串聯(lián)多關節(jié)懸架六輪月球車移動系統(tǒng)及其關鍵技術研究.pdf

1、月球探測車(簡稱月球車)移動系統(tǒng)是月球著陸探測必不可少的設備，是月面巡視勘察和取樣返回的主要實施工具，其運動學和動力學性能的優(yōu)劣，直接關系到探測任務的完成與否。本文提出并深入研究了具有串聯(lián)多關節(jié)懸架的六輪月球車移動系統(tǒng)，主要開展了以下幾方面的工作。
　　對月球車移動系統(tǒng)總體設計中的關鍵技術進行了深入研究。在對移動系統(tǒng)構型綜合和分析的基礎上，提出了兼有被動和主動兩種地形適應方式的混合適應型六輪移動系統(tǒng)，總體方案采用六輪獨立驅動以及通

2、過連桿差動平衡機構連接的串聯(lián)多關節(jié)懸架，以保障各車輪均載及良好的牽引性能。在總體設計的基礎上，以外包絡尺寸最小為目標函數(shù)，將運動能力保障條件轉化為幾何約束條件，進行了移動系統(tǒng)機構尺寸的優(yōu)化設計計算，確定了移動系統(tǒng)的技術參數(shù)。在此基礎上，進行了移動系統(tǒng)本體結構設計，采用了帶有輪刺的圓柱—圓錐形薄壁輪體、陶瓷軸承以及金屬橡膠減振器等技術，以解決月面環(huán)境適應性設計問題。根據(jù)結構設計，建立了移動系統(tǒng)Pro/E三維實體模型和ADAMS仿真模型，為

3、樣機研制和仿真分析奠定了基礎。
　　本文對所設計的移動系統(tǒng)的運動性能進行了深入研究。為了充分發(fā)揮該六輪移動系統(tǒng)混合適應型的優(yōu)點，根據(jù)系統(tǒng)的特點設計了幾種不同的運動模式，并闡述了各運動模式的運動原理，為移動系統(tǒng)的地形通過性分析提供了依據(jù)。在歸納分析了移動系統(tǒng)失去地形通過性的幾種常見類型基礎上，確定了系統(tǒng)地形縱向通過性和橫向通過性的幾何條件。對于移動系統(tǒng)的障礙通過性能力，根據(jù)月球車運動速度低的特點，采用了準靜力學方法進行研究，建立系統(tǒng)

4、的準靜力學平衡一般方程，研究系統(tǒng)越障時的臨界狀態(tài)和通過能力；鑒于兩輪同時越障難度最大，利用準靜力學平衡方程，并確定出運動約束幾何條件。對移動系統(tǒng)在被動適應和主動適應兩種方式下，兩輪同時爬越垂直障礙、穿越壕溝和爬坡的通過性條件分別進行了推導和計算，獲得了越障能力與輪地牽引系數(shù)的關系曲線和極限條件。此外，建立相應的ADAMS越障模型，對移動系統(tǒng)各種運動模式下的越障通過性進行了仿真分析，并與理論計算結果進行了比較，驗證了理論計算值的可信性。<

5、br>　　本文對移動系統(tǒng)進行運動學建模和仿真分析。應用考慮車輪滑移的輪地接觸變換矩陣，并結合懸架的 D—H變換矩陣，建立了該系統(tǒng)在三維地形中存在滑移運動的正運動學模型，進而推導了考慮滑移影響的運動速度雅克比矩陣，建立起車輪與主車體之間的運動速度關系。此外，給出了系統(tǒng)的逆運動學方程求解方法，建立了描述崎嶇地形的路徑模型，并利用ADAMS軟件對崎嶇月面運行的移動系統(tǒng)進行運動學仿真，以獲得各車輪和主車體運動變化的規(guī)律。
　　為分析移動系

6、統(tǒng)的動力學特性，基于車輛——地面力學理論，通過引入和定義當量牽引系數(shù)概念，推導了松軟地面環(huán)境下的輪地作用簡化模型；并以此為基礎，應用多體系統(tǒng)動力學中的凱恩方程法，建立了移動系統(tǒng)在崎嶇地形下的動力學模型，推導出其動力學矢量方程式。對于移動系統(tǒng)的運動平順性研究，鑒于系統(tǒng)振動理論模型及求解的復雜性，利用彈簧和阻尼模型模擬金屬橡膠減振器，在ADAMS軟件中構建了前輪裝有減振器的移動系統(tǒng)運動仿真模型，對移動系統(tǒng)被動適應模式下，在水平硬地面和越障時

7、的前、后車輪平臺的運動平順性進行了仿真對比，驗證了所設計的金屬橡膠減振器的減振效果。
　　本文研制了具有串聯(lián)多關節(jié)懸架的六輪月球車移動系統(tǒng)原理樣機和車輪牽引特性多功能測試裝置，對移動系統(tǒng)的圓柱——圓錐形車輪在松軟沙土上的牽引特性進行了測試和分析，獲得了車輪牽引特性各種指標的參數(shù)曲線，并給出了移動系統(tǒng)運動時車輪較適宜的滑轉率范圍。在構建的不同模擬月面地形環(huán)境下，對原理樣機的移動速度和可控性、被動適應與主動適應兩種方式的越障通過性、金