。利用坐標(biāo)變換方法，建立了輪腿機(jī)構(gòu)坐標(biāo)變換模型，進(jìn)而推導(dǎo)了月球車輪腿機(jī)構(gòu)各跨步桿端點(diǎn)相對(duì)車體中心的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，為后續(xù)的越障分析提供理論數(shù)據(jù)。基于閉鏈坐標(biāo)變換方法，進(jìn)一步推導(dǎo)了月球車車體中心在月面參考坐標(biāo)系下的位姿變換矩陣表達(dá)式，為月球車運(yùn)動(dòng)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(jī)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，獲得了移動(dòng)機(jī)構(gòu)各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)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(jí)半轉(zhuǎn)機(jī)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(dòng)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(píng)價(jià)指標(biāo)。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(duì)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(píng)價(jià)指標(biāo)，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(qiáng)。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(jì)流程圖，并對(duì)兩前輪腿同時(shí)越障、右前輪腿單獨(dú)越障和右后輪腿單獨(dú)越障情況進(jìn)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(píng)價(jià)指標(biāo)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(dòng)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?？紤]到輪腿下陷問題，月球車的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和力學(xué)方程是相互耦合的，通過對(duì)輪腿下陷量的變化幅度進(jìn)行迭代修正的方法，結(jié)合機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和硬地面環(huán)境下的越障能力分析流程，對(duì)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(jìn)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(duì)模型進(jìn)行了合理簡(jiǎn)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(duì)輪腿足瓣與月壤之間的應(yīng)力分布模型進(jìn)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(jī)的研制提供理論分析方法和依據(jù)。
　　 (6)以月球車的輪腿機(jī)構(gòu)為優(yōu)化設(shè)計(jì)研究對(duì)象，以輪腿機(jī)構(gòu)體積最小、質(zhì)量最輕為總目標(biāo)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)約束函數(shù)。運(yùn)用模糊優(yōu)化的理論與方法對(duì)月球車輪腿機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)，要求輪腿機(jī)構(gòu)中的行星輪系參數(shù)在滿足齒面接觸疲勞強(qiáng)度、齒根彎曲疲勞強(qiáng)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(jī)設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)性，在滿足邊界約束、運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性約束和干涉約束的前提下，對(duì)月球車整車機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(diǎn)及其對(duì)月球車移動(dòng)性能提出的要求，在此基礎(chǔ)上擬定后續(xù)移動(dòng)性能仿真分析的各種典型路況。忽略月球車機(jī)構(gòu)內(nèi)部細(xì)節(jié)，利用三維軟件對(duì)二級(jí)半轉(zhuǎn)輪腿式月球車進(jìn)行了虛擬樣機(jī)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(duì)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(dòng)性能，進(jìn)行了ADAMS虛擬樣機(jī)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(duì)它們進(jìn)行了結(jié)果分析。上述移動(dòng)性能仿真分析結(jié)果為月球車模型樣機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究提供了數(shù)據(jù)參考。
　　 (8)對(duì)月球車模型樣機(jī)的機(jī)械子系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，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(jí)半轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的輪腿式月球車模型樣機(jī)。最后，對(duì)月球車模型樣機(jī)進(jìn)行了一系列室內(nèi)和室外場(chǎng)地試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：基于二級(jí)半轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的輪腿式月球車具好較強(qiáng)的路面適應(yīng)能力和良好的綜合機(jī)動(dòng)性能，