Cynthia-多功能月球營地機器人

趙天昊，喬靈鳳，彭竟儀

（武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢430070）

1 引言

目前，國際上各個國家都在籌劃著極區著陸，并提出了月球基地的設想。由于月球沒有大氣層，無法防止隕石的撞擊，所以造成了凹凸的月球表面。所以，最好的基地結構形式就是洞穴，以現有的洞穴類月球基地假想作為基礎，在探月車成功登陸后，3D打印機器人將展開自動化建造工作，堆疊出類似骨骼的高強度多孔結構。

月球場地的特殊性使得傳統月球機器人的驅動部分很難在不影響正常行走的情況下對宇航員進行輔助，無法在保障機器人安全性的同時高效、快速地采集樣品。因此可以看出，設計針對搭建營地的機器人具有十分重要的價值。

2 技術方案

2.1 總體設計

多功能月球營地機器人依據月球地形、月球重力、月球基地設想進行有針對性的創新設計，采用模塊化設計思想，該機器人主要實現對月球營地的輔助搭建、樣品的采集、情況的勘測等功能，其整體模型如圖1所示。

圖1 多功能月球營地機器人

該機器人主要包括太陽能板展開模塊、輪腿結合行走模塊、多功能機械爪模塊、全方位監控模塊以及仿太空船造型設計的外艙。太陽能板展開模塊由皮帶輪驅動齒輪帶動剪叉機構完成太陽能板的上下運動，再由傘狀推桿將太陽能板展開拼接；輪爪結合行走模塊主要完成輪腿部分的切換，通過行星輪內輪、輪轂嚙合行星輪外輪與輪胎外齒結合，并通過行星輪內外的差速驅動快門機構，快門機構將抓地爪推出，增大與地面的摩擦力，之后輪胎被摩擦片鎖死，由連桿驅動四腿行走；多功能機械爪模塊由1個六自由度的機械臂、三爪機械爪和換刀盤組成，主要由電機帶動齒輪的旋轉調節機械臂三軸方向的運動，由不完全齒輪控制機械爪的抓取模式，機械爪可以抓取換刀盤上的各個工具進行不同功能（推土、采樣、勘測等）的切換；全方位監控模塊主要為裝在機器人頭部透明玻璃罩內的攝像頭，可以全方位地檢測機器人周圍的情況并向地面傳回資料；機器各個部位都可以折疊或展開，折疊時體積縮至最小，呈現太空船的造型，對內部各個模塊進行保護，展開時實現各種功能，呈現月球車的外形，提高了工作效率。

2.2 太陽能板展開模塊

如圖1所示，太陽能板展開模塊主要由皮帶輪驅動、升降驅動齒輪組、剪叉升降機構、太陽能板、傘狀推桿電機組成。由于探月飛船的空間利用率要求極高，對于太陽能板，展開面積與能量提供能力成正比，所以本機器人的太陽能板設計應具有折疊的能力，以較小的空間獲得更多的能量。

當機器人仍在飛船中時，太陽能板模塊剪叉機構處于收縮狀態，傘狀推桿未撐開，整個模塊處于機器人外殼兩側的空間中。當機器人檢測到已經落地后，開始收集太陽能提供運行能量，電機利用預備能量驅動皮帶輪旋轉，皮帶輪帶動剪叉機構中的齒輪旋轉，齒輪通過鍵與剪叉機構的下支撐桿配合，帶動其旋轉，從而驅動剪叉梁，使剪叉機構伸長，太陽能板整體上升至外部。剪叉升降機構的上支撐桿與中間支撐塊固定，利用剪叉機構的直線運動特性實現了太陽能板模塊的升降，上升至最高點后，傘狀推桿中的推桿伸長，通過連桿機構將太陽能板展開至最大，完成太陽能板的升降與展開。

2.3 多功能機械爪模塊

多功能機械爪模塊主要由機械爪、換刀盤等部分組成，機械爪采用六自由度機械爪，折疊時可以緊貼車體底面，減少機械爪所占體積；機械爪前端采用仿車床三爪卡盤設計，適應性強，同時每個機械爪個體可以單獨旋轉，可操作性增強；換刀盤部分采用斜齒輪錐形減速器驅動旋轉，換刀盤有針對不同情況的各種刀具，用于適應多種工作所需。

多功能機械爪模塊主要實現月球車的采樣及月球搭建功能，采樣功能主要由機械抓手與換刀盤部分實現，遇到需要采集的樣本時，首先由控制部分判斷如何采集樣品，如果樣品可直接采集，則采用機械爪將其采集；如果樣品不可直接采集，則通過月球車內電機驅動減速器旋轉換刀盤使用鉆頭等工具對樣品進行輔助采集，通過鉆頭鉆開樣品表面覆蓋物后，使用機械爪取出樣品。

2.4 全方位監控模塊

全方位監控模塊主要由透明保護罩、全方位攝像頭兩部分組成，透明玻璃罩主要防止在飛行時攝像頭被撞擊，攝像頭底采用齒輪轉盤完成對月球周圍任意角度的監控和探測。攝像頭的作用為對月球環境進行觀察并傳輸回系統中，所以攝像頭采用兩自由度設計，可在一定高度內進行180°的觀察。由于攝像頭對環境要求較高，所以攝像頭外設有透明玻璃層，其具有保護內攝像頭的作用，同時透明玻璃層采用特種玻璃材料，具有有效抵擋各種射線的功能，提高了攝像頭的畫面傳輸能力。

2.5 行走模塊

驅動模塊主要由底盤支架、輪腿驅動模塊組成，底盤支架較高，可以有效避障。由于月球沒有大氣層，導致隕石直接撞擊月球表面，月球表面坑洞極多，同時碎石地等各種復雜地形大大增大了行走模塊的壓力，所以本項目組設計了輪腿驅動模塊。該模塊具有輪式和腿式兩種模式，輪式在適應普通地形上具有一定優勢，當改變地形時，輪式變形，抓地爪伸出，以提高抓地力，可以用于適應一般的地形模式；在遇到極其復雜的地形時，剎車片將車輪鎖死，采用推桿驅動車輪腿式行走，適應地形能力增強。

輪腿驅動模塊由越野式車輪、行星輪組、快門機構組成，越野式車輪的使用提高了月球車的適應能力，車輪的驅動依靠電機直接驅動，四輪獨立驅動，車輪的換向主要通過左、右輪的差速實現。當車體檢測到地形過于復雜時，車輪內的行星輪內圈通過電磁鐵吸引與輪轂配合，行星輪外圈一直與輪胎外圈配合，當行星輪內圈與輪轂內圈配合時內外輪形成差速，差速驅動快門機構推出著地爪，增加了抓地力，提高了越障能力。

2.6 樣品整理模塊

樣品整理模塊主要由兩個部分組成，分別為單向開合機構與整理機構。當機械臂將機械爪伸入單向開合機構中時，機械爪向內松開樣品，樣品在單向開合機構中留下，同時整理模塊旋轉，將樣品轉至收集盒中，隨后再次旋轉，將樣品集中。

2.7 控制模塊

機電一體化和智能控制已經成為現今機械行業的發展趨勢，為實現撿球機器人各部分的正常有序工作，在機器人內部安裝了控制模塊，其主要控制流程如圖2所示。

圖2 控制流程圖

3 結論

該機器人能取代目前的月球車，多種功能的結合減少了其他設備的投入，節省了資金成本。在實現功能的同時，提升了宇航員的舒適度。結構設計提高了機器人的適應性，滿足了在月球表面行走、搭建營地、監控勘測需求。該機器人機構設計合理，各項數據分析均符合設計標準，安全可靠；機器人造型美觀，實用性強，在月球營地設想越來越被人們關注的今天，該機器人具有較為廣闊的應用前景。