新型四轮腿式月球车轮腿结构设计及分析
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)
Jou rnal of W uhan U n iversity of T echno logy
(T ran spo rtati on Science &Engineering )
V o l . 32 N o. 5O ct . 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) 武汉 430063)
摘要:为提高月球车的越障性能, 结合月球表面形状特征, . 提出该特种车轮腿机构类型综合的方法, 方案, 使新型月球车具有较强越障能力. , 并形成封闭三角形结构, 面适应性得到提高. . 关键词:; ; :V 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:BK 2007197)
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
第5期
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:T r 1, T r 2分别为作用在前、后轮上的滚动阻力偶矩; T d 1, T d 2分别为作用于前、后轮的驱动转矩; F t 1, F t 2为作用于前、n 1, F n 2为作用于前R 为车轮半径; a ; Α; G 为整车所
a ) 方案1 b ) 方案2 c ) 方案3 d ) 方案4 e ) 方案5
图2 可行性运动链反推出的实际机构简图
对于含3个移动副的五杆机构, 非同构形式的结构只有1, 3示. , , 其可行性运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.
T t 1+T t 2=T f
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
+T f 2+
4
(L 1-L 2) (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 =50c m , 此时前后轮腿展开角为Α=arcco s
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≤arctan Υ.
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
824武汉理工大学学报(交通科学与工程版) 2008年 第32卷
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(T d +T d ) -4(T r +T r )
Α=arcsin [-2aG 1+3sin 2Η]-2aG 1+3sin 2Η
(2) arctan 2
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, 月球车行驶稳定性好.
2. 3 2前轮越障时月球车姿态设定
前进中遇到障碍物时, 筒及后轮腿2, 4, 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x r , 车身重心横坐标为x c . 前轮越障时, 月球车保持稳定的平衡条件为x c ≤x r
, 即
b sin Βco s Χ+L 1co s Χ+b co s Βco s Χ+
(3) h 1 2sin Χ≤x r
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U G 3. 0中建立的月球车三维立体模型导入ADAM S 中, 对各部分施加运动副及相应联接, 并建立模拟月球表面的月面环境, 设置有24°斜坡、.
采用, s f d =0. 4、静摩擦转换速度s 0. 1, 动摩擦转换速度v d =1. 0. 设月球车车体几何参数:L 1=0. 8m , L 2=0. 7m , R =0. 2m , 原始腿长a =0. 50m , 弹性元件刚度系数k =1200
N 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F n 1和F n 2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F n 1和F n 2尽量接近, 从而保证在不发生越障翻转
第5期
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ADAM S 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
[1]高海波, 邓宗全, 胡 明, 等. 行星轮式月球车移动系
统的关键技术[J ]. 机械工程学报, 2005, 12(41) :
1562161.
[2]刘 静, 赵晓光, 谭 民. 腿式机器人的研究综述
[J ]. 机器人, 2006, 1(28) :81288.
[3], 李 婷, 徐解民, . 图9 车体角速度变化曲线
[J , 2(22) :60263.
[], , 调整各轮腿姿态, 车体角速度变化相对平缓, .
[J ]. 武汉理工大学学报:, 2007, 4(31) :6562659
[5]Bertrand R , R ieder R , W innendaelM V . European
tracked m icro 2robo t fo r p lanetary surface exp lo 2rati on [J ]. Space T echno logy , 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.
Structu re D esign ing and A nalysis of N ew Style
Fou r L eg W heeled L unar Rover
1121
Shang W e iyan L i Shunm i ng Qiu Fa ju X i n J i anghu i
)
)
)
)
(Colleg e of E nergy and P o w er E ng ineering , N anj ing U n iversity
1)
of A eronau tics and A stronau tics , N anj ing 210016)
(S chool of L og istics E ng ineering , W U T , W uhan 430063)
Abstract
In o rder to i m p rove the ab ility of ob stacle su r m oun ting , a m ethod of structu ral syn thesis fo r new style fou r leg lunar rover w as p resen ted in ter m s of variab le terrain on lunar su rface . A leg w heeled design ing p ro ject w as selected from five bar linkages acco rding to design ing requ irem en ts , so the ab ili 2ty of ob stacle su r m oun ting w as i m p roved . T h is new style fou r leg lunar rover has si m p le leg w heeled structu re . T he legs are connected to the bodyw o rk by a shelf w ith flex ib ility , and there is a triangle structu re com po sed by each leg w heeled and the shelf . T hen rati onal po stu res of the legs are designed acco rding to differen t terrain s in lunar su rface . A ll these i m p roved the stab ility and the adap tab ility . B y u sing virtual p ro to type techno logy the m oving characteristic of the lunar rover has been si m u lated . Key words :lunar rover ; leg w heeled m echan is m ; ab ility of ob stacle su r m oun ting ; po stu re estab lish 2
ing ; si m u lati on analysis
2)