強動力型月球車行走系統主動仿形機構的創新設計與研究

李建廷 劉萬強 張海英 劉紅俊 白 楊

摘要 打破傳統月球車的設計模式,針對月球表面復雜的環境研發八輪獨立驅動系統、八輪獨立轉向系統、八輪臂獨立垂直升降系統、八輪臂獨立跨越系統、多功能機械臂及“雙子星”車體結構,通過計算機遠程無線監測與控制,實現月球車的主動仿形運動功能,從而解決此前難以克服的種種難題,使強動力型月球車具備強大的驅動力,優越的爬坡及越障性能,大大提高該車在惡劣月面環境條件下的適應能力,從而能高效率地完成各種月面探索任務。

關鍵詞 月球車;主動仿形;創新設計

中圖分類號:TP391.7 文獻標識碼:B 文章編號: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世紀是人類全面探測太陽系并為人類社會可持續發展服務的新時代,目前各國相繼開始增強空間技術的投資力度,積極發展本國空間技術,努力爭取在不久的未來在外太空占有自己的一席之地。

隨著經濟的快速發展,我國已經有能力擴展深空探索。我國的嫦娥工程已經啟動,2012年,“嫦娥工程”將實現“落地”,月球車作為一種登陸月球和探測月球的工具將發揮重要作用。月球是一個無風、無水、無聲響、無生命、冷熱劇變的荒涼的世界。月球表面崎嶇不平,有石塊、隕石坑、高地。月球車在某種意義上屬于機器人技術,無論是輪式的還是腿式的,都應具有前進、后退、轉彎、爬坡、取物、采樣和翻轉等基本功能,甚至具有初級人工智能,例如識別、爬越或繞過障礙物等。

據報道,我國已有部分科研院所及高校結合自身技術優勢研制出各自的月球車[1]。盡管各有千秋,但與真正能夠執行探測任務的月球車還相距甚遠,月球車的研究正在不斷深入。

1 強動力型月球車簡介

月球車(亦稱“月球探測遠程控制機器人”)是在月球表面行駛并對月球考察和收集分析樣品的專用車輛。強動力型月球車作為具有仿形功能的輪足式月球車,打破傳統月球車的設計模式,針對月球表面復雜的環境研發的八輪獨立驅動系統、八輪獨立轉向系統、八輪臂獨立垂直升降系統、八輪臂獨立跨越系統、多功能機械臂及“雙子星”車體結構,通過計算機遠程無線監測與控制,實現月球車的主動仿形運動功能;在輪子仿形機構無法跨越障礙的情況下,可以切換行走模式,8條輪臂作為8條腿,8個輪子作為8只足,實現爬行功能;當一個車體陷入隕石坑或發生故障,在自身無法擺脫障礙時,可使另一車體通過機械臂對其實施救助。這樣基于仿形運動功能的輪足式月球車具備強大的驅動力,優越的越障爬坡性能、仿形運動功能、超強的整車通過性能及相互救助功能。

2 月球車行走系統主動仿形機構的創新設計

2.1 八輪獨立驅動機構打破傳統獨立驅動車的設計模式,即摒棄傳統的同軸獨立驅動,采用自由輪臂獨立驅動,大大提高該車對月球表面復雜環境的適應能力。精簡傳統汽車復雜的傳動機構,直接由電動機輸入動力,采用動力輪獨立驅動機構進行傳動,每個輪子都有一個驅動電機驅動,電動機經過減速器直接將動力傳送到輪子上,電動機內置于輪子中心(圖1),可大大提高車速及馬力,減少復雜傳動機構的能量損失,從而提高能量利用效率,充分利用有限的能源。

2.2 八輪獨立轉向機構每個輪架都裝有一個舵機,可獨立360度轉向,亦可整體協調一致轉向,實現車體的零半徑轉彎。例如在四輪轉向一致的情況下,分別控制4個轉向舵機轉動45°、135°、225°、315°,給4個驅動電機以相同轉速,實現車體簡單的零半徑轉彎,很大程度上提高月球車的轉向運動靈活性及整車運動靈活性。

2.3 八輪臂獨立垂直升降機構該機構打破傳統汽車可調底盤的設計模式,輪臂設計采用平行四邊形機構,在關節電機的驅動下,主動齒輪帶動從動齒輪,從動齒輪與平行四邊形下連桿一端固定,從而帶動平行四邊形機構夾角在45°～180°范圍內變動,輪臂升降最大高度差為200 mm。CCD攝像機和超聲波傳感器所獲得的障礙物信息,經無線傳輸至主控PC機。主控PC機使用圖像識別和分析技術獲得對象物體的形狀和位置信息,同時將障礙物三維圖像顯示在計算機操作界面上。主控PC機將相關信息發送到車體嵌入式計算機,控制關節電機及驅動電機完成主動仿形運動。例如當遇到石塊時,輪子將自動沿著石塊表面上升,越過石塊并保持車體的相對水平,即使是在復雜的月面環境下行走,也能如履平地一般(圖2),提高車對月面的適應性能,即整車通過性能。

2.4 八輪臂獨立轉向機構每個輪臂架與車體的連接處都有一舵機控制輪臂的轉向,可獨立控制轉向,亦可協調控制轉向,通過輪臂架的轉向可以根據需要增大或減小車體輪子的跨度。在輪子無法通過或無法擺脫障礙時,在主控PC機控制下,嵌入式控制系統可以切換到爬行模式,平行四邊形機構與輪臂轉向機構協調運動,8條輪臂作為8條腿,8個輪子作為8只足,2車體可相互獨立運動,作為2個四足步行機器人;亦可通過機械臂對接作為一個八足步行機器人,即實現爬行功能。輪式的車可以高速行駛,但不適應特別復雜的地形環境,足類行走工具正好彌補這個缺陷。

2.5 多功能機械臂該機械臂為六自由度機械臂,在遇到難以跨越的障礙物時,可控制機械臂為月球車排除障礙物、開辟道路;月球巖石存在極大的研究價值,該機械臂通過計算機控制可實施采樣工作,故亦可作為采樣工具使用。另外,當一個車體陷入隕石坑或發生故障,在自身無法擺脫障礙時,可使另一車體通過機械臂對其實施救助,以實現相互救助。

2.6 “雙子星”車體結構強動力型月球車由2節車體組成,可實現機械臂與機械臂對接,也可實現機械臂與對接環的對接[2]。在某一車體遇到障礙時,通過將傳感器所獲得的2車體相對位置信息經無線傳輸至主控PC機,控制指令通過無線傳輸給車體嵌入式控制計算機,控制救助車體運動到合適位置,伸展機械臂與前車體機械臂或對接環對接,從而拉動前車體脫離障礙。

3 結束語

強動力型月球車行走系統(圖3)精簡傳統復雜的傳動機構,利用八輪獨立驅動機構、八輪獨立轉向機構、八輪臂獨立轉向機構、八輪臂獨立垂直升降機構、多功能機械臂及“雙子星”車體結構等簡單機構即完成輪式行走與足式步行的雙重行走功能,更實現主動仿形運動功能。該車仿形機構的設計方案為月球車行走系統、未來電動汽車、電動沙漠車、專用重量級運輸車以及礦用車的發展方向提供一種嶄新的思路,存在廣闊的開發前景。

參考文獻

[1]朱毅麟.給月球車開發者進一言[J].航空工業管理,2006,6(1):13-15

[2]王立權,等.機器人創新設計與制作[M].北京:清華大學出版社,2007:20-25