八輪星球探測車可展開移動系統設計開題報告.doc

浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文）開題報告班級09機械設計制造及其自動化（4）班姓名程欣禹課題名稱八輪星球探測車可展開移動系統設計目錄1選題的背景與意義1.1國內外研究現狀和發(fā)展趨勢1.2星球車可展開移動系統概述1.3星球車空間可展開機構概述1.4八輪星球探測車研究意義2研究的基本內容2.1八輪星球探測車整體的結構設計2.2八輪星球探測車可展開移動系統的參數設計2.3八輪星球探測車可展開移動系統三維仿真3研究方案、可行性分析及預期研究成果3.1研究思路方案3.2可行性分析3.3預期研究成果4研究工作計劃參考文獻成績：答辯意見答辯組長簽名：年月日系主任審核意見簽名：年月日八輪星球探測車移動系統的設計與分析程欣禹(機械設計制造及其自動化09(4)班A09160119)1選題的背景與意義月球是距離地球最近的自然天體，蘊藏大量的礦產資源，是人類飛離地球進行深空探測的第一站，也是理想的天然空間中轉站。月球所具有的巨大經濟、政治和軍事價值使得月球探測成為人類一直關注的焦點1。星球車是月球探測中的重要媒介之一，已經成為全世界廣泛研究的熱點。移動系統作為星球車整體系統的關鍵部分，其性能的好壞直接影響整個探測任務的成敗2。20世紀90年代產生的以空間機構的折疊、伸展、組合為主要研究內容的“變胞機構”等機構學研究最新成果，為星球車可展開移動系統關鍵技術的研究奠定了理論基礎，但這方面的理論研究尤其是工程應用還有待于完善和發(fā)展3。由于航天器運載技術和發(fā)射費用的限制，在具有良好的環(huán)境自適應能力的前提下，體積小、質量輕成為星球車研制的主要技術指標。因為減小星球車的體積，不僅可以減小其運載火箭的體積和質量，節(jié)省推動力，降低發(fā)射成本，而且對提高發(fā)射的可靠性意義重大。而星球車體積小卻意味著其所搭載的儀器設備數量將減少，其直接效果是降低星球車的探測能力。因此，如何使星球車在滿足預期的探測功能的前提下，盡可能少的占用運載器的有效載荷空間是一個很值得研究的課題。1.1國內外研究現狀和發(fā)展趨勢自20世紀60年代以來，以美國、俄羅斯、法國、日本等發(fā)達國家為首，各國科研機構紛紛進行各種類型行星車的研制，有的甚至已進入實用化、商品化階段，如“勇氣號”火星車。在國內，清華大學、哈爾濱工業(yè)大學4、國防科技大學、北京航空航天大學、上海交通大學、華中科技大學和航天科技集團502所等高等院校及科研院所相繼開展了這方面的研究工作5。迄今為止，國內外研究人員從行星車移動系統的越障性能、地形適應能力、能耗等要求出發(fā)，研制出各類行星車移動系統產品及樣機多達四十余種。根據移動系統的體積大小不同，可分為微型、超小型、中型及大型等四類。根據操縱控制方式不同，可分為有人駕駛、無人駕駛遠程遙控兩類。根據移動方式不同，可分為履帶式、腿式、輪式、輪腿式等幾類6，由于輪式移動系統具有運動速度快的優(yōu)點，故得到了廣泛研究。隨著各種懸架的出現，其越野能力已大大增強，可以與腿式移動系統相媲美27。以下根據不同部位可展開輪式移動系統進一步分類。1.2星球車可展開移動系統概述1.2.1整體可展開移動系統整體可展開移動系統以三輪移動系統為主，由于三個車輪聯接于同一個懸架，移動系統的折疊與展開需整體進行。具有代表性的有日本NASDA和東京工業(yè)大學聯合開發(fā)的Tri-star2，它采用軸環(huán)和可壓縮輪結構，具有較強的機動性，其體積折疊比可達到373%。移動系統整體展開的還有美國國家技術標準局(NIST)研制的索纜并聯機器人RoboCrane9。該移動系統由三組索桿鉸接在一個Stewart平臺上形成，索桿可代替動力源驅動形成移動框架。通過索纜的順序張緊與釋放，改變索桿和車輪間相對位置，可最終完成折疊與展開功能。1.2.2底盤可展開移動系統美國CMU研制的Nomad10是一種底盤可變形的四輪行星車。它采用前蘇聯的自包含電動輪模塊概念、Rocky系列的轉向節(jié)懸掛機構、顯式轉向連桿機構和LRV的自動輪距擴展概念，利用均化懸掛系統平滑車體相對于車輪的運動，保證在各種地形情況下四輪都能同時著地。當底盤完全展開時所占的包絡空間可比其折疊狀態(tài)時增加35%，這種展開功能使底盤具備超越其裝載結構20%的靜穩(wěn)定性。其底盤主要通過兩個四桿機構進行變形，當底盤展開時四桿機構變成一個菱形，當底盤收縮時四桿機構則變成一條直線，每組四桿機構具有獨立的驅動裝置。1.2.3懸架可展開移動系統懸架可展開移動系統通過獨立懸架機構的折疊與展開實現體積變化，具有結構相對簡單的特點。該類型移動系統在美國JPL研制的“Sojourner”及“Spirit”上得到了成功應用11。其中“Sojourner”折疊收攏時采用蹲坐的方式，通過將搖臂桿在與車體連接的樞軸處分為兩部分實現。車體站起時，其它車輪不動，后輪被驅動向前，車體被拱起達到要求高度時，彈簧捕捉機構將其鎖定，使整車處于可工作狀態(tài)?！癝pirit”火星車的折疊、展開與“Sojourner”有很多不同，它可實現長、寬、高三方向的折疊與展開?！癝pirit”懸架的折疊主要通過懸架各構件間相對位置的改變來實現，參與折疊的構件包括后副搖臂(AftBogie)、前副搖臂(ForwardBogie)、副搖臂鉸軸(BogiePivot)、后主搖臂(AftRocker)、主搖臂轉動副(Rocker-BridgeJoint)、前主搖臂(ForwardRocker)、主搖臂展開驅動電機(RockerDeploymentActuator)七部分。當“Spirit”折疊時，后副搖臂沿著滑道縮入前副搖臂，使中輪與后輪的輪距縮小，從而減小整車長度尺寸；后主搖臂通過副搖臂鉸軸及主搖臂轉動副分別與副搖臂及前主搖臂發(fā)生相對轉動，實現車體的蹲伏，縮小整車高度尺寸；前主搖臂繞主搖臂轉動副轉動，使車輪轉向內側，減小車體前端寬度尺寸。1.2.4車輪可展開移動系統可展開車輪在國內外的研究均較少，60年代美國設計了一種圓規(guī)腿步行輪12，它通過多種傳感器獲得車輛的位姿信息，由計算機控制參數的變化，能完全補償步行輪的多邊形效應，并能在步行輪和普通輪之間轉換以適應地面的坡度、越過障礙并保持行駛平順性。在國內，北航研制出一種可重復展開式車輪，與圓規(guī)腿步行輪工作方式相仿，這種車輪在星球車移動過程中可根據控制系統發(fā)出的指令展開與折疊。哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院在可展開式車輪上，進行了初步的研究，研制出幾種可展開式車輪。1.3星球車空間可展開機構概述可展開式星球車在地面上被收攏成折疊狀態(tài)，固定于運載工具的有效載荷艙內，隨著陸器降落到月面后，根據地面的控制指令逐步完成展開動作，然后鎖定并保持為移動系統工作狀態(tài)，屬于一種特殊的空間可展開機構。1.3.1空間可展開機構研究現狀20世紀60年代可展開機構的概念最初在建筑領域被提出，并得到成功應用。隨著航空航天技術的發(fā)展，以太空應用為背景的空間可展開機構得到廣泛的研究與應用?？臻g可展開機構的主要形式包括太陽帆板、伸展臂、空間可展開天線、空間操作平臺、雷達定位桿、空間望遠鏡調焦機構、空間望遠鏡展開鏡面機構等，其中大型展開天線和太陽帆是大型空間可展開機構研究最活躍、深入的領域。20世紀70年代后期美國航天局(NationalAeronauticsandSpaceAdministration)在其近期、遠期發(fā)展規(guī)劃中提出了各種形式的展開天線13，并對其概念設計、分析理論方法、具體應用設計技術開發(fā)進行了系統深入的研究。俄羅斯宇航局也在可展開機構設計發(fā)展應用上做出了卓越貢獻，尤其在“和平號”空間站上。劍橋大學與歐空局共同建立了可展開機構實驗室，對可展開機構進行理論研究及應用。同時歐空局在其衛(wèi)星發(fā)展計劃中也對可展開機構技術進行了深入的研究。日本宇宙科學研究所（ISAS）和日本宇航中心（NASDA）以及加拿大和印度等國在展開折疊技術研究應用上紛紛發(fā)展了自己的技術。我國對空間可展開機構的研究起步較晚，具有代表性的是浙江大學關富玲教授領導的課題組，對伸展臂及空間可展天線等在設計原理、運動規(guī)劃、靜力分析、動力分析、機構設計等方面進行了研究及實驗14。1.3.2空間可展開機構的分類目前空間可展開機構還沒有統一的分類原則，可以按展開動力、結構型式、展開順序等多種方式進行分類。如按照折疊機構組成單元類型可分為桿系單元、板系單元，而桿系單元又可分為剪式鉸單元與伸縮式單元；依照機構展開成型后的穩(wěn)定平衡方式可分為自穩(wěn)定可展開機構與附加支承可展開機構；而按展開驅動方式進行分類最為詳細，包括下面五種情況15。1.3.2.1微電機驅動利用電機驅動主動件或者是通過傳動使機構展開。根據機構的要求和形式的不同，電機的分布方式也不盡相同，主要有分散布置和集中布置兩種方式。采用微電機驅動時，在設計中要考慮是使機構整體展開還是使其逐級展開。如環(huán)柱狀天線(HoopColumnDeployableAntenna)采用整體展開，通過中心電機驅動環(huán)向索帶動各個肋支座轉動從而使機構整體展開。1.3.2.2彈簧驅動彈簧種類很多，包括拉壓簧、扭簧、蝶簧、塔簧等。在可伸展機構中，主要使用拉壓簧和扭簧。如果在機構接點或桿件中點安放彈簧，在折疊過程中，彈簧存儲了一定的應變能，當機構解鎖后，應變能釋放，驅動機構整體展開。美國ABLE公司的Coilable天線屬于彈簧驅動。對于拉壓簧驅動，在需要變化長度的桿件中間設置拉伸彈簧，機構處于收納狀態(tài)時