新型四轮腿式月球车轮腿结构设计及分析

控制系统

第32卷　第5期2008年10月

武汉理工大学学报(交通科学与工程版)

JournalofWuhanUniversityofTechnology

(TransportationScience&Engineering)

Vol.32　No.5Oct.2008

新型四轮腿式月球车轮腿结构设计及分析3

尚伟燕1)　李舜酩1)　邱法聚2)　辛江慧1)

(南京航空航天大学能源与动力学院1)　南京　210016)

(武汉理工大学物流工程学院2))

摘要:为提高月球车的越障性能,,.提,方案,.,腿结构通过悬架与车身弹性相连,,稳定性及月.:月球车;轮腿机构;越障能力;姿态设定;仿真分析中图法分类号:TP242.3;V476.3

对于移动式月球表面探测车或机器人,一般要求其对复杂月面形状要有良好的适应性和通过性,并具有稳定的行驶能力.月球车移动系统主要有以下几种分类:轮式、腿式、履带式和轮腿式等[124].轮腿式混合结构月球车综合了轮式和腿式步行探测车的优点,有很强的地貌适应能力.轮腿式结构可根据月面形状变化灵活调整车体姿态,从而提高月球车越障性能及系统稳定性[5].本文从这一角度出发,设计出了可自动调节车体姿态的轮腿结构,并根据月面形状的变化合理设定了典型月面下各轮腿的姿态.

运动,需要通过附加一些杆组形成复合轮腿结构,

这些复合结构增加了轮腿结构的复杂性.

全部为转动副的五杆机构和含1个移动副的五杆机构均难以保证轮子实现要求的推进和抬升运动,因此不予考虑.现对含2个移动副的五杆机构进行分析,在运动链中用G表示机架,用B表示执行件,在表示滑动作动筒的II级组的2连杆上分别标注上字母S.在安排了机架和滑动作动筒后,含2个移动副的五杆机构运动链的非同构形式的结构只有3种图谱形式,取不同的构件为执行件,通过综合,添加约束条件:执行件不能与滑动作动筒、机架重合.其非同构形式,如图1所示

.

1　轮腿结构设计与分析

月球车轮腿结构设计需满足以下要求:轮腿

结构简单,可以灵活实现抬升和推进运动从而改善车体姿态,提高月球车越障性能;月球车行进过程中,运动平稳可靠.

根据以上设计要求,从平面四杆机构入手进行分析.在埃万斯机构及其各种衍化形式中,合理设计各构件尺寸,执行构件末端有一段直线性相当好,但却难于同时实现轮腿的推进和抬升2种

　　收稿日期:2008206216

　　尚伟燕:女,30岁,博士生,主要研究领域为特种车辆　　　3江苏省自然科学基金项目资助(批准号:BK2007197)

图1　可行性运动链图

用一般化过程,由可行性运动链反推分别得

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尚伟燕,等:新型四轮腿式月球车轮腿结构设计及分析823

到图2所示的实际创新机构.图中的前2种和后2种方案实际机构其腿部与车身均形成封闭四边形结构.由于四边形结构的不稳定性,月球车车身将处于不稳定状态,因此以上结构方案予以排除.图2第3种方案中2滑动作动筒协同运动不仅能完成要求的抬升和推进运动,而且腿部与车身形成封闭稳定的三角形结构,并且可实现轮腿的抬升和推进运动,是一较理想的方案

.

之间的弹性联结可以较多地缓冲来自月面的振

动,使车体上下振动幅度小于月面形状的起伏度.

2　自主越障时月球车姿态设定

2.1　水平路面上月球车姿态设定

新型四轮腿式月球车各轮腿关于车身几何对称,为方便对各轮腿的控制,月球车在水平路面行进时前后轮腿展开角取相同值.图

5为月球车在水平路面上的受力分析.其中:r1,Tr2分别为作用在前、Td1,Td2分别为;Ft,t2为作用于前、;Fn1,Fn2为作用于;R为车轮半径;a为月球车腿长;Α为前后轮腿展开角;G为整车所受重力.

a)方案1　

b)方案2　c)方案3　d)方案4)图2对于含,1,如图3a)所示.,通过综合,添加约束条件可以找出1种非同构形式,

其可行性运动链及反推出的实际机构分别如图3b),c)所示.

a)再生运动链　　b)可行性运动链　　c)实际机构图

图5　水平路面受力分析

图3　三移动副五杆机构再生运动链图、可行性

运动链图及反推出的实际机构简图

使4个轮子所受月面的支持力尽量保持一致,求得前后轮上的驱动力应满足以下关系.

Tt1+Tt2=Tf

1

该机构能完成要求的抬升和推进运动,当2滑动作动筒静止时,滑块与导杆之间依靠静摩擦力作用而不产生相对运动,腿部与车身形成封闭三角形结构;但是越障行进过程中,由于静摩擦力及越障过程中滑动摩擦力的存在,滑杆极易磨损,因此该方案予以排除.

综合以上分析过程,以图2第3种方案为特种车腿部结构,设计四轮腿式月球车如图4所示.特种车在高低不平的月球表面行驶时,车架与车身

+Tf2+

4

(L1-L2)(1)

在满足式(1)条件下,水平路面行驶的月球车前后轮腿展开角Α无论取何值,作用于4个车轮的月面支持力均会相等,但是从提高行进稳定性的角度考虑,设计月球车在水平路面行驶时车身距月面高度为h=50cm,此时前后轮腿展开角为Α=arccos

a

2.2　上坡时月球车姿态设定

假设月球车在倾角为Η的斜面上行驶,Υ为月球车与月面的附着系数,为防止驱动轮发生滑转,并保证月球车能够沿斜坡前进,必须满足斜坡倾角范围Η≤arctanΥ.

由于整个月球表面覆盖着一层松散层,是由岩石碎块、角砾状岩块、砂和尘土组成的,称为月壤.在月海中月壤厚度为2～10m,在月陆上月壤

图4　四轮腿月球车模型图

厚度达20m[6].因此月球车与月面的附着系数Υ

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可选取0.2～0.3,得到Η≤24.49°.所以,上坡时斜面的坡度Η应该不超过24°,超过这个坡度,月球车应该在控制系统作用下转向避障.

根据受力分析,对前轮与斜坡接触点取矩,可分别求得前、后轮上的受力情况,为使前、后轮受力尽量保持均匀,则

4(Td+Td)-4(Tr+Tr)

Α=arcsin[-2aG1+3sin2Η]-2aG1+3sin2Η

(2)arctan2

爬坡过程中合理确定各参数,使月球车展开角Α满足式(2),前、后轮受力将比较均匀,行驶稳定性好.

2.3　2,筒及后轮腿2,2前轮运动至障碍物顶端并带动车身转过一定角度,月球车在4轮驱动下前进.从水平路面姿态进入越障姿态时,为便于控制,2后腿长度及其与水平面夹角保持不变.越障时前轮腿的展开角为Β,车身相对水平面转过Χ角,前腿长为b,建立如图6所示平面直角坐标系.后轮与月面接触点的横坐标为xr,车身重心横坐标为xc.前轮越障时,月球车保持稳定的平衡条件为xc≤x

r,即

bsinΒcosΧ+L1cosΧ+bcosΒcosΧ+

(3)h1 2sinΧ≤xr

危险的情况下增加月球车行进稳定性.

月球车前后轮腿在结构上是对称性的,因此2后轮越障与前轮越障具有相似的姿态,此处不再赘述.月球表面形状复杂多变,但可将复杂月面形状分解成以上典型月面形状的组合,进而设定月球车的相应行进姿态.

3　仿真分析

将UG3.0入ADAM中,,设置有24°斜.

S Tire模块建立月面与月球车轮胎相互作用模型,设置轮胎与月面的静摩擦因数fs=0.7、动摩擦因数fd=0.4、静摩擦转换速度vs=0.1,动摩擦转换速度vd=1.0.设月球车车体几何参数:L1=0.8m,L2=0.7m,R=0.2m,原始腿长a=0.50m,弹性元件刚度系数k=1

200N m.月球车及其携带科学仪器总重量为150kg.

对月球车运动过程进行仿真分析,根据2.3中的结论调节月球车各滑动作动筒伸长量,使其满足设定姿态的条件,并控制滑动作动筒最大伸长量 l≤160mm,其越障高度可达到208mm.图7为月球车跨越极限高度的障碍物的仿真曲线.

图7　复杂月面形状仿真曲线图

图7中细实线代表月球车前轮中心的高度变化,该曲线也反映了所跨越障碍物的高度;细虚线代表前车轮与月球表面的接触力,粗实线代表悬架与车身间的弹性装置的受力变化,粗虚线代表车身在竖直方向的速度变化.可以看出,月球车行驶过程中,随月面的高低起伏车轮颠簸较厉害,接触力容易产生突变,但车体在竖直方向的速度曲线相对平缓,这是由于车体和悬架的弹性联接缓冲了来自复杂月面的振动,车体稳定性得到提高.图8反应了随月面形状变化车体的速度变化,图9为车体角速度变化曲线.

由图9可以看出,通常情况下,根据月面变化

图6　2前轮越障时受力分析

由式(3)知,在质心位置及车身偏离水平面的转角Χ确定的情况下,合理调整前轮腿长度b及展开角Β即可避免前轮越障过程中的翻转.前轮越障过程中作用于前、后轮上的法向支持力Fn1和Fn2在通常情况下是不可能相等的,但根据实际越障高度 h,行驶中的月球车可通过进一步适当调节前轮腿长度b及展开角Β的大小,使法向支持力Fn1和Fn2尽量接近,从而保证在不发生越障翻转

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尚伟燕,等:新型四轮腿式月球车轮腿结构设计及分析825

悬架结构使月球车月面适应性增强;姿态设定为月球车控制提供了有效参考;通过ADAMS软件对其在复杂月面运动状态进行了仿真分析,求得最大越障高度并验证了该新型结构在月球表面的行驶稳定性.

图8

　车体速度曲线

参考文献

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统的关键技术[J].,2005,12(41):

1562161.

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[5]BertrandR,RiederR,WinnendaelMV.European

trackedmicro2robotforplanetarysurfaceexplo2ration[J].SpaceTechnology,2001,20(2):55264.[6]胡　明,邓宗全,王少纯,等.月球探测车移动系统的

4　结束语

新型轮腿结构简单,可灵活实现抬升和推进

运动,月球车越障能力得到提高,并且轮腿与车身的封闭三角形结构使其行进过程中稳定性增强;

关键技术分析[J].哈尔滨工业大学学报,2003,

35(7):7952798.

StructureDesigningandAnalysisofNewStyle

FourLegWheeledLunarRover

1121

ShangWeiyan　LiShunming　QiuFaju　XinJianghui

)

)

)

)

(CollegeofEnergyandPowerEngineering,NanjingUniversity

1)

ofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016)

(SchoolofLogisticsEngineering,WUT,Wuhan430063)

Abstract

Inordertoimprovetheabilityofobstaclesurmounting,amethodofstructuralsynthesisfornewstylefourleglunarroverwaspresentedintermsofvariableterrainonlunarsurface.Alegwheeleddesigningprojectwasselectedfromfivebarlinkagesaccordingtodesigningrequirements,sotheabili2tyofobstaclesurmountingwasimproved.Thisnewstylefourleglunarroverhassimplelegwheeledstructure.Thelegsareconnectedtothebodyworkbyashelfwithflexibility,andthereisatrianglestructurecomposedbyeachlegwheeledandtheshelf.Thenrationalposturesofthelegsaredesignedaccordingtodifferentterrainsinlunarsurface.Alltheseimprovedthestabilityandtheadaptability.Byusingvirtualprototypetechnologythemovingcharacteristicofthelunarroverhasbeensimulated.Keywords:lunarrover;legwheeledmechanism;abilityofobstaclesurmounting;postureestablish2

ing;simulationanalysis

2)

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4lpe.html