輪腿混合式探月小車的概念設計

康程鵬,孫銀健,王艷坤

（湖北汽車工業(yè)學院 汽車工程系，湖北 十堰442002）

隨著人類科學技術的不斷進步，對月球的探索也逐漸地深入，尤其最近幾年中國航天技術更是突飛猛進，探索月球的步伐也不斷加快。本文基于Inventor三維設計軟件所建立的探月小車模型，介紹了一種輪腿混合式探月小車的創(chuàng)新概念設計。

1 探月小車的總體設計

小車在運輸時收緊狀態(tài)如圖1所示。通過結(jié)構(gòu)的巧妙設計和各部件的合理布局，小車在收緊狀態(tài)下小巧玲瓏。太陽能電池板通過10塊三角形電池板板組裝在一起，收緊時呈頂蓬狀，將承載平臺上的工作儀器完全包裹，輪腿行駛結(jié)構(gòu)蜷縮，探測機構(gòu)收緊在車身內(nèi)。這樣大大縮小了運輸空間，節(jié)省了運輸成本。

圖1 月球車運輸時收緊狀態(tài)

圖2 月球車工作時展開狀態(tài)結(jié)構(gòu)

小車在工作時展開狀態(tài)如圖2所示。小車由太陽能電池板、指向機構(gòu)、探測機構(gòu)和行走機構(gòu)等主要部件組成。圓形車架作為搭載平臺，可根據(jù)需要選裝工作儀器。如信號雷達、天線、攝像頭、巖石打磨機、光譜分析儀，顯微鏡探測儀等工作部件，滿足多種工作需要。小車采用輪腿混合行駛系，可根據(jù)實際路況進行輪式或腿式行駛模式的切換。不僅可適應探測區(qū)表面多種路況，還能提高小車的行駛穩(wěn)定性和越障能力。車身車架仿照沙漏結(jié)構(gòu)設計，在小車不慎翻倒時，車身可繞車架主軸180°旋轉(zhuǎn)，完成翻車自救。小車的探測手臂末端裝有多功能探測儀，可完成巖石樣本取樣、土壤成分光譜分析和顯微觀察等工作，滿足了探月的各種工作任務。

2 主要結(jié)構(gòu)的功能設計

2.1 太陽能電池板

太陽能電池板通過10塊三角板組裝在一起，通過連桿連接到車身。在收緊時可節(jié)省空間又可用于車身外殼作用，工作時可以根據(jù)太能的位置改變相應的角度，以達到最佳能量收集狀態(tài)。

2.2 指向機構(gòu)

指向機構(gòu)包括360°雙視覺桅桿（圖3a）和雷達天線（圖3b）。主攝像頭連接在桅桿上，桅桿可伸縮，提高攝像機的視野范圍。雷達可轉(zhuǎn)動方向，天線可升高程度，提高接收信號能力。

2.3 探測機構(gòu)

在車身上根據(jù)具體的探測任務布置了各種用于鉆探的機構(gòu)，如顯微鏡探測儀（圖4a）、光譜分析儀（圖4b）、巖石打磨機（圖4c）等。探測臂通過兩根手臂連接，簡化結(jié)構(gòu)的同時完成必要的動作。不工作時收到車身下方，探測儀連接在探測手臂上，當工作時通過探測手臂的轉(zhuǎn)動可轉(zhuǎn)到所需的位置進行探測。探測儀上連有磨石機，光譜探測儀，顯微鏡探針。磨石機通過探頭上的3片鋼片轉(zhuǎn)動，可將大塊巖石磨碎，以便研究巖石的結(jié)構(gòu)和成分。光譜分析儀可以分析月球土壤的成分。

圖3 指向機構(gòu)

圖4 探測機構(gòu)

2.4 行走機構(gòu)

月球車的行走機構(gòu)采用獨特的輪腿混合式，輪腿行駛系為仿生結(jié)構(gòu)。圖5展示了輪腿轉(zhuǎn)換的過程。小車有六條腿，每條腿都有2個關節(jié)，通過靠近車身的關節(jié)的運動可以實現(xiàn)腿的前后擺動，通過腿中間的關節(jié)，可以實現(xiàn)腿的提起和輪腿的轉(zhuǎn)換。車輪和中間的關節(jié)由同一個轉(zhuǎn)動副連接。

當小車位于路況較差的路面時，采用腿式行駛，可以直接跨過較小的障礙物，如小的石塊和坑，提高越障能力；遇到大的巖石和隕石時，就采取避讓，繞道而行。當在好的路面上行駛的時候，小車可以通過輪腿轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為輪式行駛，提高行駛效率。此外，腿還可以在小車翻倒的時候可以輔助自救。

圖5 輪腿轉(zhuǎn)換過程

3 主要設計亮點

3.1 輪腿轉(zhuǎn)換行駛系統(tǒng)

月球重力是地球的 1/6，這意味著，質(zhì)量為50kg的東西，在地球上所受重力約500N，而到了月球表面則變成約80N。因此，月球表面的土壤非常松軟，月球車的行進效率會降低。月球表面崎嶇不平的路面，有石塊、有隕石坑，還有坡。在這種情況下，設計的輪子需要克服重重障礙，既不能打滑，也不能翻車，必須能前進、后退、轉(zhuǎn)彎、爬坡。

針對月球的復雜地貌，采用了獨立驅(qū)動的“六輪腿混合”行走系統(tǒng)，可以跨越30°斜坡。當遇到較大的石塊或隕石坑的時候，會自動選擇繞行。月球車的每個輪子都有自己獨立的驅(qū)動系統(tǒng)，6條腿可以自行調(diào)整高度，既可互相協(xié)助，又可獨立運動。

月球車在月球上會遇到各種復雜的路況。在較差的路況上采用腿式行走，可以增強小車的越障能力和通過性，當走到較好的路面時轉(zhuǎn)換成輪式行駛模式，提高行駛效率，并且這種輪腿轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)還能夠起到翻車自救的作用。

如圖6所示，此月球車可以根據(jù)需要進行輪腿轉(zhuǎn)換，采用仿生設計，擺動腿1可以繞車架左右擺動，升降腿2能繞5軸上下升降，在1、2共同作用下使其能像蜘蛛一樣爬行。當遇到良好的路面時，為了提高行駛效率轉(zhuǎn)換成輪式行駛，此時3支撐腿繞6軸順時針旋轉(zhuǎn)70°，2升降腿繞5軸順時針旋轉(zhuǎn)70°，再讓1繞車架旋轉(zhuǎn)相應的角度，使6個車輪的方向一致，完成轉(zhuǎn)換。

圖6 月球車的輪腿結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)換示意圖

3.2 多功能太陽能電池板

月球的自轉(zhuǎn)引起月面的晝夜變化。月球上一天的時間，大約相當于地球上的27 d略多。因此，月球晝夜間隔大約相當于地球上的14 d。也就是說，登上月球以后的月球車，最多可以連續(xù)工作14 d，進入月夜以后，它由于無法通過光能發(fā)電，進入休眠狀態(tài)。14 d后，又能自動醒來。

為了盡可能多地吸收太陽能轉(zhuǎn)化為能量，日間月球車會伸展雙翼盡量擴大自己與外界的接觸面積，但到了寒冷的夜晚，過大的接觸面積同樣會加快月球車的熱量損失，因此，夜晚的月球車將接觸面積減到最小。

太陽能是月球上主要的可利用能源，如何能最大限度的收集和利用太陽能一直都是設計月球車的重大課題。采用感光性太陽能電池板作為收集和提供能源的裝置，可以根據(jù)太陽的位置改變相應的角度，以保證最佳能量收集狀態(tài)，另外由于月球上晝夜間隔比地球長得多，大概相當于地球的14d，因此感光太陽能電池板也能起到黑夜預警的作用，保證當月球進入黑夜時使月球車停止工作。太陽能電池板的工作過程見圖7。為了便于運輸，電池板在收縮時還可以起到車身外殼的作用，不但減小了月球車的總體積，而且對車身上的工作儀器起到保護作用。

3.3 車身翻轉(zhuǎn)自救功能

月球上的重力很小，車輛顯得很輕，因此很容易翻。重力減小的同時，車輛和月面的摩擦力也減小了，對車輛的控制會變得很困難。加上月面的地形復雜，浮塵又很厚。這些因素都使得車輛在月球上運動時變得十分不穩(wěn)定。車輛很容易翻倒。很多月球車通過探測掃描等方式避免讓月球車翻倒，該車專門設計了車身翻轉(zhuǎn)自救功能。

如圖8所示，車身可以繞車架在垂直方向旋轉(zhuǎn)180°，因為采用輪腿混合結(jié)構(gòu)的行駛系統(tǒng)，如果月球車不慎翻倒，如圖8所示a，這時小車的6條腿都會朝上，腿可以橫擺和升降，通過攝像頭的輔助支撐作用，使6腿翻轉(zhuǎn)將車身車架撐起（圖8b）。然后再將車上工作儀器收起，包括太陽能電池板，然后開始翻轉(zhuǎn)（圖8c）。翻轉(zhuǎn)完成后，打開工作儀器，開始新的工作，完成自救（圖8d）。

圖7 月球車展開過程及隨太陽位置變化角度

圖8 月球車翻轉(zhuǎn)自救過程

4 總結(jié)

本文基于Inventor軟件所建立的探月小車三維模型，對這種輪腿混合式探月小車進行了概念設計。此探月小車概念設計的創(chuàng)新點有3個方面：1）采用輪腿混合行駛系統(tǒng)，增強了越障能力和通過性；2）多功能太陽能電池板，可隨著太陽的位置改變相應的角度，增大光照面積，以達到最大采集能量的目的；3）可旋轉(zhuǎn)車身，在小車不慎翻倒的情況下通過車身的翻轉(zhuǎn)進行自救。但本設計仍處于概念設計初級階段，還需進行更如入的研究。

［1］ 濮良貴,紀名剛.機械設計 ［M］.北京： 高等教育出版社,2006.5.

［2］ 陳家瑞.汽車構(gòu)造［M］.北京：機械工業(yè)出版社,2009.2.

［3］劉淑軍,管西強,李遙,杜三虎.松軟土壤上月球車仿真驅(qū)動能力的研究［J］.機械設計與研究，2010（2）：43－46.