一種火星車移動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

宗　魏，肖　杰，丁亮亮，楊曉青

(1.上海市空間飛行器機(jī)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201108；2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201108)

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一種火星車移動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

宗魏1,2，肖杰1,2，丁亮亮1,2，楊曉青2

(1.上海市空間飛行器機(jī)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201108；2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201108)

摘要：針對(duì)火星車系統(tǒng)構(gòu)型、車輪和驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)展開了優(yōu)化設(shè)計(jì)，建成通過能力較強(qiáng)的新型移動(dòng)系統(tǒng)。通過單輪臺(tái)架試驗(yàn)和整車性能試驗(yàn)，驗(yàn)證了新型火星車移動(dòng)系統(tǒng)在行進(jìn)、爬坡、越障和蠕動(dòng)能力方面均能滿足使用的要求。

關(guān)鍵詞：火星車；移動(dòng)系統(tǒng)；設(shè)計(jì)與分析

0引言

火星探測(cè)一直是世界各國(guó)所熱衷研究的航天項(xiàng)目。美國(guó)成功登陸火星的三代火星車“索杰娜”、“勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)”和“好奇號(hào)”均采用了六輪搖臂式移動(dòng)系統(tǒng)，質(zhì)量分別為11.5 kg、170 kg和899 kg?；鹦擒圀w積和質(zhì)量逐漸增大，行走能力和地形適應(yīng)性也逐漸增強(qiáng)，但同時(shí)給運(yùn)載系統(tǒng)和著陸系統(tǒng)帶來(lái)了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。美國(guó)國(guó)家航空航天局突破性地采用“空中吊車”技術(shù)，將“好奇號(hào)”送上了火星?！昂闷嫣?hào)”的大車輪使其在火星表面如履平地，可跨過0.5 m的物體，并且每個(gè)車輪配備防滑釘，確保車輛可以在松軟的沙子上行駛[1-5]。中國(guó)在探月工程中已經(jīng)成功使用腿式著陸器，將“玉兔號(hào)”月球車送上了月球，開展了月面巡視探測(cè)，而更遠(yuǎn)距離的火星到達(dá)和著陸更具挑戰(zhàn)。本文在中國(guó)現(xiàn)有運(yùn)載能力和著陸技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究適應(yīng)火星環(huán)境的新型移動(dòng)系統(tǒng)，開展200 kg左右火星車的新型移動(dòng)系統(tǒng)的方案優(yōu)化。主要通過結(jié)構(gòu)構(gòu)型的優(yōu)化，增強(qiáng)火星車的行走能力，使之能夠滿足中國(guó)火星探測(cè)的需求 。

1新型火星車移動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

火星表面地形崎嶇，堆積物大小混雜，不同尺寸巖石遍布，多具棱角狀。而且由于塵暴影響，局部地區(qū)承壓性能差?；鹦擒囆枰邆?0°爬坡、350 mm越障以及擺脫沉陷的能力，以適應(yīng)火星地形環(huán)境。

1.1新型火星車移動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計(jì)

圖1　新型火星車移動(dòng)系統(tǒng)

新型火星車移動(dòng)系統(tǒng)由3組相同的模塊化部件組成，每個(gè)部件由車輪、連桿機(jī)構(gòu)、行進(jìn)關(guān)節(jié)、轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)和擺腿關(guān)節(jié)等組成，如圖1所示。

一體化車輪支撐火星車載荷，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞到車輪，通過車輪與火星土壤相互作用提供移動(dòng)的牽引力。行進(jìn)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)車輪的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)左、右轉(zhuǎn)向。擺腿關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)輪系的前擺和后擺，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)系統(tǒng)的蠕動(dòng)功能。連桿機(jī)構(gòu)連接火星車本體與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，平衡火星車本體姿態(tài)。

圖2　兩種連桿機(jī)構(gòu)受力分析

1.2車輪設(shè)計(jì)

以Bekker理論為基礎(chǔ)，結(jié)合中國(guó)行星探測(cè)的需求，初步篩選火星車車輪構(gòu)型，并通過單輪臺(tái)架試驗(yàn)，評(píng)價(jià)各車輪的牽引性能[8-9]。

圖3　剛性車輪滾動(dòng)受力圖

1.2.1車輪與地面作用分析

根據(jù)車輛地面力學(xué)的理論，剛性車輪底面與土壤接觸區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)的應(yīng)力，可分解為法線方向的正應(yīng)力和切線方向的剪應(yīng)力，車輪的滾動(dòng)受力情況如圖3所示。

圖3中，σ(θ)為車輪底面在接觸區(qū)域內(nèi)任一點(diǎn)P受到的正應(yīng)力，MPa，與地面垂線夾角為θ；τ(θ)為車輪在P點(diǎn)受到的剪應(yīng)力，MPa；W為施加在車輪上的垂直載荷，N；Tr為車輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，N·m；DP為車輪受到的掛鉤牽引力，N；ω為車輪滾動(dòng)角速度，rad/s；v為車輪前進(jìn)的線速度，m/s；r為車輪半徑，m；θm為車輪漸近角，(°)；剛性車輪的離去角很小，這里忽略。

對(duì)車輪建立力平衡方程，有如下關(guān)系式[8-10]：

(1)

(2)

1.2.2車輪轉(zhuǎn)矩分析

驅(qū)動(dòng)輪與土壤的相互作用可以分解為接觸面的正應(yīng)力與剪應(yīng)力，其中，剪應(yīng)力與車輪轉(zhuǎn)矩有關(guān)，只有當(dāng)驅(qū)動(dòng)給予車輪的轉(zhuǎn)矩不小于剪應(yīng)力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩時(shí)，車輪才能轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)矩公式如下[8-9]：

(3)

當(dāng)剛性車輪有棘爪時(shí)，轉(zhuǎn)矩為：

(4)

其中：Fp為土壤對(duì)棘爪的作用力，N；r為車輪半徑，m;b為車輪寬度,m;hb為棘爪高度，m。

Nφ=tan2(45+φ/2)，

其中：γs為土壤容重，g/cm3；q為法向壓力，kPa；Nφ為承載因數(shù)；c為內(nèi)聚力，kPa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)。

1.2.3車輪選型

不同種類車輪性能各異。剛性篩網(wǎng)輪質(zhì)量輕，可避免塵土的堆積存留，轉(zhuǎn)向阻力小，拖拽阻力小，但沉陷量較大；剛性殼體輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，地形適應(yīng)性強(qiáng)，但易堆積塵土；彈性篩網(wǎng)輪減振性能和行駛性能好，適合高速行駛，但軸向剛度差，質(zhì)量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

圖4　剛性殼體輪

對(duì)不同車輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析比較，從火星環(huán)境適應(yīng)性、結(jié)構(gòu)布局需求和可靠性方面考慮，結(jié)合火星車低速行駛和輕量化設(shè)計(jì)的需求，適合火星車車輪結(jié)構(gòu)方案的是剛性殼體輪，如圖4所示。車輪主要由輪輻、輪轂和胎面組成。

1.2.4臺(tái)架試驗(yàn)

測(cè)試車輪在不同參數(shù)(滑轉(zhuǎn)率、軸向載荷等)下的行駛性能，得到車輪行駛能力與不同運(yùn)動(dòng)參數(shù)的關(guān)系[10-12]。火星車車輪在7 kg和20 kg載荷條件下，臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果見表1和表2，車輪性能滿足行駛要求。

表1　7 kg載荷車輪臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

表2　20 kg載荷車輪臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

1.3驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖5　驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)樣機(jī)

國(guó)外成功開展行星探測(cè)的星球車輪系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)主要有3種形式：(Ⅰ)電機(jī)連接多級(jí)行星減速器。由于行星減速器環(huán)境適應(yīng)性寬、潤(rùn)滑方便、簡(jiǎn)單可靠和效率高，早在“月球車-1”、“月球車-2”中就已經(jīng)采用。(Ⅱ)電機(jī)連接諧波減速器。諧波減速器傳動(dòng)比高，傳遞扭矩大，能夠有效地減輕質(zhì)量，此方案在“阿波羅”系列中使用。(Ⅲ)電機(jī)連接行星減速器以及諧波減速器。此方案能夠?qū)崿F(xiàn)大的減速比，對(duì)電機(jī)扭矩需求小，美國(guó)“勇氣號(hào)”和“機(jī)遇號(hào)”均使用此方案。

2試驗(yàn)驗(yàn)證

圖6　火星車移動(dòng)系統(tǒng)性能試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

火星車移動(dòng)系統(tǒng)性能試驗(yàn)[14-18]，主要工況包括：30°爬坡試驗(yàn)、350 mm越障試驗(yàn)和蠕動(dòng)步態(tài)試驗(yàn)。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。

2.130°爬坡試驗(yàn)

在模擬火星環(huán)境試驗(yàn)場(chǎng)設(shè)置30°的坡度，測(cè)試移動(dòng)系統(tǒng)能否完成此坡度的爬行功能。測(cè)試速度為13.8 mm/s，每個(gè)車輪的最大電流如表3所示。

表3　30°爬坡試驗(yàn)數(shù)據(jù)

爬坡時(shí)，轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)與擺腿關(guān)節(jié)處于制動(dòng)狀態(tài)，6個(gè)行進(jìn)關(guān)節(jié)電流最大值為0.55 A，遠(yuǎn)小于電流閾值(1 A)，表明火星車30°爬坡時(shí)仍具有較大能力余量，可滿足火星著陸區(qū)域地形要求。

2.2350 mm越障試驗(yàn)

設(shè)置障礙高度為350 mm，驗(yàn)證火星車的越障能力。測(cè)試速度為13.8 mm/s，每個(gè)車輪的最大電流如表4所示。

表4　350 mm雙邊越障試驗(yàn)數(shù)據(jù)

越障時(shí)，轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)與擺腿關(guān)節(jié)處于制動(dòng)狀態(tài)，6個(gè)行進(jìn)關(guān)節(jié)電流最大值為0.61 A，小于電流閾值(1 A)，表明火星車具有足夠的越障能力，可越過高度為350 mm的石塊，在著陸區(qū)域內(nèi)安全行走。

2.3蠕動(dòng)步態(tài)試驗(yàn)

火星車擺腿關(guān)節(jié)結(jié)合行進(jìn)關(guān)節(jié)可實(shí)現(xiàn)蠕動(dòng)步態(tài)，用于軟土沉陷時(shí)的脫困，按照如圖7所示的前輪擺動(dòng)-中輪擺動(dòng)-后輪擺動(dòng)的時(shí)序進(jìn)行步態(tài)試驗(yàn),單個(gè)時(shí)序循環(huán)移動(dòng)系統(tǒng)從初始狀態(tài)前移距離s。測(cè)試行進(jìn)速度為0.4 mm/s，設(shè)置擺腿關(guān)節(jié)的速度為0.5°/s，每個(gè)車輪的最大電流如表5所示。

圖7　蠕動(dòng)步態(tài)試驗(yàn)圖

試驗(yàn)參數(shù)左前行進(jìn)右前行進(jìn)左中行進(jìn)右中行進(jìn)左后行進(jìn)右后行進(jìn)左前擺腿右前擺腿左中擺腿右中擺腿左后擺腿右后擺腿最大電流/A0.380.370.410.420.390.370.450.480.430.380.420.47行進(jìn)v/(mm/s)0.390.410.490.420.430.37擺腿v/(°/s)0.520.460.530.410.470.42

行進(jìn)車輪最大電流為0.42 A，擺腿車輪最大電流為0.48 A，小于電流閾值(1 A)，因此，當(dāng)遇到火星松軟路面沉陷時(shí)，火星車可通過蠕動(dòng)步態(tài)脫困。

火星車在30°爬坡試驗(yàn)、350 mm越障性能試驗(yàn)和蠕動(dòng)步態(tài)試驗(yàn)過程中，各項(xiàng)參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

3結(jié)束語(yǔ)

本文研究了一種新型的火星車移動(dòng)系統(tǒng)，具有前進(jìn)、轉(zhuǎn)向和蠕動(dòng)等功能。在中國(guó)現(xiàn)有的月球車基礎(chǔ)上，增加了蠕動(dòng)功能，具備了更強(qiáng)的越障能力?；鹦擒噾壹艿乃倪呅谓Y(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了火星車整體的穩(wěn)定性，提高了地面通過性能。通過臺(tái)架試驗(yàn)和整車試驗(yàn)，驗(yàn)證了行進(jìn)、爬坡、越障和蠕動(dòng)等能力能夠滿足火星車的需求。

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基金項(xiàng)目：上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)基金項(xiàng)目(12170700500)

作者簡(jiǎn)介：宗魏(1985-),女,江蘇宜興人,工程師,碩士,主要研究方向?yàn)樾乔蜍囅到y(tǒng)設(shè)計(jì).

收稿日期：2015-12-20

文章編號(hào)：1672-6871(2016)04-0015-05

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.04.004

中圖分類號(hào)：V19

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A