基于四桿懸架機(jī)構(gòu)的月球車(chē)行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫 萌

（東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 211189）

月球作為距離地球最近的天體，成為各國(guó)宇宙空間探測(cè)的重點(diǎn)目標(biāo)之一，相比于載人航天探測(cè)，月球探測(cè)車(chē)的探測(cè)成本更低，且消除了載人航天的安全隱患。然而月球表面存在很多行駛障礙，資料顯示，1m～3m大小的月球車(chē)會(huì)遇到25°的斜坡、0.5m大小的火山口以及15cm～20cm高的障礙體，因此對(duì)于月球車(chē)的越障能力提出了很高的要求[1]。

本文自擬參數(shù)，提出了一種新型基于四桿懸架機(jī)構(gòu)的月球車(chē)行走系統(tǒng)，進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)以及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，確定了電機(jī)和減速器的選擇，對(duì)實(shí)物的制造起到了指導(dǎo)作用。

1 總體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的月球車(chē)參數(shù)如下：最大外形尺寸為900mm(長(zhǎng))×600mm(寬)×450mm(高)，總質(zhì)量不超過(guò)50kg，移動(dòng)速度不小于0.1m/s。

1.1 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

月球上地貌復(fù)雜，需要月球車(chē)有較高的靈活度，為了滿(mǎn)足這一要求，本文所設(shè)計(jì)的月球車(chē)采用六輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，前后輪設(shè)計(jì)牽引電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向，中間輪僅設(shè)計(jì)牽引電機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。

1.2 懸架設(shè)計(jì)

本文所選取四桿懸架系統(tǒng)的越障原理如圖1所示。該系統(tǒng)在接觸到障礙物時(shí)，利用障礙物產(chǎn)生向后的推力驅(qū)動(dòng)平面四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，使相應(yīng)的車(chē)輪抬起或落下，達(dá)到越過(guò)障礙物的目的，由于越障時(shí)主搖臂和副搖臂的瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心下移至地面以下，因此具有比其他機(jī)構(gòu)更強(qiáng)的越障能力。

圖1 四桿懸架系統(tǒng)越障原理

預(yù)計(jì)月球車(chē)需越過(guò)最大尺寸為15cm左右高度的障礙物，以此為根據(jù)進(jìn)行多次試算，最終設(shè)計(jì)尺寸如圖2所示。

利用SolidWorks的推斷約束，計(jì)算出前中后輪的極限越障尺寸分別為前輪200.23mm、中間輪216.40mm以及后輪176.17mm，如圖3所示。

圖2 四桿懸架尺寸

圖3 極限越障狀態(tài)

取其中最小的后輪極限越障尺寸作為月球車(chē)整體的極限越障尺寸。事實(shí)上，極限越障尺寸應(yīng)略小于該值，因?yàn)楫?dāng)左桿豎直的時(shí)候，車(chē)體的重心前移，稍有擾動(dòng)便會(huì)向前翻倒，處于不穩(wěn)定平衡的狀態(tài)，因此真正的極限越障尺寸要略小一些，預(yù)計(jì)在15cm左右，滿(mǎn)足預(yù)期。

1.3 車(chē)輪設(shè)計(jì)

常見(jiàn)的石子碎塊高度不超過(guò)4cm，在遇到此類(lèi)小障礙物時(shí)，懸架不發(fā)生較大越障變形即可完成越障，減少機(jī)械構(gòu)件的相對(duì)移動(dòng)，延長(zhǎng)使用壽命。如圖4所示，若車(chē)體給予輪胎的力作用線在障礙物產(chǎn)生的阻力作用線上方，即可做到僅憑輪胎尺寸越障。因此有計(jì)算公式如下：

圖4 車(chē)輪尺寸

解得x>90.5mm，取極限狀態(tài)則車(chē)輪直徑為181mm，可以輕松跨過(guò)4cm以下的障礙物。

對(duì)于輪寬，根據(jù)文獻(xiàn)[2-3]，減小車(chē)輪的寬度有利于轉(zhuǎn)向的靈活性，但縱向牽引性能會(huì)有所下降。綜合考慮牽引與轉(zhuǎn)向性能，半徑90mm的車(chē)輪的適合寬度為100mm左右，因此車(chē)輪寬度取為100mm。

最終整車(chē)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)示意圖

2 Adams運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

利用Adams軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，進(jìn)一步驗(yàn)證月球車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的合理性，并分析其運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

2.1 仿真參數(shù)設(shè)置

令x方向?yàn)轭A(yù)設(shè)的行駛方向，y方向?yàn)樨Q直方向，z方向與x、y方向成右手系。仿真模型如圖6所示，各構(gòu)件材質(zhì)均設(shè)置為steel并將車(chē)輪與路面間加入接觸，加入月球重力場(chǎng)，六輪的驅(qū)動(dòng)函數(shù)設(shè)置為step(time, 0, 0, 5, 270d)+step(time, 35,0, 40, -270d)。

圖6 月球車(chē)（左）與月面（右）仿真模型

部分仿真結(jié)果如圖7～圖11所示。

圖7 車(chē)體y方向位移、速度、加速度曲線

圖8 車(chē)體z方向位移、速度、加速度曲線

圖9 車(chē)體x方向角速度、角加速度曲線

圖10 車(chē)體y方向角速度、角加速度曲線

圖11 車(chē)體z方向角速度、角加速度曲線

2.2 仿真結(jié)果分析

對(duì)仿真結(jié)果的分析歸為如下幾類(lèi)：

1）震蕩。減震是所有問(wèn)題中最為關(guān)鍵的，因?yàn)樵虑蜍?chē)載物臺(tái)上通常搭載的都是一些實(shí)驗(yàn)儀器，應(yīng)盡量減輕車(chē)身振動(dòng)以保護(hù)儀器并保證整車(chē)的平穩(wěn)運(yùn)行。圖7反映豎直方向的震蕩。由圖可知車(chē)身在越障時(shí)，位移與速度波動(dòng)主要出現(xiàn)在獨(dú)立凸起處和連續(xù)不對(duì)稱(chēng)凸起處，振蕩位移最大不超過(guò)25mm，可以認(rèn)為較為平穩(wěn)，但其加速度曲線表明振動(dòng)沖擊比較大，因此需要在車(chē)輪處設(shè)置合適的阻尼來(lái)減緩振動(dòng)，保護(hù)載物臺(tái)上的各儀器以及其他設(shè)備[4-5]。

2）側(cè)滑與橫擺。圖8反映車(chē)身側(cè)滑，圖10反映車(chē)身橫擺。由圖可知車(chē)身存在一個(gè)朝向前進(jìn)方向左側(cè)的側(cè)滑，且多處有小幅橫擺，側(cè)滑與橫擺集中于連續(xù)不對(duì)稱(chēng)凸起處。推斷原因如下：月球車(chē)自身的重力分布不均，導(dǎo)致對(duì)各車(chē)輪產(chǎn)生力矩，使車(chē)輪在啟動(dòng)時(shí)便產(chǎn)生一個(gè)橫擺角，并隨著月球車(chē)向前行駛導(dǎo)致側(cè)滑與橫擺不斷加劇，而不對(duì)稱(chēng)的障礙使車(chē)身扭轉(zhuǎn)加劇，引起更加嚴(yán)重側(cè)滑和橫擺。上述問(wèn)題可以通過(guò)對(duì)載物臺(tái)的尺寸或負(fù)載質(zhì)量分布進(jìn)行優(yōu)化而緩解。

3）側(cè)傾與俯仰。圖9反映車(chē)身側(cè)傾，圖11反映車(chē)身俯仰。由圖可知側(cè)傾始終存在，均值為5deg/sec左右，在連續(xù)不對(duì)稱(chēng)凸起處最為明顯，最高達(dá)到25deg/sec；車(chē)身俯仰在坡道與平地轉(zhuǎn)換時(shí)表現(xiàn)出較大的波動(dòng)，明顯較越障時(shí)劇烈。車(chē)身側(cè)傾可以通過(guò)合理分配整車(chē)質(zhì)量的方式緩解，而車(chē)身俯仰則可以通過(guò)阻尼的加入來(lái)削弱。

3 結(jié)論

本文對(duì)月球車(chē)行走系統(tǒng)進(jìn)行了分析，完成了月球車(chē)的總體設(shè)計(jì)，根據(jù)自擬參數(shù)確定了電機(jī)和減速器的選擇，并將模型導(dǎo)入Adams軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，對(duì)月球車(chē)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，提出了改進(jìn)方案與進(jìn)一步研究的建議。