月球车六轮摇臂转向架的优化设计

研究了月球车六轮摇臂转向架机构的优化设计问题.在分析了月球车移动机构行走及越障等任务要求的基础上,提出了摇臂转向架机构的性能评价指标,包括4个方面.针对性能评价指标,对月球车摇臂转向架机构进行了多目标优化设计.仿真实验表明采用优化设计得出的机构参数可以有效地提高月球车移动机构的行走及越障性能,为车体的机构系统设计提供理论依据.     

新型八轮月球车悬架的研制

提高整车质量在各轮上分配的均匀性,可提高驱动电动机驱动功率的一致性;提高悬架被动适应松软复杂地形能力,可提高其稳定性和越障能力。因此,对八轮月球车被动适应地形的悬架进行拓扑结构综合,确定两种可用的八轮悬架构型,并对这两种悬架构型进行双侧车轮同时跨越垂直障碍、适应曲面地形和车体运动平稳性仿真分析。根据分析结果,确定适合的八轮月球车悬架构型,针对这种八轮月球车移动系统的组成和工作原理进行了论述。利用ADAMS软件对悬架结构参数进行优选,在此基础上进行悬架和差动装置的结构设计,并加工出原理样机。对原理样机进行爬坡、越障等性能试验,试验结果表明：各轮载荷分布较均匀,适应地形能力强,能够爬上坡度为22°的松软沙地,越过200 mm高的障碍。     

高通过性与平稳性月球车移动系统设计

月表行驶环境恶劣,这对月球车移动系统提出了更高的要求。为提高月球车的移动能力,提出一种具有高通过性和载荷平台平稳性的新型月球车移动系统。该移动系统由正反四边形机构悬架和伸缩叶片复式步行轮组成。正反四边形悬架是一种适用于六轮月球车的非独立悬架,通过与摇臂式悬架进行受力和姿态运动的对比分析和仿真对比分析可知,它可以使月球车具有较高的越障性能并在越障过程中保证载荷平台的相对平稳。同时,针对不同松散程度的月壤,根据车轮―土壤力学原理,设计出伸缩叶片复式步行轮。该种车轮最突出的特点是能够根据车轮与土壤间的相互作用关系,自适应调节叶片入土深度,从而改变车轮的牵引能力、平顺性和能耗。对该种移动系统进行多项移动性能试验,结果表明,该种新型移动系统具有较高的越障能力和保持载荷平台平稳能力,能够在恶劣路况下最大限度的发挥车轮的牵引能力,而且在路面通过性良好时尽可能的节约能耗,增加车轮滚动的平顺性。     

月球车月面支撑通过性研究及车轮优化设计

车轮是月球车唯一与月面接触,并通过与月壤作用产生动力推动月球车在月面行走的部件,对月球车车轮的月面支撑通过性研究是保障月球车移动性能的关键环节.从提高附着力、控制沉陷量和减小滚动阻力三方面着手,分析了各因素的影响作用,据此提出了车轮优化方案,有限元仿真分析显示,该车轮方案具有较好的支撑通过性能.     

轮腿式月球车移动机构构型组合设计

介绍机器人构型组合概念,提出轮腿式月球车的构型组合设计方法.将轮腿式月球车移动机构抽象为轮腿、悬架和车体3类子构型,建立了月球车同构和异构组合设计可选构型方案的计算模型.以基于二级半转机构原理的轮腿式月球车为研究对象,对其移动机构进行了子构型分析,提出了4种轮腿子构型、4种悬架子构型和5种车体子构型.以四轮腿和六轮腿月球车为例,采用同构组合和异构组合设计方法,共得到206种轮腿式月球车移动机构设计方案.     

摇臂转向架式月球车移动系统的拓扑设计及仿真分析

根据月球环境的特点和对月球车移动性能的分析,对六轮、八轮摇臂-转向架式月球车进行拓扑结构设计,分别选出适应月球地形环境的六轮车型和八轮车型.并进行性能比较和仿真分析,对其存在的不足提出了改进措施.     

月球车虚拟仿真系统中自主导航的实现

虚拟仿真技术的发展为月球车的研制试验提供了越来越有效的支持。自主导航技术是月球车系统的一项关键技术,但月球车虚拟仿真系统中却很少涉及。为此,研究了在月球车虚拟仿真系统中融合自主导航功能模块。其中包括提出了一种用XML语言表达数字化月面属性的方法、虚拟环境中实现立体视觉的导航方案,并提出了自主导航技术在月球车仿真系统中的实现方法。最后应用于某型月球车的仿真试验,仿真结果表明系统可以为月球车自主导航技术的研究提供有效的支持工具。     

轮式星体探测机器人抗倾覆性研究

建立了轮式星体探测机器人的抗倾覆性评价模型,对六轮摇臂星体探测机器人和双曲柄滑块探测机器人的抗倾覆性进行分析和比较,提出一种提高自适应悬架机器人移动性能的措施和方法,实现了一种可主动配置的六轮摇臂星体探测机器人.仿真结果表明,通过主动配置,机器人的行驶平顺性和抗倾覆性均得到明显提高,能更好地满足探月需求.     

无线信息采集移动平台设计

本文提出基于LPC2210微处理器的无线移动平台的设计和实现方案.采用红外传感器与超声传感器探测障碍物,使用射频技术定位,利用脉宽调制(PWM)技术动态控制电动机的方向和速度;应用无线方式和计算机通讯,计算机通过局域网连接到互联网.利用移动平台自主采集信息及其微处理器LPC2114计算、处理数据,可有效提高传感网络中的带宽利用率.     

月球车差动平衡机构的建模及仿真

车体平衡机构是摇臂悬架式月球车移动系统的重要组成部分,起到调节摇臂悬架运动和受力,减小主车体因地形变化所受的扰动作用.基于轮系式月球车车体差动平衡机构的结构设计,综合考虑了轮齿啮合刚度、摇臂轴扭转变形及齿轮传动回差的影响,建立了虚拟样机模型,在ADAMS软件环境下进行了动态仿真分析,得出该机构的动态特性,为该机构的改进及其在月球车上的实际应用提供了参考依据.     

行星轮式月球车移动系统的关键技术

为提高月球车的越障能力,重点考虑提高车轮的越障能力,成功研制了一种采用扭杆弹簧和磁弹簧减振器并联悬架,且每个行星车轮独立驱动的月球车。在行星车轮不翻转越障条件下,推导了月球车两个前行星车轮同时越障时可以爬过的垂直障碍高度与车辆参数的关系,并进行了ADAMS仿真。对行星轮式月球车进行了动力学分析,确定了行星车轮的等效地面不平度函数,并在此基础上建立了7自由度月球车振动系统模型,根据模型的计算结果确定了扭杆弹簧刚度和减振器阻尼的最佳参数范围。同时,进行了月球车爬坡试验和垂直越障能力试验研究,还模拟月球的低重力环境进行了整车的低重力试验。     

松软月壤上月球车驱动能力的仿真研究

在松软土壤上影响月球车的驱动效率的因素对月球车的行走系统功耗有较大的影响。基于地面力学理论,建立了松软土壤与车轮间相互作用的单轮和整车多体动力学模型。并从理论角度分析了影响月球车单轮驱动效率的的因素,并对整车在松软土壤路况下的驱动能力进行了仿真分析。     

Landing control method of a lightweight four-legged landing and walking robot

The prober with an immovable lander and a movable rover is commonly used to explore the Moon’s surface. The rover can complete the detection on relatively flat terrain of the lunar surface well, but its detection efficiency on deep craters and mountains is relatively low due to the difficulties of reaching such places. A lightweight four-legged landing and walking robot called “FLLWR” is designed in this study. It can take off and land repeatedly between any two sites wherever on deep craters, mountains or other challenging landforms that are difficult to reach by direct ground movement. The robot integrates the functions of a lander and a rover, including folding, deploying, repetitive landing, and walking. A landing control method via compliance control is proposed to solve the critical problem of impact energy dissipation to realize buffer landing. Repetitive landing experiments on a five-degree-of-freedom lunar gravity testing platform are performed. Under the landing conditions with a vertical velocity of 2.1 m/s and a loading weight of 140 kg, the torque safety margin is 10.3% and 16.7%, and the height safety margin is 36.4% and 50.1% for the cases with or without an additional horizontal disturbance velocity of 0.4 m/s, respectively. The study provides a novel insight into the next-generation lunar exploration equipment.     

Virtual simulation system with path-following control for lunar rovers moving on rough terrain

Virtual simulation technology is of great importance for the teleoperation of lunar rovers during the exploration phase,as well as the design of locomotion systems,performance evaluation,and control strategy verification during the R&D phase.The currently used simulation methods for lunar rovers have several disadvantages such as poor fidelity for wheel-soil interaction mechanics,difficulty in simulating rough terrains,and high complexity making it difficult to realize mobility control in simulation systems.This paper presents an approach for the construction of a virtual simulation system that integrates the features of 3D modeling,wheel-soil interaction mechanics,dynamics analysis,mobility control,and visualization for lunar rovers.Wheel-soil interaction experiments are carried out to test the forces and moments acted on a lunar rover’s wheel by the soil with a vertical load of 80 N and slip ratios of 0,0.03,0.05,0.1,0.2,0.3,0.4,and 0.6.The experimental results are referenced in order to set the parameters’ values for the PAC2002 tire model of the ADAMS/Tire module.In addition,the rough lunar terrain is simulated with 3DS Max software after analyzing its characteristics,and a data-transfer program is developed with Matlab to simulate the 3D reappearance of a lunar environment in ADAMS.The 3D model of a lunar rover is developed by using Pro/E software and is then imported into ADAMS.Finally,a virtual simulation system for lunar rovers is developed.A path-following control strategy based on slip compensation for a six-wheeled lunar rover prototype is researched.The controller is implemented by using Matlab/Simulink to carry out joint simulations with ADAMS.The designed virtual lunar rover could follow the planned path on a rough terrain.This paper can also provide a reference scheme for virtual simulation and performance analysis of rovers moving on rough lunar terrains.     

摇臂式探测车在崎岖地形中行进的运动规划及仿真

针对月球表面的崎岖地形环境,利用多体动力学的矢量分析法,建立摇臂式探测车在崎岖地形中行进过程的运动学模型.根据滑移损失产生原因,对驱动轮转速进行规划,推导出各轮协调运动的目标转速.利用仿真软件ADAMS及其运动函数对运动控制过程进行仿真,通过对比分析验证按照目标转速对驱动轮进行运动控制的有效性.     

MOBILITY EVALUATION AND INNOVATION OF WHEELED SPACE ROVER

The mission and function requirements of lunar rover are analyzed, based on virtual prototype technology, the mobility evaluation theory and method for wheeled space rover are proposed, which provide a new way to study the innovative design of lunar rover. Based on the above theoretical system, an innovative lunar rover suspension system, which adopts a two-crank-slider mechanism, is proposed, and its dynamics model is created. Adopting virtual prototype technology, the ground adaptability, over-obstacle ability and driving placidity of the rover are evaluated in the virtual prototype software ADAMS. The analysis results show that the rover provides a high degree of mobility.     

月球探测车的运动学建模

给出了六轮摇臂-转向架式月球探测车的运动学建模方法。该模型共有6个自由度，包括沿x、y、z方向的移动和绕x、y、z方向的转动。为了获得月球探测车的位置和姿态，正运动学方程由车轮的雅可比(Jacobian)矩阵推导，并对矩阵方程进行了求解；逆运动学方程为已知探测车本体的运动速度，确定单个车轮的驱动速度，以达到期望的探测车位姿。该运动学模型为月球探测车的运行、运动控制系统的设计及自主导航提供了理论基础。     

新型月球车的特点与性能分析

随着国内外掀起的新一轮的探月高潮，新型的月球车越来越受到人们的关注。本文针对月球探测的特点和要求，提出了一种两轮并列式月球车，并对此月球车的特点和性能进行分析；同时，结合两轮并列式月球车的结构和性能，提出了以两轮并列式月球车为子系统的群控策略以降低月球探测的风险，提高月球探测的效率。