可变直径轮月球探测车及其越障能力分析

第25卷第 5期 2 0 0 8年 5月 机 械 设 计 JOURNAL OF MACHINE DESIGN Vo1．25 No．5 Mav 2008 可变直径轮月球探测车及其越障能力分析 孙刚，高峰，孙鹏 (北京航空航天大学 汽车系，北京 100083) 摘要： 了一种车轮直径可变的月球探测车，由装在轮毂 内的电机驱动车轮收缩和张开，车轮直径 变化范围为 200～390 mm。应用地面力学方程和月球层土壤(以下简称月壤)参数计算预测了车轮的挂钩牵引力。并由探测车的 准静态力学方程得到了车轮的越障阻力，提出了一种新的算法，考虑后轮和松软路面的作用，得到了前车轮最大越障高 度与车轮直径变化之间的关系。分析表明，可变直径车轮使月球探测车具有更好的通过性能。 关键词：月球探测车；可变直径轮；地面力学；越障能力 中图分类号：V476、4 文献标识码：A 文章编号 ：1001—2354(2008)05—0021—03 自主行走探测车在月球表面的行走性能对完成探测任务 具有重要意义。车辆地面力学的研究表明，大的车轮直径有利 于车辆通过困难的路面，但是月球探测车的整车结构和质量受 到运载火箭有效载荷和空间的严格限制 ，从而限制了整车和车 轮尺寸。探测车在月球松软表层行走时车轮和月壤的相互作 用影响到车轮的下陷和牵引能力。探测车越障能力是考核其 行走性能的一个主要指标。因此，依据地面力学理论 ，研究车 轮和松软月壤相互作用及越障的力学过程可以作为探测车设 计的基础。在轮式机器人的行走通过性和越障方面，一些学者 已经进行了分析和仿真研究 ，在这些研究中，假定越障时 车轮和障碍物及路面之间存在一个相同的摩擦因数 ，以简化 分析的过程，这种假定忽略了越障车轮与障碍和非越障车轮与 松软路面相互作用之间的差异，有必要进行更深入的分析和探 讨。 文中设计了一种车轮直径可变的月球探测车，对其结构进 行了介绍。依据地面力学的理论 ，分析了车轮和月球表层土壤 的相互作用 ，并通过准静态力学方法 ，研究了探测车越障的过 程 。 1 月球探测车结构 月球探测车的基本 目标是在未知的困难地形下能够正常 行走，识别并通过一定高度 的障碍物，进行科学考察和取样。 为此，月球探测车行走机构要求机动能力高、质量轻，并且行走 稳定可靠。因此，探测车的行走机构通常为全轮主动驱动，并 通过摇臂悬架结构连接车轮与车体。结合前述分析，文中设计 了一种车轮直径可变的新型四轮月球探测车，其结构如图 1所 刀 o 月球探测车的结构包括车轮、摇臂悬架系统和车体。在探 测车发射阶段，车轮收缩在一起，可以有效减小探测车在运载 火箭 内所占的空间，当探测车在月球表面着陆后，车轮可 以在 车载系统控制下展开与收缩。 每个车轮轮毂内装配有一套行星齿轮传动机构和两个驱 动电机，行星轮系如 图 2所示，其 中电机 驱动车轮向前行 驶 ，而电机 则用来驱动车轮伸缩和张开，在平坦的路面上， 车轮收缩如普通车轮一样行走，此时电机 不运转 ，轮系中两 边的齿轮均在电机 驱动下同步运转。当路面比较难于通过 或在越障和爬坡时，车轮张开以提高车辆的通过能力，此时，电 机 驱动左侧行星齿轮加速转动⋯。 图1 可变直径轮月球探测车 l 一 一 + 2 2l _ - 3 一 一 1 I [72771 I 图2 行星轮系简图 无差速时行星轮系动力传递路线为：右侧 电机一行星架 日一行星轮 2、行星轮 2 一左齿圈3 、右齿圈3。 差速时行星轮系动力传递路线 ： (1)右侧 电机一行星架 一行星轮 2、行星轮 2 一左齿圈 3 、右齿圈 3； (2)左侧 电机一左侧太阳轮 1 一左侧行星轮 2 一左齿圈 3 。 转动产生的差速使连接在左侧轮系外壳上的车轮辐杆 张开，车轮辐杆的外端分别与车轮轮缘各部分相固定，在辐杆 的带动下，轮缘向外张开，车轮直径变化范围为 200～390 mm。 当车轮收缩时，电机 反向运转。 收稿日期：2007—07—18；修订 日期：2007—11一O9 作者简介：孙刚(1974一)，男，河南南阳人，博士生，研究方向：月球及行星探测车关键技术。 维普资讯 http://www.cqvip.com 机 械 设 计 第 25卷第 5期 2 探测车行走过程分析 2．1 车轮和松软路面力学关系 当探测车在月球表层平坦密实的路面行驶时，车轮收缩， 轮缘完整，此时钛合金车轮可以作为刚性轮看待，其与松软月 壤的相互作用如图3所示 。 图3 刚性轮在松软路面上受力分析 在车轮和松软土壤接触面积上对应力进行积分，由竖直方 向的力平衡方程可得： 0 W=rbl。(P COS 0+ sin 0)dO (1) U 式中： 一 车轮所受载荷； 6—— 车轮宽度； r一 车轮半径； — — 在车轮轮缘一点上作用的切向应力； p—— 在车轮轮缘一点上作用的法向应力。 依据地面力学中的贝克和杰诺西方程 ，在车轮轮缘一点 上作用的切向应力 r和法向应力P分别为： = (C P tan 0)[1一exp(一FK)】 (2) P=( +k ) (3) =r(COS 0一COS Oo) (4) ，=r[(％一0)一(1一s )(sin 0o—sin 0)】 (5) 式中： —— 月壤粘聚变形模量； — — 摩擦变形模量； n—— 月壤变形指数； c—— 月壤内聚力； p—— 月壤内摩擦角； K—一 月壤剪切模量； 广_一 轮缘上角度口处的土壤剪切位移； s —— 车轮滑转率。 探测车的质量作为输入参数，则车轮沉陷所对应的角度 可以由式(1)的数值积分进行试算求解出来。 挂钩牵引力 是车轮产生最大牵引力时能够牵引的外加 载荷， 为： =r6 (~cos 0-psin 0) 2．2 车轮行驶挂钩牵引力计算 (6) 探测车的结构参数如表 1所示，由文献[1，6]所得月壤的 力学参数如表2所示。 表 1 月球探测车结构参数 车轮直径／ram 收缩时 I展开时 车轮宽度／ram 整车质量／kg 车轮数目 200 l 390 2oo 2oo 4 表 2 月壤参数 l c／kPa I (。)I kc／(N／m )I ／(N／m )i n I K／m} I ： I [==：I ] =]= 工 互圈 由上述方程可以得到挂钩牵引力的值。对于收缩的车轮， 首先由式(1)得到车轮最大沉陷对应 的角度 ，由式(2)一式 (6)得到挂钩牵引力 为 s 的函数，如图4中虚线所示。 图4 不同滑转率时的挂钩牵引力 对于图5所示 的展开车轮，忽略轮缘外圆曲率的微小差 异，使用直径为390 mm的替代圆进行计算，带入式(1)可以得 到展开车轮对应的最大角度值 为 12。以车轮滑转率为函 数的挂钩牵引力值如图4中实线所示。图中曲线表明展开车 轮可以提供更大的挂钩牵引力。 图5 展开车轮和月壤的相互作用 2．3 越障分析 2．3．1 越障的阻力 当探测车越过障碍物时，车轮和障碍物接触的界面上会产 生一个越障的阻力，假定越障时障碍物在地面上不移动，图 6 所示为前轮越障时车轮抬起瞬间的受力分析。 J 一 一I Il — 、 WI 』J I I 、、《 l l ／ 图 6 越 障分析 前轮越障阻力为 ： RoF=NF COS a～ ．)、 sin a (7) 由图6可得前车轮离地瞬间平衡方程为： ∑Fy：0： ⅣF cos a+NR+NF sin a=W (8) ∑ =0：benF sin n—NF c08 a+FdR=0 (9) ∑MA=0： Fr+FdRr—NRL+WL／2=0 (10) 由式(7)一式(10)可求得前轮越障阻力为： R。r = WL 一 ( c os a - + bt sincosa) (11) 式中： —— 车轮表面与障碍物之问的附着系数。 式(11)中角度值 可以表示为障碍高度h和车轮半径r的 函数： a=arcsin[(，一h)／,-] 假定障碍物的高度 h：0．05 m，附着系数 =0．25，则越障 阻力与车轮半径 r之间的关系如图7所示。 维普资讯 http://www.cqvip.com 2008年 5月 孙刚，等：可变直径轮月球探测车及其越障能力分析 240 芝 180 ：器 120 图7 车轮半径变化时的越障阻力 图7中的曲线表明，随着车轮半径增加，越障时的阻力降 低。通过类似的方法可以分析后轮越障的阻力，文中不再进行 阐述。 2．3．2 可以通过的最大障碍高度 由式(8)～式(10)，可以求得前后车轮处垂直方向的力ⅣF 和 Ⅳ ，以及后轮处的牵引力 F ‘~F 面 (12) ‘~R= 一 昔 (13) ，dR = 2 ／zr rc os in 畿L CO S (14) 一 ( + 一 r s + +Lsin ) 叶 当车轮半径一定时，则ⅣF，N 和F 均为障碍物高度h的函 数，另外，对图6中系统，后轮能提供的最大牵引力 F ⋯ 可以 由式(1)一式(6)求得，计算 F眼⋯ 时取后车轮滑转率值为 0．95，则前轮可越过的最大障碍物高度 h⋯ 将由 FdR 的值确 定 ，当车轮直径变化时求解 h⋯ 的计算图如图8所示。 图8 最大越障高度求解流程图 随着车轮直径的增加 ，可通过的最大障碍物高度也相应增 加，车轮半径 r和对应的 ^之间的关系如图9所示。 3 结论 ri LIInl 图9 车轮半径 r和越障高度 ^ 关系图 文中新型月球探测车的车轮直径可以依据所通过的路面 状况由车载系统控制张开或收缩 ，具有机构紧凑、越障能力强 和地形适应性好等特点。基于地面力学理论分析了探测车和 月球表层松软路面的相互作用，求得了车轮收缩和展开时在不 同滑转率时的挂钩牵引力。分析表明，展开的车轮具有更好的 软土路面通过能力。使用准静态平衡分析方法，求解了车轮越 障所需克服的障碍阻力 ，并提出了一种算法 ，以后轮和软土路 面相互作用所能产生的挂钩牵引力为条件，计算了前轮所能越 过的最大障碍高度。分析结果表明，展开的车轮越障阻力较 小 ，并可以通过更高的障碍物。 目前正在建立用于车轮和模拟月壤相互作用研究的土槽 实验台，未来将对探测车的行走过程进行更深入的研究，为探 测车的结构设计和优化提供依据。 参考文献 [1] Apostolopoulos D S．Analytical configuration of wheeled robotic loco— motion[D]．Pittsburgh：Carne~e Mellon University，2001：26—28． [2] 陈世荣，许曼，汪义平，等．轮式机器人越台阶控制与仿真[J]．机 械设计，2007，24(1)：l3一l5． [3] 胡明，邓宗全，高海波，等．摇臂转向架式月球探测车越障通过性 分析[J]．上海交通大学学报，2005，39(6)：928—932． [4] 安子军．机械原理[M]．北京：机械工业出版社，2004． [5] 张克健．车辆地面力学[M]．北京：国防工业出版社，2002． [6] 郑永春，王世杰 ，刘建中，等．模拟月壤研制的初步设想[J]．空问 科学学报 ，2005，25(1)：70—75． Mcon deteorion vehicle、vith diameter-variable wheels and its obstacle surmounting capability analysis SUN Gang，GAO Feng，SUN PeIIg (Department of Automotive Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100083，China) Abstract：A kind of moon detection vehicle with diameter．var- iable wheels has been designed．The shrinkage and extension of wheels were driven by electric motors installed inside the wheel hub，the variation range of wheel diameters was 200～390 mm．U· tilizing the terra·mechanics equation and parameters of the lunar topsoil(the following is abbreviated as lunar—soil)，the drawbar clevis pulling force of wheel was predicted by calculation．A kind of new algorithm has been put forward for obtaining the obstacle sur— mounting resistance of wheels by the quasi··static mechanics equa·- tion of detection vehicle．By considering the effect of rear wheel and soft road surface，the relationship between the maximum obstacle surmounting height of front wheel and the variation of wheel diam e— ter was obtained．The analysis showed that the diameter variable wheel could let the moon detection vehicle be able to possess much better passing capability． Key word：lunar detection vehicle；diameter-variable wheel； terra—mechanics；obstacle surm ounting ability Fig 9 Tab 2 Ref 6 “Jixie Sheji”7446 维普资讯 http://www.cqvip.com