强动力型月球车行走系统主动仿形机构的创新设计与研究

李建廷 刘万强 张海英 刘红俊 白 杨

摘要 打破传统月球车的设计模式,针对月球表面复杂的环境研发八轮独立驱动系统、八轮独立转向系统、八轮臂独立垂直升降系统、八轮臂独立跨越系统、多功能机械臂及“双子星”车体结构,通过计算机远程无线监测与控制,实现月球车的主动仿形运动功能,从而解决此前难以克服的种种难题,使强动力型月球车具备强大的驱动力,优越的爬坡及越障性能,大大提高该车在恶劣月面环境条件下的适应能力,从而能高效率地完成各种月面探索任务。

关键词 月球车;主动仿形;创新设计

中图分类号:TP391.7 文献标识码:B 文章编号: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世纪是人类全面探测太阳系并为人类社会可持续发展服务的新时代,目前各国相继开始增强空间技术的投资力度,积极发展本国空间技术,努力争取在不久的未来在外太空占有自己的一席之地。

随着经济的快速发展,我国已经有能力扩展深空探索。我国的嫦娥工程已经启动,2012年,“嫦娥工程”将实现“落地”,月球车作为一种登陆月球和探测月球的工具将发挥重要作用。月球是一个无风、无水、无声响、无生命、冷热剧变的荒凉的世界。月球表面崎岖不平,有石块、陨石坑、高地。月球车在某种意义上属于机器人技术,无论是轮式的还是腿式的,都应具有前进、后退、转弯、爬坡、取物、采样和翻转等基本功能,甚至具有初级人工智能,例如识别、爬越或绕过障碍物等。

据报道,我国已有部分科研院所及高校结合自身技术优势研制出各自的月球车[1]。尽管各有千秋,但与真正能够执行探测任务的月球车还相距甚远,月球车的研究正在不断深入。

1 强动力型月球车简介

月球车(亦称“月球探测远程控制机器人”)是在月球表面行驶并对月球考察和收集分析样品的专用车辆。强动力型月球车作为具有仿形功能的轮足式月球车,打破传统月球车的设计模式,针对月球表面复杂的环境研发的八轮独立驱动系统、八轮独立转向系统、八轮臂独立垂直升降系统、八轮臂独立跨越系统、多功能机械臂及“双子星”车体结构,通过计算机远程无线监测与控制,实现月球车的主动仿形运动功能;在轮子仿形机构无法跨越障碍的情况下,可以切换行走模式,8条轮臂作为8条腿,8个轮子作为8只足,实现爬行功能;当一个车体陷入陨石坑或发生故障,在自身无法摆脱障碍时,可使另一车体通过机械臂对其实施救助。这样基于仿形运动功能的轮足式月球车具备强大的驱动力,优越的越障爬坡性能、仿形运动功能、超强的整车通过性能及相互救助功能。

2 月球车行走系统主动仿形机构的创新设计

2.1 八轮独立驱动机构打破传统独立驱动车的设计模式,即摒弃传统的同轴独立驱动,采用自由轮臂独立驱动,大大提高该车对月球表面复杂环境的适应能力。精简传统汽车复杂的传动机构,直接由电动机输入动力,采用动力轮独立驱动机构进行传动,每个轮子都有一个驱动电机驱动,电动机经过减速器直接将动力传送到轮子上,电动机内置于轮子中心(图1),可大大提高车速及马力,减少复杂传动机构的能量损失,从而提高能量利用效率,充分利用有限的能源。

2.2 八轮独立转向机构每个轮架都装有一个舵机,可独立360度转向,亦可整体协调一致转向,实现车体的零半径转弯。例如在四轮转向一致的情况下,分别控制4个转向舵机转动45°、135°、225°、315°,给4个驱动电机以相同转速,实现车体简单的零半径转弯,很大程度上提高月球车的转向运动灵活性及整车运动灵活性。

2.3 八轮臂独立垂直升降机构该机构打破传统汽车可调底盘的设计模式,轮臂设计采用平行四边形机构,在关节电机的驱动下,主动齿轮带动从动齿轮,从动齿轮与平行四边形下连杆一端固定,从而带动平行四边形机构夹角在45°～180°范围内变动,轮臂升降最大高度差为200 mm。CCD摄像机和超声波传感器所获得的障碍物信息,经无线传输至主控PC机。主控PC机使用图像识别和分析技术获得对象物体的形状和位置信息,同时将障碍物三维图像显示在计算机操作界面上。主控PC机将相关信息发送到车体嵌入式计算机,控制关节电机及驱动电机完成主动仿形运动。例如当遇到石块时,轮子将自动沿着石块表面上升,越过石块并保持车体的相对水平,即使是在复杂的月面环境下行走,也能如履平地一般(图2),提高车对月面的适应性能,即整车通过性能。

2.4 八轮臂独立转向机构每个轮臂架与车体的连接处都有一舵机控制轮臂的转向,可独立控制转向,亦可协调控制转向,通过轮臂架的转向可以根据需要增大或减小车体轮子的跨度。在轮子无法通过或无法摆脱障碍时,在主控PC机控制下,嵌入式控制系统可以切换到爬行模式,平行四边形机构与轮臂转向机构协调运动,8条轮臂作为8条腿,8个轮子作为8只足,2车体可相互独立运动,作为2个四足步行机器人;亦可通过机械臂对接作为一个八足步行机器人,即实现爬行功能。轮式的车可以高速行驶,但不适应特别复杂的地形环境,足类行走工具正好弥补这个缺陷。

2.5 多功能机械臂该机械臂为六自由度机械臂,在遇到难以跨越的障碍物时,可控制机械臂为月球车排除障碍物、开辟道路;月球岩石存在极大的研究价值,该机械臂通过计算机控制可实施采样工作,故亦可作为采样工具使用。另外,当一个车体陷入陨石坑或发生故障,在自身无法摆脱障碍时,可使另一车体通过机械臂对其实施救助,以实现相互救助。

2.6 “双子星”车体结构强动力型月球车由2节车体组成,可实现机械臂与机械臂对接,也可实现机械臂与对接环的对接[2]。在某一车体遇到障碍时,通过将传感器所获得的2车体相对位置信息经无线传输至主控PC机,控制指令通过无线传输给车体嵌入式控制计算机,控制救助车体运动到合适位置,伸展机械臂与前车体机械臂或对接环对接,从而拉动前车体脱离障碍。

3 结束语

强动力型月球车行走系统(图3)精简传统复杂的传动机构,利用八轮独立驱动机构、八轮独立转向机构、八轮臂独立转向机构、八轮臂独立垂直升降机构、多功能机械臂及“双子星”车体结构等简单机构即完成轮式行走与足式步行的双重行走功能,更实现主动仿形运动功能。该车仿形机构的设计方案为月球车行走系统、未来电动汽车、电动沙漠车、专用重量级运输车以及矿用车的发展方向提供一种崭新的思路,存在广阔的开发前景。

参考文献

[1]朱毅麟.给月球车开发者进一言[J].航空工业管理,2006,6(1):13-15

[2]王立权,等.机器人创新设计与制作[M].北京:清华大学出版社,2007:20-25