基于四桿懸架機構的月球車行走系統設計

孫 萌

（東南大學機械工程學院，江蘇 南京 211189）

月球作為距離地球最近的天體，成為各國宇宙空間探測的重點目標之一，相比于載人航天探測，月球探測車的探測成本更低，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大小的月球車會遇到25°的斜坡、0.5m大小的火山口以及15cm～20cm高的障礙體，因此對于月球車的越障能力提出了很高的要求[1]。

本文自擬參數，提出了一種新型基于四桿懸架機構的月球車行走系統，進行了總體設計以及運動學仿真，確定了電機和減速器的選擇，對實物的制造起到了指導作用。

1 總體設計

本文所設計的月球車參數如下：最大外形尺寸為900mm(長)×600mm(寬)×450mm(高)，總質量不超過50kg，移動速度不小于0.1m/s。

1.1 驅動設計

月球上地貌復雜，需要月球車有較高的靈活度，為了滿足這一要求，本文所設計的月球車采用六輪獨立驅動，前后輪設計牽引電機和轉向電機實現驅動和轉向，中間輪僅設計牽引電機實現驅動。

1.2 懸架設計

本文所選取四桿懸架系統的越障原理如圖1所示。該系統在接觸到障礙物時，利用障礙物產生向后的推力驅動平面四桿機構運動，使相應的車輪抬起或落下，達到越過障礙物的目的，由于越障時主搖臂和副搖臂的瞬時轉動中心下移至地面以下，因此具有比其他機構更強的越障能力。

圖1 四桿懸架系統越障原理

預計月球車需越過最大尺寸為15cm左右高度的障礙物，以此為根據進行多次試算，最終設計尺寸如圖2所示。

利用SolidWorks的推斷約束，計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

取其中最小的后輪極限越障尺寸作為月球車整體的極限越障尺寸。事實上，極限越障尺寸應略小于該值，因為當左桿豎直的時候，車體的重心前移，稍有擾動便會向前翻倒，處于不穩定平衡的狀態，因此真正的極限越障尺寸要略小一些，預計在15cm左右，滿足預期。

1.3 車輪設計

常見的石子碎塊高度不超過4cm，在遇到此類小障礙物時，懸架不發生較大越障變形即可完成越障，減少機械構件的相對移動，延長使用壽命。如圖4所示，若車體給予輪胎的力作用線在障礙物產生的阻力作用線上方，即可做到僅憑輪胎尺寸越障。因此有計算公式如下：

圖4 車輪尺寸

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

對于輪寬，根據文獻[2-3]，減小車輪的寬度有利于轉向的靈活性，但縱向牽引性能會有所下降。綜合考慮牽引與轉向性能，半徑90mm的車輪的適合寬度為100mm左右，因此車輪寬度取為100mm。

最終整車結構如圖5所示。

圖5 結構示意圖

2 Adams運動學仿真

利用Adams軟件進行運動學仿真，進一步驗證月球車結構設計上的合理性，并分析其運動姿態。

2.1 仿真參數設置

令x方向為預設的行駛方向，y方向為豎直方向，z方向與x、y方向成右手系。仿真模型如圖6所示，各構件材質均設置為steel并將車輪與路面間加入接觸，加入月球重力場，六輪的驅動函數設置為step(time, 0, 0, 5, 270d)+step(time, 35,0, 40, -270d)。

圖6 月球車（左）與月面（右）仿真模型

部分仿真結果如圖7～圖11所示。

圖7 車體y方向位移、速度、加速度曲線

圖8 車體z方向位移、速度、加速度曲線

圖9 車體x方向角速度、角加速度曲線

圖10 車體y方向角速度、角加速度曲線

圖11 車體z方向角速度、角加速度曲線

2.2 仿真結果分析

對仿真結果的分析歸為如下幾類：

1）震蕩。減震是所有問題中最為關鍵的，因為月球車載物臺上通常搭載的都是一些實驗儀器，應盡量減輕車身振動以保護儀器并保證整車的平穩運行。圖7反映豎直方向的震蕩。由圖可知車身在越障時，位移與速度波動主要出現在獨立凸起處和連續不對稱凸起處，振蕩位移最大不超過25mm，可以認為較為平穩，但其加速度曲線表明振動沖擊比較大，因此需要在車輪處設置合適的阻尼來減緩振動，保護載物臺上的各儀器以及其他設備[4-5]。

2）側滑與橫擺。圖8反映車身側滑，圖10反映車身橫擺。由圖可知車身存在一個朝向前進方向左側的側滑，且多處有小幅橫擺，側滑與橫擺集中于連續不對稱凸起處。推斷原因如下：月球車自身的重力分布不均，導致對各車輪產生力矩，使車輪在啟動時便產生一個橫擺角，并隨著月球車向前行駛導致側滑與橫擺不斷加劇，而不對稱的障礙使車身扭轉加劇，引起更加嚴重側滑和橫擺。上述問題可以通過對載物臺的尺寸或負載質量分布進行優化而緩解。

3）側傾與俯仰。圖9反映車身側傾，圖11反映車身俯仰。由圖可知側傾始終存在，均值為5deg/sec左右，在連續不對稱凸起處最為明顯，最高達到25deg/sec；車身俯仰在坡道與平地轉換時表現出較大的波動，明顯較越障時劇烈。車身側傾可以通過合理分配整車質量的方式緩解，而車身俯仰則可以通過阻尼的加入來削弱。

3 結論

本文對月球車行走系統進行了分析，完成了月球車的總體設計，根據自擬參數確定了電機和減速器的選擇，并將模型導入Adams軟件進行運動學仿真，對月球車穩定性進行了分析，提出了改進方案與進一步研究的建議。