強(qiáng)動(dòng)力型月球車行走系統(tǒng)主動(dòng)仿形機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與研究

李建廷 劉萬強(qiáng) 張海英 劉紅俊 白 楊

摘要 打破傳統(tǒng)月球車的設(shè)計(jì)模式,針對月球表面復(fù)雜的環(huán)境研發(fā)八輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、八輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、八輪臂獨(dú)立垂直升降系統(tǒng)、八輪臂獨(dú)立跨越系統(tǒng)、多功能機(jī)械臂及“雙子星”車體結(jié)構(gòu),通過計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程無線監(jiān)測與控制,實(shí)現(xiàn)月球車的主動(dòng)仿形運(yùn)動(dòng)功能,從而解決此前難以克服的種種難題,使強(qiáng)動(dòng)力型月球車具備強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)力,優(yōu)越的爬坡及越障性能,大大提高該車在惡劣月面環(huán)境條件下的適應(yīng)能力,從而能高效率地完成各種月面探索任務(wù)。

關(guān)鍵詞 月球車;主動(dòng)仿形;創(chuàng)新設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào):TP391.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1671-489X(2009)24-0092-02

Innovation Design and Research on Stepped System Initiative Following Organization of Powerful Lunar Motor//Li Jianting , Liu Wanqiang, Zhang Haiying, Liu Hongjun, Bai Yang

Abstract As to the complex environment of the Lunar surface, in this paper, the eight independent R & D-driven system, eight-wheel independent steering system, eight-arm independent of vertical take-off and landing system, eight-arm steering system independent, multi-function machine arm and “Gemini” body structure have been adopted, which broken the traditional design model. In order to carry out the lunar motor function of profiling initiative, long distance wireless monitor and control have been achieved by using computer. In addition to, the various problems which insurmountability have been solved in this paper. The motor has many advantages, for example powerful driving force, superior climbing and jumping performances, which improve the adaptability of the motor in the poor lunar environment. Consequently, the various of exploring activities will be fulfilled with high efficiency.

Key words Lunar motor; initiative following organization; innovation design

Authors address

1 College of Vehicle and Energy Engineering, Luoyang, Henan, 471003, China

2 Electromechanical Engineering College of Science & Technology, Henan University of Science and

Technology, Luoyang, Henan, 471003, China

21世紀(jì)是人類全面探測太陽系并為人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展服務(wù)的新時(shí)代,目前各國相繼開始增強(qiáng)空間技術(shù)的投資力度,積極發(fā)展本國空間技術(shù),努力爭取在不久的未來在外太空占有自己的一席之地。

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,我國已經(jīng)有能力擴(kuò)展深空探索。我國的嫦娥工程已經(jīng)啟動(dòng),2012年,“嫦娥工程”將實(shí)現(xiàn)“落地”,月球車作為一種登陸月球和探測月球的工具將發(fā)揮重要作用。月球是一個(gè)無風(fēng)、無水、無聲響、無生命、冷熱劇變的荒涼的世界。月球表面崎嶇不平,有石塊、隕石坑、高地。月球車在某種意義上屬于機(jī)器人技術(shù),無論是輪式的還是腿式的,都應(yīng)具有前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、爬坡、取物、采樣和翻轉(zhuǎn)等基本功能,甚至具有初級(jí)人工智能,例如識(shí)別、爬越或繞過障礙物等。

據(jù)報(bào)道,我國已有部分科研院所及高校結(jié)合自身技術(shù)優(yōu)勢研制出各自的月球車[1]。盡管各有千秋,但與真正能夠執(zhí)行探測任務(wù)的月球車還相距甚遠(yuǎn),月球車的研究正在不斷深入。

1 強(qiáng)動(dòng)力型月球車簡介

月球車(亦稱“月球探測遠(yuǎn)程控制機(jī)器人”)是在月球表面行駛并對月球考察和收集分析樣品的專用車輛。強(qiáng)動(dòng)力型月球車作為具有仿形功能的輪足式月球車,打破傳統(tǒng)月球車的設(shè)計(jì)模式,針對月球表面復(fù)雜的環(huán)境研發(fā)的八輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、八輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、八輪臂獨(dú)立垂直升降系統(tǒng)、八輪臂獨(dú)立跨越系統(tǒng)、多功能機(jī)械臂及“雙子星”車體結(jié)構(gòu),通過計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程無線監(jiān)測與控制,實(shí)現(xiàn)月球車的主動(dòng)仿形運(yùn)動(dòng)功能;在輪子仿形機(jī)構(gòu)無法跨越障礙的情況下,可以切換行走模式,8條輪臂作為8條腿,8個(gè)輪子作為8只足,實(shí)現(xiàn)爬行功能;當(dāng)一個(gè)車體陷入隕石坑或發(fā)生故障,在自身無法擺脫障礙時(shí),可使另一車體通過機(jī)械臂對其實(shí)施救助。這樣基于仿形運(yùn)動(dòng)功能的輪足式月球車具備強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)力,優(yōu)越的越障爬坡性能、仿形運(yùn)動(dòng)功能、超強(qiáng)的整車通過性能及相互救助功能。

2 月球車行走系統(tǒng)主動(dòng)仿形機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2.1 八輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)打破傳統(tǒng)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車的設(shè)計(jì)模式,即摒棄傳統(tǒng)的同軸獨(dú)立驅(qū)動(dòng),采用自由輪臂獨(dú)立驅(qū)動(dòng),大大提高該車對月球表面復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力。精簡傳統(tǒng)汽車復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu),直接由電動(dòng)機(jī)輸入動(dòng)力,采用動(dòng)力輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動(dòng),每個(gè)輪子都有一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng),電動(dòng)機(jī)經(jīng)過減速器直接將動(dòng)力傳送到輪子上,電動(dòng)機(jī)內(nèi)置于輪子中心(圖1),可大大提高車速及馬力,減少復(fù)雜傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的能量損失,從而提高能量利用效率,充分利用有限的能源。

2.2 八輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)每個(gè)輪架都裝有一個(gè)舵機(jī),可獨(dú)立360度轉(zhuǎn)向,亦可整體協(xié)調(diào)一致轉(zhuǎn)向,實(shí)現(xiàn)車體的零半徑轉(zhuǎn)彎。例如在四輪轉(zhuǎn)向一致的情況下,分別控制4個(gè)轉(zhuǎn)向舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)45°、135°、225°、315°,給4個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)以相同轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)車體簡單的零半徑轉(zhuǎn)彎,很大程度上提高月球車的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)靈活性及整車運(yùn)動(dòng)靈活性。

2.3 八輪臂獨(dú)立垂直升降機(jī)構(gòu)該機(jī)構(gòu)打破傳統(tǒng)汽車可調(diào)底盤的設(shè)計(jì)模式,輪臂設(shè)計(jì)采用平行四邊形機(jī)構(gòu),在關(guān)節(jié)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下,主動(dòng)齒輪帶動(dòng)從動(dòng)齒輪,從動(dòng)齒輪與平行四邊形下連桿一端固定,從而帶動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)夾角在45°～180°范圍內(nèi)變動(dòng),輪臂升降最大高度差為200 mm。CCD攝像機(jī)和超聲波傳感器所獲得的障礙物信息,經(jīng)無線傳輸至主控PC機(jī)。主控PC機(jī)使用圖像識(shí)別和分析技術(shù)獲得對象物體的形狀和位置信息,同時(shí)將障礙物三維圖像顯示在計(jì)算機(jī)操作界面上。主控PC機(jī)將相關(guān)信息發(fā)送到車體嵌入式計(jì)算機(jī),控制關(guān)節(jié)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成主動(dòng)仿形運(yùn)動(dòng)。例如當(dāng)遇到石塊時(shí),輪子將自動(dòng)沿著石塊表面上升,越過石塊并保持車體的相對水平,即使是在復(fù)雜的月面環(huán)境下行走,也能如履平地一般(圖2),提高車對月面的適應(yīng)性能,即整車通過性能。

2.4 八輪臂獨(dú)立轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)每個(gè)輪臂架與車體的連接處都有一舵機(jī)控制輪臂的轉(zhuǎn)向,可獨(dú)立控制轉(zhuǎn)向,亦可協(xié)調(diào)控制轉(zhuǎn)向,通過輪臂架的轉(zhuǎn)向可以根據(jù)需要增大或減小車體輪子的跨度。在輪子無法通過或無法擺脫障礙時(shí),在主控PC機(jī)控制下,嵌入式控制系統(tǒng)可以切換到爬行模式,平行四邊形機(jī)構(gòu)與輪臂轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng),8條輪臂作為8條腿,8個(gè)輪子作為8只足,2車體可相互獨(dú)立運(yùn)動(dòng),作為2個(gè)四足步行機(jī)器人;亦可通過機(jī)械臂對接作為一個(gè)八足步行機(jī)器人,即實(shí)現(xiàn)爬行功能。輪式的車可以高速行駛,但不適應(yīng)特別復(fù)雜的地形環(huán)境,足類行走工具正好彌補(bǔ)這個(gè)缺陷。

2.5 多功能機(jī)械臂該機(jī)械臂為六自由度機(jī)械臂,在遇到難以跨越的障礙物時(shí),可控制機(jī)械臂為月球車排除障礙物、開辟道路;月球巖石存在極大的研究價(jià)值,該機(jī)械臂通過計(jì)算機(jī)控制可實(shí)施采樣工作,故亦可作為采樣工具使用。另外,當(dāng)一個(gè)車體陷入隕石坑或發(fā)生故障,在自身無法擺脫障礙時(shí),可使另一車體通過機(jī)械臂對其實(shí)施救助,以實(shí)現(xiàn)相互救助。

2.6 “雙子星”車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)動(dòng)力型月球車由2節(jié)車體組成,可實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂與機(jī)械臂對接,也可實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂與對接環(huán)的對接[2]。在某一車體遇到障礙時(shí),通過將傳感器所獲得的2車體相對位置信息經(jīng)無線傳輸至主控PC機(jī),控制指令通過無線傳輸給車體嵌入式控制計(jì)算機(jī),控制救助車體運(yùn)動(dòng)到合適位置,伸展機(jī)械臂與前車體機(jī)械臂或?qū)迎h(huán)對接,從而拉動(dòng)前車體脫離障礙。

3 結(jié)束語

強(qiáng)動(dòng)力型月球車行走系統(tǒng)(圖3)精簡傳統(tǒng)復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu),利用八輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、八輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、八輪臂獨(dú)立轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、八輪臂獨(dú)立垂直升降機(jī)構(gòu)、多功能機(jī)械臂及“雙子星”車體結(jié)構(gòu)等簡單機(jī)構(gòu)即完成輪式行走與足式步行的雙重行走功能,更實(shí)現(xiàn)主動(dòng)仿形運(yùn)動(dòng)功能。該車仿形機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案為月球車行走系統(tǒng)、未來電動(dòng)汽車、電動(dòng)沙漠車、專用重量級(jí)運(yùn)輸車以及礦用車的發(fā)展方向提供一種嶄新的思路,存在廣闊的開發(fā)前景。

參考文獻(xiàn)

[1]朱毅麟.給月球車開發(fā)者進(jìn)一言[J].航空工業(yè)管理,2006,6(1):13-15

[2]王立權(quán),等.機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007:20-25