強動力型月球車行走系統(tǒng)主動仿形機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計與研究

李建廷 劉萬強 張海英 劉紅俊 白 楊

摘要 打破傳統(tǒng)月球車的設(shè)計模式,針對月球表面復(fù)雜的環(huán)境研發(fā)八輪獨立驅(qū)動系統(tǒng)、八輪獨立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、八輪臂獨立垂直升降系統(tǒng)、八輪臂獨立跨越系統(tǒng)、多功能機械臂及“雙子星”車體結(jié)構(gòu),通過計算機遠程無線監(jiān)測與控制,實現(xiàn)月球車的主動仿形運動功能,從而解決此前難以克服的種種難題,使強動力型月球車具備強大的驅(qū)動力,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;主動仿形;創(chuàng)新設(shè)計

中圖分類號:TP391.7 文獻標(biāo)識碼:B 文章編號: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可持續(xù)發(fā)展服務(wù)的新時代,目前各國相繼開始增強空間技術(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)濟的快速發(fā)展,我國已經(jīng)有能力擴展深空探索。我國的嫦娥工程已經(jīng)啟動,2012年,“嫦娥工程”將實現(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器人技術(shù),無論是輪式的還是腿式的,都應(yīng)具有前進、后退、轉(zhuǎn)彎、爬坡、取物、采樣和翻轉(zhuǎn)等基本功能,甚至具有初級人工智能,例如識別、爬越或繞過障礙物等。

據(jù)報道,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,月球車的研究正在不斷深入。

1 強動力型月球車簡介

月球車(亦稱“月球探測遠程控制機器人”)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。強動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)計模式,針對月球表面復(fù)雜的環(huán)境研發(fā)的八輪獨立驅(qū)動系統(tǒng)、八輪獨立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、八輪臂獨立垂直升降系統(tǒng)、八輪臂獨立跨越系統(tǒng)、多功能機械臂及“雙子星”車體結(jié)構(gòu),通過計算機遠程無線監(jiān)測與控制,實現(xiàn)月球車的主動仿形運動功能;在輪子仿形機構(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個輪子作為8只足,實現(xiàn)爬行功能;當(dāng)一個車體陷入隕石坑或發(fā)生故障,在自身無法擺脫障礙時,可使另一車體通過機械臂對其實施救助。這樣基于仿形運動功能的輪足式月球車具備強大的驅(qū)動力,優(yōu)越的越障爬坡性能、仿形運動功能、超強的整車通過性能及相互救助功能。

2 月球車行走系統(tǒng)主動仿形機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計

2.1 八輪獨立驅(qū)動機構(gòu)打破傳統(tǒng)獨立驅(qū)動車的設(shè)計模式,即摒棄傳統(tǒng)的同軸獨立驅(qū)動,采用自由輪臂獨立驅(qū)動,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)雜的傳動機構(gòu),直接由電動機輸入動力,采用動力輪獨立驅(qū)動機構(gòu)進行傳動,每個輪子都有一個驅(qū)動電機驅(qū)動,電動機經(jīng)過減速器直接將動力傳送到輪子上,電動機內(nèi)置于輪子中心(圖1),可大大提高車速及馬力,減少復(fù)雜傳動機構(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 八輪獨立轉(zhuǎn)向機構(gòu)每個輪架都裝有一個舵機,可獨立360度轉(zhuǎn)向,亦可整體協(xié)調(diào)一致轉(zhuǎn)向,實現(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個轉(zhuǎn)向舵機轉(zhuǎn)動45°、135°、225°、315°,給4個驅(qū)動電機以相同轉(zhuǎn)速,實現(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)向運動靈活性及整車運動靈活性。

2.3 八輪臂獨立垂直升降機構(gòu)該機構(gòu)打破傳統(tǒng)汽車可調(diào)底盤的設(shè)計模式,輪臂設(shè)計采用平行四邊形機構(gòu),在關(guān)節(jié)電機的驅(qū)動下,主動齒輪帶動從動齒輪,從動齒輪與平行四邊形下連桿一端固定,從而帶動平行四邊形機構(gòu)夾角在45°～180°范圍內(nèi)變動,輪臂升降最大高度差為200 mm。CCD攝像機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。主控PC機使用圖像識別和分析技術(shù)獲得對象物體的形狀和位置信息,同時將障礙物三維圖像顯示在計算機操作界面上。主控PC機將相關(guān)信息發(fā)送到車體嵌入式計算機,控制關(guān)節(jié)電機及驅(qū)動電機完成主動仿形運動。例如當(dāng)遇到石塊時,輪子將自動沿著石塊表面上升,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 八輪臂獨立轉(zhuǎn)向機構(gòu)每個輪臂架與車體的連接處都有一舵機控制輪臂的轉(zhuǎn)向,可獨立控制轉(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,在主控PC機控制下,嵌入式控制系統(tǒng)可以切換到爬行模式,平行四邊形機構(gòu)與輪臂轉(zhuǎn)向機構(gòu)協(xié)調(diào)運動,8條輪臂作為8條腿,8個輪子作為8只足,2車體可相互獨立運動,作為2個四足步行機器人;亦可通過機械臂對接作為一個八足步行機器人,即實現(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這個缺陷。

2.5 多功能機械臂該機械臂為六自由度機械臂,在遇到難以跨越的障礙物時,可控制機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值,該機械臂通過計算機控制可實施采樣工作,故亦可作為采樣工具使用。另外,當(dāng)一個車體陷入隕石坑或發(fā)生故障,在自身無法擺脫障礙時,可使另一車體通過機械臂對其實施救助,以實現(xiàn)相互救助。

2.6 “雙子星”車體結(jié)構(gòu)強動力型月球車由2節(jié)車體組成,可實現(xiàn)機械臂與機械臂對接,也可實現(xiàn)機械臂與對接環(huán)的對接[2]。在某一車體遇到障礙時,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,控制指令通過無線傳輸給車體嵌入式控制計算機,控制救助車體運動到合適位置,伸展機械臂與前車體機械臂或?qū)迎h(huán)對接,從而拉動前車體脫離障礙。

3 結(jié)束語

強動力型月球車行走系統(tǒng)(圖3)精簡傳統(tǒng)復(fù)雜的傳動機構(gòu),利用八輪獨立驅(qū)動機構(gòu)、八輪獨立轉(zhuǎn)向機構(gòu)、八輪臂獨立轉(zhuǎn)向機構(gòu)、八輪臂獨立垂直升降機構(gòu)、多功能機械臂及“雙子星”車體結(jié)構(gòu)等簡單機構(gòu)即完成輪式行走與足式步行的雙重行走功能,更實現(xiàn)主動仿形運動功能。該車仿形機構(gòu)的設(shè)計方案為月球車行走系統(tǒng)、未來電動汽車、電動沙漠車、專用重量級運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

[1]朱毅麟.給月球車開發(fā)者進一言[J].航空工業(yè)管理,2006,6(1):13-15

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