关于一种新型月球车的研究与探索

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论文导读:为了克服现有月球车的不能适应多种行走路况的缺陷,本文提出了一种月球车,利用行走系统的主动仿形机构通过四个可任意变换宽窄、高低、方向的车轮连接活动关节支撑机构,控制车轮在坡道上顺利行走。当遇有月球风时可打开风筝机构,使月球车随风飘行,以便节约能源并提高了月球车的综合移动性能。
关键词:新型月球车,行走系统,风筝机构
 

[摘 要]为了克服现有月球车的不能适应多种行走路况的缺陷,本文提出了一种月球车,利用行走系统的主动仿形机构通过四个可任意变换宽窄、高低、方向的车轮连接活动关节支撑机构,控制车轮在坡道上顺利行走;并且在遇到不能翻越的障碍时可以紧急启动攀爬机构翻越障碍;当遇有月球风时可打开风筝机构,使月球车随风飘行,以便节约能源并提高了月球车的综合移动性能。

由于月球具有一定军事目的和开发价值,月球探测对月球车的移动性能要求非常高,主要体现在地面自适应性、行驶平顺性、越障性、连续工作时间、自主行驶功能方面。传统的四轮车因为地面自适应能力差,特别是不能很好的适应不可预知的地况,翻越障碍和爬长坡性能较差和转向不灵活等缺陷,由于这些缺陷均是在沙漠或地势复杂的模拟状态并根据设计者想象设计出的,而真正的不可预知状态被设计者所忽略。目前国内所研制的月球车中,六轮悬架机构仍为研究的主流,各类月球车采用了不同的悬架结构,这些悬架系统各有特点,但也存在各种缺陷或不足:日本宇航中心、梅基大学等单位联合研制的M icro5 采用的是一种五点接触悬吊结构;邓宗全等提出的行星越障轮式月球车越障功能很强,但这种结构在跨越较大障碍时对行驶平顺性的影响较大;刘方湖等设计的五轮铰接式月球机器人具有与美国节式空间探测机器人B lueRover 相同的特点,地面自适应能力很好,但行驶平顺性与抗翻稳定性上有缺陷。免费论文。1由于目前研发受到在先设计的思维禁锢要突破传统月球车的悬架机构设计思维模式,使四轮月球车具备优越的性能以完成复杂的探测任务,就必须尝试新概念的创新设计。免费论文。

1技术方案

一种月球车,包括用于行走的主动仿形机构,用于翻越巨型障碍物的紧急攀爬机构,用于利用月球风的风筝飘行机构。

1.1行走系统的主动仿形机构

包括四个相同配置的轮臂、车轮机构,车体的下部设有四个轮臂,轮臂包括下长杆、上长杆,轮臂的上长杆一端设有延伸架,延伸架由铰接机构与转臂电机连接,轮臂的下长杆连接在升降涡轮蜗杆减速器下部的升降电机上,升降涡轮蜗杆减速器的上部设有转臂电机和转臂涡轮蜗杆减速器,转臂涡轮蜗杆减速器的上端与车体内下部的滚动轴承连接并滑动配合;轮臂的上长杆、下长杆的另一端分别与弯杆的上下部连接,由上长杆、下长杆及两端的弯杆、延伸架和升降涡轮蜗杆减速器形成所述可移动的平行四边形铰链机构,转向电机与弯杆下部由铰接机构铰接,在转向电机下部内的轴承连接转向涡轮蜗杆减速器,在转向涡轮蜗杆减速器两侧设有向下延伸的轮叉,轮叉下端连接车轮的轮轴,驱动电机套接在轮轴上并与与车轮齿和形成一轮臂、车轮机构,由四套轮臂、车轮机构构成完整的用于行走的主动仿形机构。月球车车体呈八角形设置,在车体下部的四套轮臂、车轮机构呈正四角分布。

1.2翻越巨型障碍物的紧急攀爬机构

在车体上部中心位置设有一孔,孔内设有勾枪,勾枪插在枪口中,勾枪的下端连接拉线的一端,拉线的另一端缠绕在收放滑轮上形成翻越巨型障碍物的紧急攀爬机构。

1.3月球风的风筝飘行机构

在车体的上部面设置一环形槽,环形槽内部呈放大的环形轨道,环形轨道内设有由两个轴承和两个支撑杆及两个轴承之间设置的连接板构成的滑动体,其中风袋的下部固定在连接板上,风袋两侧下部分别固定在两个支撑杆上形成利用月球风的风筝飘行机构,风袋的口部边缘设有加厚层。

2工作原理

2.1在遇到不能翻越的巨石、陨石坑、裂缝等依靠自身难以翻越的障碍时,可以紧急启动攀爬机构,发射出去的勾枪的回勾勾住任意借力点,由收放滑轮的拉线回拉从而实现翻越障碍的目的。

2.2月球上有时会出现大风,通过控制启动风袋,本文给出了借用月球风行进的方案,在车体上部设置风袋,平时收缩在环形槽内,需要时由控制机构寻找风向并定位,然后启动两根支撑杆撑起风袋便可;并利用月球的低气压,很容易的带动月球车的前进,最大化的减少月球车自身能量的损耗,有效地延长了能量的使用时限。

2.3月球车的主动仿形机构

2.3.1由于月球车行走系统速度极其缓慢,当月球车检测到前面有障碍物时,通过将传感器所获得信息经无线传输至主控PC机,主控PC机使用图像识别和分析技术获得对象物体的形状和位置信息,在人工指明目标物后,主控PC机经人工智能(模式识别、路径规划、轨迹避碰等)计算;2将控制指令通过无线传输给车体嵌入式控制计算机,控制各个升降电机执行相应的指令,驱动升降涡轮蜗杆减速器带动平行四边形铰链运动,实时调节各个车轮的高度与速度,使之始终与障碍物表面接触,保持月球车的相对水平。由于涡轮蜗杆减速器具有反行程自锁功能,在电机没有驱动的时候,各种机构将保持稳定,这样就提高了月球车的稳定性。

2.3.2行走系统主动仿形机构采用正八棱柱形车体,各装置分布严格对称,结构简单,轮臂可实现折叠,从而提高了行走系统的可靠性和稳定性;行走系统主动仿形机构的四个转臂,实现了每个轮臂都可独立转向,从而可以调节月球车相对应车轮的跨度,提高了行走系统的通过性能。

2.3.3行走系统主动仿形机构的四个升降装置,可通过升降调节车体的高度,调整月球车的重心位置,增强了月球车的抗颠覆性能;行走系统主动仿形机构的四个转向装置,使每个车轮都可独立转向,实现了月球车的零半径转弯,提高了月球车的转向灵活性。

升降装置中巧妙地设计了延伸架和弯杆构成的平行四边形铰链机构,目的是为了充分的发挥平行四边形铰链机构对边移动的平行性,增大车轮的最大垂直高度差,垂直高度差越大,越野性能就越好。

2.4当月球车爬越坡道或波浪形坡道时,为使月球车保持相对水平,通过控制将四个车轮的其中一个车轮升高,同时另外的车轮降低,使月球车的重心始终保持在车体中心,这样就提高了月球车行走系统的行驶平顺性及抗颠覆性能。

2.5通过控制将其中的一个轮臂和另一个轮臂分别以顺时针方向转450将相应的其它轮臂分别以逆时针方向转45度,这样就减小了月球车相对应车轮的跨度,同时将四个车轮向相同的方向转900,这样就增大了相对应车轮的跨度,因此提高了月球车的通过性能。免费论文。

由于轮臂、升降装置和转向机构所构成的主动仿形机构,在复杂地面环境下,不是随地形产生被动的俯仰或扭转,而是主动的仿照地形特征行驶,提高了月球车的平稳性和地形适应性;四轮月球车行走系统主动仿形机构采用主动仿形机构,不但充分利用轮式行走系统的高效移动性能,也实现了足式行走系统的爬行功能,形成了具备双重行走功能的轮足式月球车。


[参考文献]
[1] 尚建忠,罗自荣,张新访. 两种轮式月球车悬架方案及其虚拟样机仿真[J]中国机械工程2006年01期.
[2] 王平,肖琼,陈敏娜. 计算机控制系统[M].高等教育出版社, 2004.08.
 

 

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