新型八轮双摇杆摇臂扭杆月球车悬架设计

根据月球车探测任务的要求和探测地点,分析了设计月球车悬架的方法以及建立悬架设计基本参数选取的方法.从牵引力角度来着重设计悬架及其主要构件,根据月球车的牵引性能取决于土壤的推土阻力和运动阻力,提出了悬架设计的概念设计原则,利用经典的地面力学理论和车辆设计方法构建了月球车悬架设计的概念设计方法.最后利用该方法设计并提出一种新型的月球车悬架构型.通过仿真和实验验证:设计的悬架能够满足设计要求以及概念设计方法的合理性和有效性.     

低重力补偿下六轮独立驱动月球车的运动分析

为了在地球上模拟月球表面的低重力环境,需要对月球车进行重力补偿.提出了吊丝式双天车结构的重力补偿方案,确定了月球车在崎岖路面上行进的质心域,分析了低重力下吊丝倾角和质心变化对车轮垂直载荷的影响,绘制了车轮垂直载荷的仿真曲线,完成了低重力补偿下月球车的运动分析.研究结果表明,吊丝倾角越小,月球车的质心变化域越小,则因低重力补偿引起的月球车运动波动越小.该研究为月球车低重力实验环境的建立、月球车移动子系统的功能测试和可靠性实验奠定了理论基础.     

月球车不等径车轮在土壤上滚动的力学分析与实验

月球车车轮的结构特征及其与土壤相互作用的力学特性对月球车的运动性能有着重要的影响.文中研制了一种具有抗侧滑特性的月球车不等径刚性车轮.基于车辆地面力学中车轮与土壤间的承压、剪切特性理论,提出了该不等径刚性车轮与松软土壤上滚动作用的修正模型,并采用迭代算法对车轮外形参数与力学特性参量的相互关系进行了计算和对比分析.利用Reece强制滑转原理设计了一套实验装置,进行了不等径刚性车轮在松软土壤上滚动的力学特性参量测试,验证了所建立模型的正确性.     

月壤特性对月球车轮地相互作用力的影响

为了了解月壤特性变化对于月球车轮地相互作用的影响,对月壤的物理和力学特性参数进行分析,制作模拟月壤进行土壤参数测量实验和月球车轮地相互作用实验.根据实验数据及轮地相互作用力学模型进行模拟月壤参数的估计和辨识,将典型月壤参数带入模型进行理论分析和数值分析,并与试验中获取的车轮土壤相互作用数据进行对比.结果表明:土壤的承压特性参数主要影响车轮沉陷量,车轮驱动阻力矩主要受土壤的剪切特性影响,反映土壤物理特性的接触角系数变化对于轮地作用影响相对较小.该研究为进行月球车车轮力学性能的全面分析和月壤参数辨识等的应用提供了理论基础。     

鼓形驱动轮与松散沙土相互作用力学分析

为给月球车结构设计、运动控制和模拟仿真等提供必要的轮-地相互作用理论模型,基于车轮与松散沙土间的承压、剪切特性理论,建立了鼓形驱动轮与松散沙土相互作用力学模型.通过分析轮-地接触法向应力与切向应力分布,考虑最大法向应力向车轮前方偏移的现象,引入最大法向应力角随滑转率变化的理论公式,分析鼓形轮运动特性指标与松散沙土力学参数及车轮参数间的定量关系.依据松散沙土力学参数测量,指出剪切变形模量与接地比压的定量表达式,通过分析鼓形轮的接地面积,确定对应于载荷的剪切变形模量值.利用月球车车轮运动性能综合测试系统进行了鼓形轮在松散沙土上的滚动力学实验,结果验证了利用该理论模型预测鼓形轮运动性能的可行性.     

基于虚拟样机的月球探测机器人运动学建模

为增强月球探测机器人在三维崎岖环境下运动的动态调整能力,采用虚拟样机技术从车轮雅可比矩阵导出了月球车6个车轮的运动学方程。可用最小二乘法从6个车轮的单独雅可比矩阵导出月球车车体的位置和方向,用加速度计测量车体的俯仰角速度和滚动角速度,从而得到月球车的运动速度。仿真结果表明：用该运动学建模方法开发的HIT-1型月球车在崎岖地形中移动时具有动态调整其运动构型的能力,可增强车体的安全性和稳定性;该方法可作为一种通用的三维轮式移动机器人的运动学建模方法。     

HIT-1型月球车的运动学分析

为解决轮式移动机器人在崎岖地形中的运动问题，提出了基于摇杆-转向架的带有弹簧和移动滑块的月球车运动学分析方法，在此基础上详细分析了HIT-l型月球车的3D运动机制，推导了月球车的正向运动和反向运动求解．通过使用弹簧和关节滑块改变车体的质心分布，可加强车体运动重构性，提高车体的牵引力，有效地规划和控制月球车的动作．     

六圆柱-圆锥轮式月球车的设计

针对月球表面的非结构化环境,设计了一种新型六圆柱-圆锥轮式月球车.整车由三节串联而成,每节具有一对独立驱动的圆柱-圆锥轮,由两个三自由度的悬架结构连接,三节之间能够被动实现俯仰和扭转相对运动;悬架关节中设计有离合器或制动器,能够根据需要锁住关节或在电机驱动下实现主动俯仰或前摆运动,从而能够使月球车根据路况以轮式或轮步方式移动.为了降低刚性车轮产生的振动,在车轮和支承轴之间设计了由金属橡胶构成的减振器.对月球车的结构参数优化和移动性能的分析,结果表明,该车具有很强的地形适应能力和越障能力.     

基于车辙图像的CE-4月球车挂钩牵引力判别

为评估玉兔2号月球车月面行驶状态,提出了一种基于滑转率信息的月球车挂钩牵引力评价方法。该方法以玉兔2号月球车车轮与其地面原型车为试验对象,通过整车试验和土槽试验模拟玉兔2号月球行驶状态,以车辙信息、滑转率、轮上载荷作为输入参数,建立了沉陷量-滑转率、车辙间距-滑转率标定模型,并基于Matlab图像处理对滑转率进行识别。结果表明,玉兔2号月球车在月面特定区域D′、A、B′点行驶时的滑转率分别为10.45%、12.96%、19.70%,挂钩牵引力分别为177.03、181.62、194.47 N。地面试验和反演计算结果表明,玉兔2月球车在以上区域行驶状态良好。     

2种坐标系下月球车转向动力学模型

结合汽车理论和车辆地面力学相关原理,建立六轮式月球车在2种坐标系(地面坐标系和车体坐标系)的转向动力学模型,并分别对这2种模型的特征方程进行了对比分析.结果表明,在2种坐标系下,六轮式月球车的转向动力学方程本质是一致的,且均是多输入多输出线性微分方程组.通过对方程组及其特征方程的分析,得到了月球车的行驶性能与月球车的主要结构参数、行驶速度等参量之间的具体关系式,为进一步深入研究和设计月球车的力学特性及运动控制提供了理论基础.最后通过仿真实验验证了月球车在转向时并不是车速越小越好,而是应该根据车体质量、结构参数、路面条件等因素选择合理的行驶速度.     

月球车轮地相互作用力学模型解耦及其应用

针对高度耦合的月球车轮地相互作用力学积分模型很难在实际中应用的问题,采用应力分布线性化、忽略比重较小的耦合项等方法,推导了解耦的封闭解析模型.利用轮地相互作用测试平台,对具有不同尺寸和不同轮刺的6种车轮进行试验.基于解耦模型研究了土壤参数的辨识方法,对轮地作用过程中的8个未知参数进行了辨识,并利用试验数据验证了该方法的...     

Experimental analysis on effect of grouser circumferential angle on motion performance of lunar rover wheel

To guide the design of grouser parameters for lunar rover wheel,the effect analysis of circumferential angle of grousers on motion performance of a rigid wheel was conducted in a laboratory single-wheel test bed with loose sand bin.All tests had been done at a free wheel sinkage.The circumferential angle was varied from 0°,5°,10°,15° to 20°.By the analysis and comparisons of tractive and steering performance between smooth wheels and wheels with different circumferential angle grousers,the results show that the drawbar pull(DP),driving torque(DT) and steering resistance moment(SRM) decrease slightly with the increasing circumferential angle.And chevron grousers are more beneficial to improve the tractive performance than herringbone grousers.In order to evaluate motion performance of wheels with grousers,the evaluation indexes of motion performance are introduced into the experimental results.The results reveal that the optimal circumferential angle is 0°,and the optimum value of wheel slip is 13% from the perspective of saving energy to the similar loose sand in the experiments.     

月球探测车车轮数目的选取

为合理确定月球探测车车轮数目,借助地面力学的相关知识,考虑到车轮行驶时的沙土回弹沉陷量,建立了车轮前进与转弯时的轮地接触模型,进而推导了单个车轮的前进总阻力矩、转弯总阻力矩以及驱动力矩计算表达式。在一定范围轮宽与轮径条件下,得到了单轮驱动力矩、前进阻力矩和转向阻力矩与沉陷量之间的关系曲线。通过分析找到使车轮驱动效率较大的沉陷量区间。以此为基础,给出了合理选择车轮数目的操作流程图,并比较了不同轮数探测车的优缺点,可为全面合理确定车轮数提供参考。     

轮式月面巡视探测器月面牵引性能的预测

通过室内土槽试验和颗粒流数值仿真相结合的方法对轮式月面巡视探测器的轮土交互作用、车轮的牵引特性和轮下土壤变形和破坏进行了深入探讨。以吉林省火山喷发物为原料进行了模拟月壤的配制。设计并制造了深空探测车车轮牵引特性试验台并进行了不同轮齿构型车轮的牵引特性试验,获得了基础性的试验数据。考虑月壤结构松散、颗粒细小、流动性强的离散特征,采用颗粒流法分析了地面重力场下探测车轮下模拟月壤的扰动破坏、土体内接触力的分布、颗粒速度矢量的变化,获得的车轮牵引特性参数与土槽试验数据进行了对比,进一步对车轮在月面环境下的牵引性能做出了预测。     

单一可动叶片车轮和砂土的交互作用力学特性

为评估本课题组研发的新型可动叶片车轮ALW(Active Lugged Wheel)与土壤交互作用的力学特性,搭建了ALW-土壤交互作用力学测量平台,测量了采用不同叶片运动轨迹的ALW机构与砂土间相互作用所产生的牵引力和垂直升力,将其与光滑车轮和单个叶片产生的土壤反作用力分别进行比较,辨识了车轮表面和叶片与砂土的耦合作用影响.根据测量结果进一步分析了叶片倾斜角度和沉陷长度对土壤反作用力的影响,并通过最小二乘法构建了叶片沉陷长度与土壤反作用力相关性的数学模型.结果表明:当车轮转角处于一定范围内时,ALW产生的牵引力和垂直升力比光滑车轮和单个叶片产生的作用力的总和更大,因此推断车轮表面和叶片与砂土的耦合作用会影响砂土的变形形式,ALW可以利用砂土的这种变形特性增大土壤反作用力;ALW受到的牵引力和竖直升力与叶片的倾斜角度没有明显关系,而与叶片的沉陷长度呈二次函数关系,因此可以通过主动调节叶片的沉陷长度来提高ALW机构在软土上的运动性能.     

月壤静力学特性的离散元模拟

以典型月壤的物理力学性质为参照标准,采用颗粒流程序PFC3D对月壤静力学特性进行了离散元模拟研究。通过离散元模拟三轴试验反复调整颗粒细观参数,建立了月壤离散元接触力学模型;描述了月面探测车辆行驶下的月壤承压特性模型与剪切特性模型;从月面探测车辆的行驶观点出发,模拟压板试验,得出了载荷-沉降关系;通过模拟履带板试验得出了剪切应力-位移关系。最后,计算出了月壤的变形模量K为1635 kN/mn+2、变形指数n为1.22,剪切变形模量k为1.35 cm。结果表明,模拟试验值与模型预测趋势一致。     

Design and Trafficability Study of Flexible Wheel for Planetary Exploration Rover

To reduce sending costs, a flexible wheel configuration is proposed. The wheel is made of titanium alloy （Ti-6Al-4V） in consideration of the planetary environment factors （i. e. strong radiation, big temperature differences, high vacuum）, and mass constraint of launch vehicle. The advantages of the proposed wheel involves the potential for： ① small sending volume and mass, ② large deployed area and volume to reduce wheel loading, ③ a damping effect to smooth motion on rough terrain. To study the trafficability and tractive performance of the wheel concept, the drawbar pull and driven torque were calculated based on simplified model of terramechanics formulations. The results show that the wheel possesses sufficient drawbar pull to negotiate all types of soil stratums listed in this contribution.