八輪星球探測(cè)車移動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析【含cad圖紙優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計(jì)論文】_第1頁(yè)
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文檔簡(jiǎn)介

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

2、 </p><p>  題 目: 八輪星球探測(cè)車可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p>  指導(dǎo)教師: 職稱: </p><p>  職稱: </p><p>  20**年**月**日</p>

3、;<p>  浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書</p><p>  充值后就可以下載此設(shè)計(jì)說(shuō)明書(不包含CAD圖紙)。我這里還有相應(yīng)的word說(shuō)明書(附帶:任務(wù)書、開(kāi)題報(bào)告、文獻(xiàn)綜述、外文翻譯)和CAD圖紙(共計(jì)11張圖紙)。需要全套資料的朋友請(qǐng)加1:1459919609或2:1969043202,需要其他設(shè)計(jì)題目直接聯(lián)系?。?!</p><p>  浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)

4、設(shè)計(jì)(論文)開(kāi)題報(bào)告</p><p>  八輪星球探測(cè)車移動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(yùn)藏大量的礦產(chǎn)資源,是人類飛離地球進(jìn)行深空探測(cè)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(jì)、政治和軍事價(jià)值使得月球探測(cè)成為人類一直關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。</p><p&

5、gt;  星球車是月球探測(cè)中的重要媒介之一,已經(jīng)成為全世界廣泛研究的熱點(diǎn)。移動(dòng)系統(tǒng)作為星球車整體系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,其性能的好壞直接影響整個(gè)探測(cè)任務(wù)的成敗[2]。20世紀(jì)90年代產(chǎn)生的以空間機(jī)構(gòu)的折疊、伸展、組合為主要研究?jī)?nèi)容的 “變胞機(jī)構(gòu)”等機(jī)構(gòu)學(xué)研究最新成果,為星球車可展開(kāi)移動(dòng)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]。</p><p>  由于航天器運(yùn)載技術(shù)和發(fā)射

6、費(fèi)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)量輕成為星球車研制的主要技術(shù)指標(biāo)。因?yàn)闇p小星球車的體積,不僅可以減小其運(yùn)載火箭的體積和質(zhì)量,節(jié)省推動(dòng)力,降低發(fā)射成本,而且對(duì)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(shè)備數(shù)量將減少,其直接效果是降低星球車的探測(cè)能力。因此,如何使星球車在滿足預(yù)期的探測(cè)功能的前提下,盡可能少的占用運(yùn)載器的有效載荷空間是一個(gè)很值得研究的課題。</p><p>

7、;  1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)</p><p>  自20世紀(jì)60年代以來(lái),以美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家為首,各國(guó)科研機(jī)構(gòu)紛紛進(jìn)行各種類型行星車的研制,有的甚至已進(jìn)入實(shí)用化、商品化階段,如“勇氣號(hào)”火星車。在國(guó)內(nèi),清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)[4]、國(guó)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(tuán)502所等高等院校及科研院所相繼開(kāi)展了這方面的研究工作[5]。</p>

8、<p>  迄今為止,國(guó)內(nèi)外研究人員從行星車移動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品及樣機(jī)多達(dá)四十余種。根據(jù)移動(dòng)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(wú)人駕駛遠(yuǎn)程遙控兩類。根據(jù)移動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)具有運(yùn)動(dòng)速度快的優(yōu)點(diǎn),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

9、強(qiáng),可以與腿式移動(dòng)系統(tǒng)相媲美[27]。以下根據(jù)不同部位可展開(kāi)輪式移動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)一步分類。</p><p>  1.2 星球車可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng)概述</p><p>  1.2.1 整體可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng)</p><p>  整體可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng)以三輪移動(dòng)系統(tǒng)為主,由于三個(gè)車輪聯(lián)接于同一個(gè)懸架,移動(dòng)系統(tǒng)的折疊與展開(kāi)需整體進(jìn)行。具有代表性的有日本NASDA和東京工業(yè)大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的Tr

10、i-star2,它采用軸環(huán)和可壓縮輪結(jié)構(gòu),具有較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性,其體積折疊比可達(dá)到373%。</p><p>  移動(dòng)系統(tǒng)整體展開(kāi)的還有美國(guó)國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)局 (NIST)研制的索纜并聯(lián)機(jī)器人RoboCrane[9]。該移動(dòng)系統(tǒng)由三組索桿鉸接在一個(gè)Stewart平臺(tái)上形成,索桿可代替動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)形成移動(dòng)框架。通過(guò)索纜的順序張緊與釋放,改變索桿和車輪間相對(duì)位置,可最終完成折疊與展開(kāi)功能。 </p><p&

11、gt;  1.2.2 底盤可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng)</p><p>  美國(guó)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(dòng)輪模塊概念、Rocky系列的轉(zhuǎn)向節(jié)懸掛機(jī)構(gòu)、顯式轉(zhuǎn)向連桿機(jī)構(gòu)和LRV的自動(dòng)輪距擴(kuò)展概念,利用均化懸掛系統(tǒng)平滑車體相對(duì)于車輪的運(yùn)動(dòng),保證在各種地形情況下四輪都能同時(shí)著地。當(dāng)?shù)妆P完全展開(kāi)時(shí)所占的包絡(luò)空間可比其折疊狀態(tài)時(shí)增加35%,這種展開(kāi)功能使底盤具備超越

12、其裝載結(jié)構(gòu)20%的靜穩(wěn)定性。其底盤主要通過(guò)兩個(gè)四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行變形,當(dāng)?shù)妆P展開(kāi)時(shí)四桿機(jī)構(gòu)變成一個(gè)菱形,當(dāng)?shù)妆P收縮時(shí)四桿機(jī)構(gòu)則變成一條直線,每組四桿機(jī)構(gòu)具有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)裝置。</p><p>  1.2.3 懸架可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng)</p><p>  懸架可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)獨(dú)立懸架機(jī)構(gòu)的折疊與展開(kāi)實(shí)現(xiàn)體積變化,具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。該類型移動(dòng)系統(tǒng)在美國(guó)JPL研制的“Sojourner” 及“Spir

13、it”上得到了成功應(yīng)用[11]。其中“Sojourner”折疊收攏時(shí)采用蹲坐的方式,通過(guò)將搖臂桿在與車體連接的樞軸處分為兩部分實(shí)現(xiàn)。車體站起時(shí),其它車輪不動(dòng),后輪被驅(qū)動(dòng)向前,車體被拱起達(dá)到要求高度時(shí),彈簧捕捉機(jī)構(gòu)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(kāi)與“Sojourner” 有很多不同,它可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)、寬、高三方向的折疊與展開(kāi)。“Spirit”懸架的折疊主要通過(guò)懸架各

14、構(gòu)件間相對(duì)位置的改變來(lái)實(shí)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(dòng)副(Rocker-Bridge Joint)、前主搖臂(Forward Rocker)、主搖臂展開(kāi)驅(qū)動(dòng)電機(jī)(Rocker Deployment Actuator)七部分。當(dāng)“Spirit”折疊時(shí),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(zhǎng)度尺寸;后主搖臂通過(guò)副搖臂鉸軸及主搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)副分別與副搖臂及前主搖臂發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)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(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng),使車輪轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè),減小車體前端寬度尺寸。 </p><p>  1.2.4 車輪可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng)</p><p>  可展開(kāi)車輪在國(guó)內(nèi)外的研究均較少,60年代美國(guó)設(shè)計(jì)了一種圓規(guī)腿步行輪[12],它通過(guò)多種傳感器獲得車輛的位姿信

16、息,由計(jì)算機(jī)控制參數(shù)的變化,能完全補(bǔ)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(guò)障礙并保持行駛平順性。在國(guó)內(nèi),北航研制出一種可重復(fù)展開(kāi)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(dòng)過(guò)程中可根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)出的指令展開(kāi)與折疊。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院在可展開(kāi)式車輪上,進(jìn)行了初步的研究,研制出幾種可展開(kāi)式車輪。</p><p>  1.3 星球車空間可展開(kāi)機(jī)構(gòu)概述</p&g

17、t;<p>  可展開(kāi)式星球車在地面上被收攏成折疊狀態(tài),固定于運(yùn)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(kāi)動(dòng)作,然后鎖定并保持為移動(dòng)系統(tǒng)工作狀態(tài),屬于一種特殊的空間可展開(kāi)機(jī)構(gòu)。</p><p>  1.3.1 空間可展開(kāi)機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀</p><p>  20世紀(jì)60年代可展開(kāi)機(jī)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

18、,以太空應(yīng)用為背景的空間可展開(kāi)機(jī)構(gòu)得到廣泛的研究與應(yīng)用??臻g可展開(kāi)機(jī)構(gòu)的主要形式包括太陽(yáng)帆板、伸展臂、空間可展開(kāi)天線、空間操作平臺(tái)、雷達(dá)定位桿、空間望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦機(jī)構(gòu)、空間望遠(yuǎn)鏡展開(kāi)鏡面機(jī)構(gòu)等,其中大型展開(kāi)天線和太陽(yáng)帆是大型空間可展開(kāi)機(jī)構(gòu)研究最活躍、深入的領(lǐng)域。20世紀(jì)70年代后期美國(guó)航天局(National Aeronautics and Space Administration)在其近期、遠(yuǎn)期發(fā)展規(guī)劃中提出了各種形式的展開(kāi)天線[13],

19、并對(duì)其概念設(shè)計(jì)、分析理論方法、具體應(yīng)用設(shè)計(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。俄羅斯宇航局也在可展開(kāi)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展應(yīng)用上做出了卓越貢獻(xiàn),尤其在“和平號(hào)”空間站上。劍橋大學(xué)與歐空局共同建立了可展開(kāi)機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室,對(duì)可展開(kāi)機(jī)構(gòu)進(jìn)行理論研究及應(yīng)用。同時(shí)歐空局在其衛(wèi)星發(fā)展計(jì)劃中也對(duì)可展開(kāi)機(jī)構(gòu)技術(shù)進(jìn)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(guó)在展開(kāi)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(guó)對(duì)空間可展開(kāi)機(jī)構(gòu)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(kāi)機(jī)構(gòu)的分類</p><p>  目前空間可展開(kāi)機(jī)構(gòu)還沒(méi)有統(tǒng)一的分類原則,可以按展開(kāi)動(dòng)力、結(jié)構(gòu)型式、展開(kāi)順序等多種方式進(jìn)行分類。如按照折疊機(jī)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(jī)構(gòu)展開(kāi)成型后的穩(wěn)定平衡方式可分為自穩(wěn)定可展開(kāi)機(jī)構(gòu)與附加支承可展開(kāi)機(jī)構(gòu);而按展開(kāi)驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行分類

21、最為詳細(xì),包括下面五種情況[15]。</p><p>  1.3.2.1微電機(jī)驅(qū)動(dòng) </p><p>  利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)件或者是通過(guò)傳動(dòng)使機(jī)構(gòu)展開(kāi)。根據(jù)機(jī)構(gòu)的要求和形式的不同,電機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí),在設(shè)計(jì)中要考慮是使機(jī)構(gòu)整體展開(kāi)還是使其逐級(jí)展開(kāi)。如環(huán)柱狀天線(Hoop Column Deployable Antenna)采用整體展開(kāi)

22、,通過(guò)中心電機(jī)驅(qū)動(dòng)環(huán)向索帶動(dòng)各個(gè)肋支座轉(zhuǎn)動(dòng)從而使機(jī)構(gòu)整體展開(kāi)。</p><p>  1.3.2.2 彈簧驅(qū)動(dòng) </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(jī)構(gòu)中,主要使用拉壓簧和扭簧。如果在機(jī)構(gòu)接點(diǎn)或桿件中點(diǎn)安放彈簧,在折疊過(guò)程中,彈簧存儲(chǔ)了一定的應(yīng)變能,當(dāng)機(jī)構(gòu)解鎖后,應(yīng)變能釋放,驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)整體展開(kāi)。美國(guó)ABLE公司的Coilable天線屬于彈簧驅(qū)動(dòng)。對(duì)于拉壓

23、簧驅(qū)動(dòng),在需要變化長(zhǎng)度的桿件中間設(shè)置拉伸彈簧,機(jī)構(gòu)處于收納狀態(tài)時(shí),彈簧處于拉伸狀態(tài)而存儲(chǔ)彈性能量,當(dāng)機(jī)構(gòu)解鎖后,拉伸彈簧的收縮驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)展開(kāi),應(yīng)用廣泛的自適應(yīng)可展機(jī)構(gòu)采用的就是這一展開(kāi)方式。對(duì)于扭簧驅(qū)動(dòng),在機(jī)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)或桿件中點(diǎn)處按特定要求設(shè)置扭簧,機(jī)構(gòu)處于收納狀態(tài)時(shí)扭簧受預(yù)緊力存儲(chǔ)彈性變形能,當(dāng)機(jī)構(gòu)解鎖后扭簧釋放彈性能量,驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)同步展開(kāi)。大型桁架機(jī)構(gòu)多采用這種方法,如俄羅斯研制的TKCA系列,美國(guó)NASA研制的Geo Truss和Pac

24、 truss以及常見(jiàn)的太陽(yáng)帆板。</p><p>  1.3.2.3 液壓或氣壓驅(qū)動(dòng) </p><p>  這里所指的有兩種情況,一種是指機(jī)械范圍內(nèi)的驅(qū)動(dòng),通常由液壓或氣壓系統(tǒng)推動(dòng)桿件或構(gòu)件運(yùn)動(dòng),從而帶動(dòng)整個(gè)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(guò)向結(jié)構(gòu)內(nèi)部充入氣體而使結(jié)構(gòu)膨脹展開(kāi),生成預(yù)先設(shè)計(jì)的形狀,并實(shí)現(xiàn)其功能要求。為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的可靠性,在展開(kāi)后一般還需

25、進(jìn)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(kāi)方式主要有3種:Z形折疊/展開(kāi)、卷曲式折疊/展開(kāi)以及噴出式折疊/展開(kāi)。20世紀(jì)90年代以來(lái),國(guó)際上對(duì)充氣膜結(jié)構(gòu)的研究開(kāi)始升溫。目前對(duì)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(cè)、火星計(jì)劃等領(lǐng)域。美國(guó)宇航局還為充氣膜結(jié)構(gòu)的研究制訂了中長(zhǎng)期計(jì)劃。中期計(jì)劃包括發(fā)展太陽(yáng)帆板、天線、太陽(yáng)防護(hù)罩、太陽(yáng)陣列以及工業(yè)雷達(dá)結(jié)構(gòu)技術(shù);長(zhǎng)期計(jì)劃包括將充氣天線及太陽(yáng)帆板應(yīng)用于實(shí)際,

26、以及發(fā)展Gossamer充氣太空船技術(shù)等。</p><p>  1.3.2.4 自伸展驅(qū)動(dòng) </p><p>  機(jī)構(gòu)的一部分構(gòu)件、某些特定構(gòu)件的中點(diǎn)或整個(gè)機(jī)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(jì)要求自動(dòng)展開(kāi),如美國(guó)NASA JPL和MIT開(kāi)發(fā)的整體展開(kāi)應(yīng)用技術(shù)。另外充氣硬化機(jī)構(gòu)也是一種自伸展機(jī)構(gòu),其在一定的環(huán)境條件下會(huì)自動(dòng)展開(kāi)。</p><p&

27、gt;  1.3.2.5 混合驅(qū)動(dòng) </p><p>  有些可展機(jī)構(gòu)的展開(kāi)和收攏過(guò)程需要以上兩種或者幾種方式聯(lián)合起來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。</p><p>  1.4 八輪星球探測(cè)車研究意義</p><p>  本課題主要進(jìn)行八輪扭桿搖臂式星球車可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究。其研究成果對(duì)于星球車可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng)的進(jìn)一步研制乃至其它空間可展開(kāi)機(jī)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)的研究均具有一定的借鑒意義

28、。</p><p>  2 研究的基本內(nèi)容</p><p>  本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中主要完成的內(nèi)容包括:</p><p>  1)八輪星球探測(cè)車整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>  對(duì)八輪扭桿搖臂式星球車可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),包括車輪部件、懸架部件及懸架展開(kāi)動(dòng)力源。根據(jù)車輪部件獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、獨(dú)立轉(zhuǎn)向的功能要求,進(jìn)行驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置及轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計(jì),同時(shí)采

29、用可展開(kāi)車輪新構(gòu)型設(shè)計(jì)相應(yīng)的輪輻結(jié)構(gòu)。</p><p>  2)八輪星球探測(cè)車可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)</p><p>  根據(jù)八輪扭桿搖臂星球車車型特點(diǎn),建立了由結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)表征的越障通過(guò)性能參數(shù)表達(dá)式,對(duì)移動(dòng)系統(tǒng)的越障通過(guò)性能進(jìn)行了全面分析。在此基礎(chǔ)上,求解并確定了主要結(jié)構(gòu)尺寸,保證了所設(shè)計(jì)星球車的越障性能。</p><p>  3)八輪星球探測(cè)車可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng)

30、三維仿真</p><p>  通過(guò)建立的三維模型,對(duì)展開(kāi)過(guò)程進(jìn)行仿真。</p><p>  3 研究思路方案、可行性分析及預(yù)期成果</p><p>  本設(shè)計(jì)論文擬采用理論分析與三維建模與仿真實(shí)驗(yàn)的方法,在前人的基礎(chǔ)上,通過(guò)三維Pro/E環(huán)境完成八輪星球探測(cè)車的設(shè)計(jì)仿真,并對(duì)其進(jìn)行初步的運(yùn)動(dòng)學(xué)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(gè)方面:</p><p>  3.1.1 根據(jù)月球表面情況對(duì)八輪星球探測(cè)車進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>  包括整體可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng)、底盤可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng)、車輪可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng),基于以上理論可進(jìn)行對(duì)八輪星球探測(cè)車機(jī)構(gòu)原理分析。</p><p>  3.1.2 八輪星球探測(cè)車Pro/ E三維建模</p

32、><p>  目前,隨著計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)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(shè)計(jì)正逐漸被三維實(shí)體設(shè)計(jì)所代替。</p><p>  Pro /Engineer是美國(guó)PTC公司于1988年開(kāi)發(fā)的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng),是一套由設(shè)計(jì)至生產(chǎn)的機(jī)械自動(dòng)化的三維實(shí)體模型(3DS)設(shè)計(jì)軟件,它不僅具有CAD 的強(qiáng)大功能,同時(shí)還具有CAE 和CAM 的功能,廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)分析、

33、有限元分析、加工制造及關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理等領(lǐng)域。而且能同時(shí)支持針對(duì)同一產(chǎn)品進(jìn)行同步設(shè)計(jì),具有單一數(shù)據(jù)庫(kù)、全相關(guān)性、以特征為基礎(chǔ)的參數(shù)式模型和尺寸參數(shù)化等優(yōu)點(diǎn)。采用三維CAD 設(shè)計(jì)的產(chǎn)品,是和實(shí)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(jì)算零部件之間的干涉和體積,把錯(cuò)誤消滅在設(shè)計(jì)階段[9]。</p><p>  運(yùn)用Pro/ E三維設(shè)計(jì)平臺(tái),通過(guò)對(duì)特征工具的操作,避免高級(jí)語(yǔ)言的復(fù)雜

34、編程,所開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出來(lái)的八輪星球探測(cè)車,便于研究人員通過(guò)對(duì)界面特征工具的操作,生成八輪星球探測(cè)車實(shí)體模型,甚至輸出所需要的工程圖及相關(guān)分析數(shù)據(jù)。這樣既可輔助研究人員完成其設(shè)計(jì)構(gòu)思、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高效率和精度、改善視覺(jué)的立體效果,并可有效地縮短研制周期,提高設(shè)計(jì)制造的成功率;也為后續(xù)的3D運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析奠定了基礎(chǔ)。</p><p>  3.1.3 八輪星球探測(cè)車Pro/ E運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析</p>&l

35、t;p>  運(yùn)動(dòng)仿真是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容, 在Pro /E的Mechanism模塊中,通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)添加運(yùn)動(dòng)副、驅(qū)動(dòng)器使其運(yùn)動(dòng)起來(lái),來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真。通過(guò)仿真技術(shù)可以在進(jìn)行整體設(shè)計(jì)和零件設(shè)計(jì)后, 對(duì)各種零件進(jìn)行裝配后模擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng), 從而檢查機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是否達(dá)到設(shè)計(jì)的要求, 可以檢查機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中各種運(yùn)動(dòng)構(gòu)件之間是否發(fā)生干涉,實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)軌跡校核。同時(shí), 可直接分析各運(yùn)動(dòng)副與構(gòu)件在某一時(shí)刻的位置、運(yùn)動(dòng)量以及各運(yùn)動(dòng)副之間的相互

36、運(yùn)動(dòng)關(guān)系及關(guān)鍵部件的受力情況。在Pro /E環(huán)境下進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真分析,不需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)建模、也不需要復(fù)雜的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編程,而是以實(shí)體模型為基礎(chǔ),集設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析于一體,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析的參數(shù)化和全相關(guān),反映機(jī)構(gòu)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況。</p><p>  本次畢業(yè)設(shè)計(jì)以PTC公司的三維建模軟件Pro/E及其中的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真功能建立八輪星球探測(cè)車的運(yùn)動(dòng)仿真模型。首先在Pro/E中建立八輪星球探測(cè)車的三維CAD模型,然后

37、完成八輪星球探測(cè)車的裝配,設(shè)置機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的初始位置,添加驅(qū)動(dòng)和約束,進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。在整個(gè)過(guò)程中,需要對(duì)建立模型等前續(xù)工作進(jìn)行不斷的修改和完善,才能生成所要求的八輪星球探測(cè)車的仿真模型。</p><p><b>  3.2 可行性分析</b></p><p>  移動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究是星球車方面研究的基礎(chǔ)。因此,對(duì)具有理想結(jié)構(gòu)的星球車移動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)、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(jìn)行星球車移動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究,從幾何、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及結(jié)構(gòu)關(guān)系等不同角度對(duì)多指靈巧手進(jìn)行研究, 使星球車能完美的在星球表面上運(yùn)動(dòng)。在前人研究工作基礎(chǔ)上,本設(shè)計(jì)論文進(jìn)行欠驅(qū)動(dòng)多指手設(shè)計(jì)與仿真,在基本原理上是可行的。</p><p>  本設(shè)計(jì)的工作主要涉及力學(xué)、機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)等方面的知識(shí),以及Pro/ E設(shè)計(jì)工具,本人已學(xué)習(xí)了這些相關(guān)課程,并取得了較好

39、的成績(jī),掌握了本設(shè)計(jì)所需的基本知識(shí)。</p><p>  指導(dǎo)老師在星球探測(cè)車的相關(guān)研究方面具有很多成功的經(jīng)驗(yàn),本設(shè)計(jì)的研究方法思路經(jīng)過(guò)深思熟慮,切實(shí)可行,能夠確保畢業(yè)設(shè)計(jì)的順利完成并取得預(yù)期的研究成果。</p><p>  3.3 預(yù)期研究成果</p><p>  設(shè)計(jì)出八輪星球探測(cè)車,完成三維建模。通過(guò)仿真分析,保證設(shè)計(jì)能較好的滿足設(shè)計(jì)要求。</p>

40、<p><b> ?。?研究工作計(jì)劃</b></p><p><b>  參考文獻(xiàn)</b></p><p>  鄒永廖,歐陽(yáng)自遠(yuǎn),李春來(lái). 月球探測(cè)與研究進(jìn)展.空間科學(xué)學(xué)報(bào). 2000,20(10):93-103</p><p>  李圣怡,戴一帆,劉陽(yáng). 月球火星探測(cè)與月球探測(cè)車研制初探. 第二屆月球探測(cè)

41、技術(shù)研討會(huì)論文集. 北京, 2001:146-155</p><p>  李瑞玲,丁希侖,戰(zhàn)強(qiáng),等.變胞機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)學(xué)理論及在航天中的應(yīng)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(cè)車關(guān)鍵技術(shù)及其原理樣機(jī)的研制. 2002年深空探測(cè)技術(shù)與應(yīng)用科學(xué)國(guó)際研討會(huì). 青島,2002:29-35</p><p>  胡群芳, 陳永杰. 中國(guó)掀起星球車研制熱. 深空探測(cè)研究.2004, 2 (3): 3-4.</p><p>  劉方湖,陳建平. 行星探測(cè)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì). 機(jī)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(shù)及其理論研究.哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文.2003,11:1-17</p><p

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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(shù)國(guó)等. 沙地環(huán)境移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪的發(fā)展概況綜述.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用. 2004,4: 22-29 </p><p>  劉明治,高桂芳. 空間可展開(kāi)天線結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展. 宇航學(xué)報(bào). 2003, 24(1):82-87</p><p>  岳建如.研究空間可動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制分析.浙江大學(xué)博士學(xué)位論文. 2002:2-6</p>

48、<p>  熊天齊.可展結(jié)構(gòu)理論分析與研究. 同濟(jì)大學(xué)碩士學(xué)位論文. 2006,1-30</p><p>  浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)文獻(xiàn)綜述報(bào)告</p><p>  八輪星球漫游車移動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(yùn)藏

49、大量的礦產(chǎn)資源,是人類飛離地球進(jìn)行深空探測(cè)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(jì)、政治和軍事價(jià)值使得月球探測(cè)成為人類一直關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。</p><p>  月球車是月球探測(cè)中的重要媒介之一,已經(jīng)成為全世界廣泛研究的熱點(diǎn)。移動(dòng)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(gè)探測(cè)任務(wù)的成敗[2]。20世紀(jì)90年代產(chǎn)生的以空間機(jī)構(gòu)的折疊、伸展、組合為主要研究?jī)?nèi)容的 “變胞機(jī)構(gòu)”等機(jī)構(gòu)學(xué)研

50、究最新成果,為月球車可展開(kāi)移動(dòng)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]。</p><p>  由于航天器運(yùn)載技術(shù)和發(fā)射費(fèi)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(biāo)。因?yàn)闇p小月球車的體積,不僅可以減小其運(yùn)載火箭的體積和質(zhì)量,節(jié)省推動(dòng)力,降低發(fā)射成本,而且對(duì)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

51、數(shù)量將減少,其直接效果是降低月球車的探測(cè)能力。因此,如何使月球車在滿足預(yù)期的探測(cè)功能的前提下,盡可能少的占用運(yùn)載器的有效載荷空間是一個(gè)很值得研究的課題。</p><p>  因此,本課題主要進(jìn)行八輪扭桿搖臂式月球車可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究。其研究成果對(duì)于月球車可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng)的進(jìn)一步研制乃至其它空間可展開(kāi)機(jī)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)的研究均具有一定的借鑒意義。</p><p>  2 星球車可展開(kāi)移動(dòng)系

52、統(tǒng)概述</p><p>  自20世紀(jì)60年代以來(lái),以美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家為首,各國(guó)科研機(jī)構(gòu)紛紛進(jìn)行各種類型行星車的研制,有的甚至已進(jìn)入實(shí)用化、商品化階段,如“勇氣號(hào)”火星車。在國(guó)內(nèi),清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)[4]、國(guó)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(tuán)502所等高等院校及科研院所相繼開(kāi)展了這方面的研究工作[5]。</p><p>  迄今為

53、止,國(guó)內(nèi)外研究人員從行星車移動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品及樣機(jī)多達(dá)四十余種。根據(jù)移動(dòng)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(wú)人駕駛遠(yuǎn)程遙控兩類。根據(jù)移動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)具有運(yùn)動(dòng)速度快的優(yōu)點(diǎn),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(qiáng),可以與腿式移動(dòng)系統(tǒng)相媲美[2

54、7]。以下根據(jù)不同部位可展開(kāi)輪式移動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)一步分類。</p><p>  2.1 整體可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng)</p><p>  整體可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng)以三輪移動(dòng)系統(tǒng)為主,由于三個(gè)車輪聯(lián)接于同一個(gè)懸架,移動(dòng)系統(tǒng)的折疊與展開(kāi)需整體進(jìn)行。具有代表性的有日本NASDA和東京工業(yè)大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的Tri-star2,它采用軸環(huán)和可壓縮輪結(jié)構(gòu),具有較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性,其體積折疊比可達(dá)到373%,參見(jiàn)圖2-1。</p

55、><p>  圖2-1 Tri-star2 行星車[8]</p><p>  移動(dòng)系統(tǒng)整體展開(kāi)的還有美國(guó)國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)局 (NIST)研制的索纜并聯(lián)機(jī)器人RoboCrane[9]。該移動(dòng)系統(tǒng)由三組索桿鉸接在一個(gè)Stewart平臺(tái)上形成,索桿可代替動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)形成移動(dòng)框架。通過(guò)索纜的順序張緊與釋放,改變索桿和車輪間相對(duì)位置,可最終完成折疊與展開(kāi)功能,圖2-2為RoboCrane的兩款樣機(jī)照片和其展開(kāi)

56、過(guò)程概念示意圖。</p><p>  圖2-2 NIST RoboCrane 樣機(jī)與展開(kāi)示意圖[9]</p><p>  2.2 底盤可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng)</p><p>  美國(guó)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(dòng)輪模塊概念、Rocky系列的轉(zhuǎn)向節(jié)懸掛機(jī)構(gòu)、顯式轉(zhuǎn)向連桿機(jī)構(gòu)和LRV的自動(dòng)輪距擴(kuò)展概念,利用均化

57、懸掛系統(tǒng)平滑車體相對(duì)于車輪的運(yùn)動(dòng),保證在各種地形情況下四輪都能同時(shí)著地。當(dāng)?shù)妆P完全展開(kāi)時(shí)所占的包絡(luò)空間可比其折疊狀態(tài)時(shí)增加35%,這種展開(kāi)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(guò)兩個(gè)四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行變形,當(dāng)?shù)妆P展開(kāi)時(shí)四桿機(jī)構(gòu)變成一個(gè)菱形,當(dāng)?shù)妆P收縮時(shí)四桿機(jī)構(gòu)則變成一條直線,每組四桿機(jī)構(gòu)具有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)裝置。其樣機(jī)模型及底盤變形前后示意圖參見(jiàn)圖2-3。</p><p>  圖2-3 Nomad 行星

58、車和Nomad 底盤結(jié)構(gòu)[10]</p><p>  2.3 懸架可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng)</p><p>  懸架可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)獨(dú)立懸架機(jī)構(gòu)的折疊與展開(kāi)實(shí)現(xiàn)體積變化,具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。該類型移動(dòng)系統(tǒng)在美國(guó)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(shí)采用蹲坐的方式,通過(guò)將搖臂桿在與車體連接的樞軸處分為兩部分實(shí)現(xiàn)。車體站

59、起時(shí),其它車輪不動(dòng),后輪被驅(qū)動(dòng)向前,車體被拱起達(dá)到要求高度時(shí),彈簧捕捉機(jī)構(gòu)將其鎖定,使整車處于可工作狀態(tài),參見(jiàn)圖2-4。</p><p>  a) 展開(kāi)狀態(tài) b) 折疊狀態(tài)</p><p>  圖2-4 Sojourner的折疊狀態(tài)與展開(kāi)狀態(tài)</p><p>  “Spirit”火星車的折疊、展開(kāi)與“Sojo

60、urner” 有很多不同,它可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)、寬、高三方向的折疊與展開(kāi)?!癝pirit”單側(cè)懸架結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖2-5,懸架的折疊主要通過(guò)懸架各構(gòu)件間相對(duì)位置的改變來(lái)實(shí)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(dòng)副(Rocker-Bridge Joint)、前主搖臂(Forward Rocker)、主搖臂展開(kāi)驅(qū)動(dòng)電機(jī)(

61、Rocker Deployment Actuator)七部分。當(dāng)“Spirit”折疊時(shí),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(zhǎng)度尺寸;后主搖臂通過(guò)副搖臂鉸軸及主搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)副分別與副搖臂及前主搖臂發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)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(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng),使車輪轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè),減小車體前端寬度尺寸,實(shí)現(xiàn)如圖2-6所示的折疊。</p><p>  圖2-5 “Spirit”火星

62、探測(cè)車單側(cè)懸架結(jié)構(gòu)示意圖[11]</p><p>  a) 折疊狀態(tài) b) 展開(kāi)狀態(tài)</p><p>  圖2-6 “Spirit”火星探測(cè)車折疊狀態(tài)與展開(kāi)狀態(tài)的對(duì)比</p><p>  2.4 車輪可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng)</p><p>  可展開(kāi)車輪在國(guó)內(nèi)外的研究均較少,60年代美國(guó)設(shè)計(jì)了一種圓規(guī)腿步行輪[1

63、2],它通過(guò)多種傳感器獲得車輛的位姿信息,由計(jì)算機(jī)控制參數(shù)的變化,能完全補(bǔ)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(guò)障礙并保持行駛平順性,參見(jiàn)圖2-7。在國(guó)內(nèi),北航研制出一種可重復(fù)展開(kāi)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(dòng)過(guò)程中可根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)出的指令展開(kāi)與折疊。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院在可展開(kāi)式車輪上,進(jìn)行了初步的研究,研制出幾種可展開(kāi)式車輪,實(shí)物模型參見(jiàn)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(kāi)車輪實(shí)物圖[8]</p><p>  3 星球車空間可展開(kāi)機(jī)構(gòu)概述</p><p>  可展開(kāi)式月球車在地面上被收攏成折疊狀態(tài),固定于運(yùn)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(kāi)動(dòng)作,然后鎖定并保持為移動(dòng)系統(tǒng)工作狀態(tài),屬于一種特殊的空間可展開(kāi)機(jī)構(gòu)。</

65、p><p>  3.1 空間可展開(kāi)機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀</p><p>  20世紀(jì)60年代可展開(kāi)機(jī)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(kāi)機(jī)構(gòu)得到廣泛的研究與應(yīng)用??臻g可展開(kāi)機(jī)構(gòu)的主要形式包括太陽(yáng)帆板、伸展臂、空間可展開(kāi)天線、空間操作平臺(tái)、雷達(dá)定位桿、空間望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦機(jī)構(gòu)、空間望遠(yuǎn)鏡展開(kāi)鏡面機(jī)構(gòu)等,其中大型展開(kāi)天線和太陽(yáng)帆是大型空間可展開(kāi)機(jī)構(gòu)研

66、究最活躍、深入的領(lǐng)域。20世紀(jì)70年代后期美國(guó)航天局(National Aeronautics and Space Administration)在其近期、遠(yuǎn)期發(fā)展規(guī)劃中提出了各種形式的展開(kāi)天線[13],并對(duì)其概念設(shè)計(jì)、分析理論方法、具體應(yīng)用設(shè)計(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。俄羅斯宇航局也在可展開(kāi)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展應(yīng)用上做出了卓越貢獻(xiàn),尤其在“和平號(hào)”空間站上。劍橋大學(xué)與歐空局共同建立了可展開(kāi)機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室,對(duì)可展開(kāi)機(jī)構(gòu)進(jìn)行理論研究及應(yīng)用。同時(shí)歐

67、空局在其衛(wèi)星發(fā)展計(jì)劃中也對(duì)可展開(kāi)機(jī)構(gòu)技術(shù)進(jìn)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(guó)在展開(kāi)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(guó)對(duì)空間可展開(kāi)機(jī)構(gòu)的研究起步較晚,具有代表性的是</p><p>  3.2 空間可展開(kāi)機(jī)構(gòu)的分類</p><p>  目前空間可展開(kāi)機(jī)構(gòu)還沒(méi)有統(tǒng)一的分類原則,可以按展開(kāi)動(dòng)力、結(jié)構(gòu)型式、展開(kāi)順序等多種方式進(jìn)行

68、分類。如按照折疊機(jī)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(jī)構(gòu)展開(kāi)成型后的穩(wěn)定平衡方式可分為自穩(wěn)定可展開(kāi)機(jī)構(gòu)與附加支承可展開(kāi)機(jī)構(gòu);而按展開(kāi)驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行分類最為詳細(xì),包括下面五種情況[15]。</p><p>  3.2.1微電機(jī)驅(qū)動(dòng) </p><p>  利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)件或者是通過(guò)傳動(dòng)使機(jī)構(gòu)展開(kāi)。根據(jù)機(jī)構(gòu)的要求和形式的不同,電機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí),在設(shè)計(jì)中要考慮是使機(jī)構(gòu)整體展開(kāi)還是使其逐級(jí)展開(kāi)。如環(huán)柱狀天線(Hoop Column Deployable Antenna)采用整體展開(kāi),通過(guò)中心電機(jī)驅(qū)動(dòng)環(huán)向索帶動(dòng)各個(gè)肋支座轉(zhuǎn)動(dòng)從而使機(jī)構(gòu)整體展開(kāi)。</p><p>  3.2.2 彈簧驅(qū)動(dòng) </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(jī)構(gòu)中,主要使

70、用拉壓簧和扭簧。如果在機(jī)構(gòu)接點(diǎn)或桿件中點(diǎn)安放彈簧,在折疊過(guò)程中,彈簧存儲(chǔ)了一定的應(yīng)變能,當(dāng)機(jī)構(gòu)解鎖后,應(yīng)變能釋放,驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)整體展開(kāi)。美國(guó)ABLE公司的Coilable天線屬于彈簧驅(qū)動(dòng)。對(duì)于拉壓簧驅(qū)動(dòng),在需要變化長(zhǎng)度的桿件中間設(shè)置拉伸彈簧,機(jī)構(gòu)處于收納狀態(tài)時(shí),彈簧處于拉伸狀態(tài)而存儲(chǔ)彈性能量,當(dāng)機(jī)構(gòu)解鎖后,拉伸彈簧的收縮驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)展開(kāi),應(yīng)用廣泛的自適應(yīng)可展機(jī)構(gòu)采用的就是這一展開(kāi)方式。對(duì)于扭簧驅(qū)動(dòng),在機(jī)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)或桿件中點(diǎn)處按特定要求設(shè)置扭簧,機(jī)

71、構(gòu)處于收納狀態(tài)時(shí)扭簧受預(yù)緊力存儲(chǔ)彈性變形能,當(dāng)機(jī)構(gòu)解鎖后扭簧釋放彈性能量,驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)同步展開(kāi)。大型桁架機(jī)構(gòu)多采用這種方法,如俄羅斯研制的TKCA系列,美國(guó)NASA研制的Geo Truss和Pac truss以及常見(jiàn)的太陽(yáng)帆板。</p><p>  3.2.3 液壓或氣壓驅(qū)動(dòng) </p><p>  這里所指的有兩種情況,一種是指機(jī)械范圍內(nèi)的驅(qū)動(dòng),通常由液壓或氣壓系統(tǒng)推動(dòng)桿件或構(gòu)件運(yùn)動(dòng),從而帶動(dòng)

72、整個(gè)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(guò)向結(jié)構(gòu)內(nèi)部充入氣體而使結(jié)構(gòu)膨脹展開(kāi),生成預(yù)先設(shè)計(jì)的形狀,并實(shí)現(xiàn)其功能要求。為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的可靠性,在展開(kāi)后一般還需進(jìn)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(kāi)方式主要有3種:Z形折疊/展開(kāi)、卷曲式折疊/展開(kāi)以及噴出式折疊/展開(kāi)。20世紀(jì)90年代以來(lái),國(guó)際上對(duì)充氣膜結(jié)構(gòu)的研究開(kāi)始升溫。目前對(duì)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

73、探測(cè)、火星計(jì)劃等領(lǐng)域。美國(guó)宇航局還為充氣膜結(jié)構(gòu)的研究制訂了中長(zhǎng)期計(jì)劃。中期計(jì)劃包括發(fā)展太陽(yáng)帆板、天線、太陽(yáng)防護(hù)罩、太陽(yáng)陣列以及工業(yè)雷達(dá)結(jié)構(gòu)技術(shù);長(zhǎng)期計(jì)劃包括將充氣天線及太陽(yáng)帆板應(yīng)用于實(shí)際,以及發(fā)展Gossamer充氣太空船技術(shù)等。</p><p>  3.2.4 自伸展驅(qū)動(dòng) </p><p>  機(jī)構(gòu)的一部分構(gòu)件、某些特定構(gòu)件的中點(diǎn)或整個(gè)機(jī)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)

74、境下可按設(shè)計(jì)要求自動(dòng)展開(kāi),如美國(guó)NASA JPL和MIT開(kāi)發(fā)的整體展開(kāi)應(yīng)用技術(shù)。另外充氣硬化機(jī)構(gòu)也是一種自伸展機(jī)構(gòu),其在一定的環(huán)境條件下會(huì)自動(dòng)展開(kāi)。</p><p>  3.2.5 混合驅(qū)動(dòng) </p><p>  有些可展機(jī)構(gòu)的展開(kāi)和收攏過(guò)程需要以上兩種或者幾種方式聯(lián)合起來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。</p><p><b>  4 總結(jié)</b></p&g

75、t;<p>  如上所述, 目前已經(jīng)制造出來(lái)的這些星球車移動(dòng)系統(tǒng)或多或少的都存在不同方面的問(wèn)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(dòng)及驅(qū)動(dòng)方式等方面都有待發(fā)展,特別是對(duì)對(duì)可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng)的越障通過(guò)性能以及展開(kāi)運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究還比較少。移動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究是星球車方面研究的基礎(chǔ)。因此,對(duì)具有理想結(jié)構(gòu)的星球車移動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)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(jìn)行星球

76、車移動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究,從幾何、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及結(jié)構(gòu)關(guān)系等不同角度對(duì)多指靈巧手進(jìn)行研究, 使星球車能完美的在星球表面上運(yùn)動(dòng)。</p><p><b>  參考文獻(xiàn)</b></p><p>  鄒永廖,歐陽(yáng)自遠(yuǎn),李春來(lái). 月球探測(cè)與研究進(jìn)展.空間科學(xué)學(xué)報(bào). 2000,20(10):93-103</p><p>  李圣怡,戴一帆,劉陽(yáng). 月球火

77、星探測(cè)與月球探測(cè)車研制初探. 第二屆月球探測(cè)技術(shù)研討會(huì)論文集. 北京, 2001:146-155</p><p>  李瑞玲,丁希侖,戰(zhàn)強(qiáng),等.變胞機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)學(xué)理論及在航天中的應(yīng)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(cè)車關(guān)鍵技術(shù)及其原理樣機(jī)的研制. 2002年深空探測(cè)技術(shù)與應(yīng)用科學(xué)國(guó)際研討會(huì). 青島,2002:29-35</p><p>  胡群芳, 陳永杰. 中國(guó)掀起月球車研制熱. 深空探測(cè)研究.2004, 2 (3): 3-4.</p><p>  劉方湖,陳建平. 行星探測(cè)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì). 機(jī)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(shù)及其理論研究.哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)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(shù)國(guó)等. 沙地環(huán)境移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪的發(fā)展概況綜述.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用. 2004,4: 22-29 </p><p>  劉明治,高桂芳. 空間可展開(kāi)天線結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展. 宇航學(xué)報(bào). 2003, 24(1):82-87</p><p>  岳建如.研究空間可動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制分析.浙江大學(xué)博士學(xué)位論文

84、. 2002:2-6</p><p>  熊天齊.可展結(jié)構(gòu)理論分析與研究. 同濟(jì)大學(xué)碩士學(xué)位論文. 2006,1-30</p><p><b>  摘 要</b></p><p>  星球車移動(dòng)系統(tǒng)作為星球面探測(cè)的媒介,其關(guān)鍵技術(shù)的研究對(duì)于完善探索太空工程具有重要意義。本文主要進(jìn)行八輪星球探測(cè)車可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。</p>

85、<p>  為實(shí)現(xiàn)星球車折疊比及相應(yīng)的功能要求,分別對(duì)組成移動(dòng)系統(tǒng)的懸架部件、車輪部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)準(zhǔn)靜力學(xué)分析,分析了各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)星球車越障通過(guò)性的影響。為確保八輪星球探測(cè)車越障能力滿足設(shè)計(jì)要求,求解后確定了其整體結(jié)構(gòu)尺寸。</p><p>  根據(jù)所確定的結(jié)構(gòu)尺寸,對(duì)八輪星球探測(cè)車可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),包括車輪部件、懸架部件。根據(jù)車輪部件獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、獨(dú)立轉(zhuǎn)向的功能要求,進(jìn)行驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置及轉(zhuǎn)向裝置

86、的設(shè)計(jì),同時(shí)采用可展開(kāi)車輪新構(gòu)型設(shè)計(jì)了相應(yīng)的輪輻結(jié)構(gòu)。根據(jù)可展開(kāi)懸架新構(gòu)型,對(duì)懸架部件進(jìn)行了總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。</p><p>  關(guān)鍵詞 八輪星球探測(cè)車;可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);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(dòng)系統(tǒng)概述2</p><p>  1.2.1 不可展輪式移動(dòng)系統(tǒng)研究

95、現(xiàn)狀2</p><p>  1.2.2 可展開(kāi)輪式移動(dòng)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀5</p><p>  1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容8</p><p>  第2章 可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)9</p><p><b>  2.1 引言9</b></p><p>  2.2 移動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本型式9

96、</p><p>  2.3 可展開(kāi)懸架結(jié)構(gòu)10</p><p>  2.3.1 可展開(kāi)懸架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析10</p><p>  2.3.2 可展開(kāi)懸架展開(kāi)方案確定10</p><p>  2.4 可展開(kāi)車輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)12</p><p>  2.5 本章小結(jié)13</p><p&g

97、t;  第3章 可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)14</p><p>  3.1 引言14</p><p>  3.2 由結(jié)構(gòu)參數(shù)表征的地形通過(guò)條件14</p><p>  3.2.1 通過(guò)崎嶇地形臨界條件15</p><p>  3.2.2 通過(guò)坡?tīng)畹匦问l件15</p><p>  3.3 由結(jié)構(gòu)參

98、數(shù)表征的越垂直障礙條件18</p><p>  3.3.1 兩個(gè)前車輪同時(shí)越障18</p><p>  3.3.2 兩個(gè)中前輪同時(shí)越障19</p><p>  3.3.3 各輪越過(guò)垂直障礙能力評(píng)價(jià)21</p><p>  3.3.4 越過(guò)壕溝的能力21</p><p>  3.3.5 移動(dòng)系統(tǒng)的主要

99、參數(shù)確定21</p><p>  3.4 本章小結(jié)22</p><p>  第4章 可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng)車輪部件設(shè)計(jì)23</p><p>  4.1 引言23</p><p>  4.2 可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng)概述23</p><p>  4.3 車輪部件及其驅(qū)動(dòng)23</p><p> 

100、 4.3.1 驅(qū)動(dòng)方案確定24</p><p>  4.3.2 可展開(kāi)車輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)25</p><p>  4.4 本章小結(jié)26</p><p>  第5章 可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng)三維建模27</p><p>  5.1 三維建模軟件簡(jiǎn)介27</p><p>  5.1 可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng)三維建模27<

101、;/p><p>  5.3 本章小結(jié)28</p><p>  第6章 結(jié)論29</p><p><b>  參考文獻(xiàn)</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(yùn)藏大量的礦產(chǎn)資源,是人類飛離地球進(jìn)行深空探測(cè)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(jì)、政治和軍事價(jià)值使得月球探測(cè)成為人類一直關(guān)注的焦點(diǎn)。在經(jīng)歷了第一次美蘇探月高潮以后,月球探測(cè)沉寂了20年,1986年美國(guó)提出的“重返月球、建立月球基地”設(shè)想,揭開(kāi)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(guó)家和組織也紛紛宣布要進(jìn)行月球探測(cè)。作為一個(gè)航天大國(guó), 2000年11月22日中國(guó)發(fā)布了《中國(guó)的航天》白皮書,明確提出未來(lái)10年將開(kāi)展深空探測(cè)研究,重點(diǎn)開(kāi)展月球探測(cè)。2004年中國(guó)正式啟動(dòng)了探月“嫦娥工程” [1]。</p><p>  星球車是月球探測(cè)中的重要媒介之一,已經(jīng)成為全世界廣泛研究的熱點(diǎn)。移動(dòng)系統(tǒng)作為星球車整體系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,其性能的好壞直接影響整個(gè)探測(cè)任務(wù)的成敗。國(guó)外對(duì)移動(dòng)系統(tǒng)的研究很多,其中有很

104、多成功的范例。</p><p>  由于航天器運(yùn)載技術(shù)和發(fā)射費(fèi)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)量輕成為星球車研制的主要技術(shù)指標(biāo)。因?yàn)闇p小星球車的體積,不僅可以減小其運(yùn)載火箭的體積和質(zhì)量,節(jié)省推動(dòng)力,降低發(fā)射成本,而且對(duì)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(shè)備數(shù)量將減少,其直接效果是降低星球車的探測(cè)能力。因此,如何使星球車在滿足預(yù)期的探測(cè)功能的前提下,盡可能少的占用

105、運(yùn)載器的有效載荷空間是一個(gè)很值得研究的課題。美國(guó)“勇氣”號(hào)探測(cè)車的成功應(yīng)用證明[2],將折疊與展開(kāi)技術(shù)及其設(shè)計(jì)理論應(yīng)用到星球車移動(dòng)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。</p><p>  20世紀(jì)90年代產(chǎn)生的以空間機(jī)構(gòu)的折疊、伸展、組合為主要研究?jī)?nèi)容的“變約束機(jī)構(gòu)”、“變胞機(jī)構(gòu)”等機(jī)構(gòu)學(xué)研究最新成果,為星球車可展開(kāi)移動(dòng)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

106、程應(yīng)用還有待于完善和發(fā)展 [3]。因此,本課題的研究成果對(duì)于星球車可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng)的進(jìn)一步研制乃至其它空間可展開(kāi)機(jī)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)的研究均具有一定的借鑒意義。</p><p>  1.2 行星車移動(dòng)系統(tǒng)概述</p><p>  自20世紀(jì)60年代以來(lái),以美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家為首,各國(guó)科研機(jī)構(gòu)紛紛進(jìn)行各種類型行星車的研制,有的甚至已進(jìn)入實(shí)用化、商品化階段,如“勇氣號(hào)”火星車。在國(guó)內(nèi),

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