Cynthia-多功能月球營地機(jī)器人

趙天昊，喬靈鳳，彭竟儀

（武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢430070）

1 引言

目前，國際上各個(gè)國家都在籌劃著極區(qū)著陸，并提出了月球基地的設(shè)想。由于月球沒有大氣層，無法防止隕石的撞擊，所以造成了凹凸的月球表面。所以，最好的基地結(jié)構(gòu)形式就是洞穴，以現(xiàn)有的洞穴類月球基地假想作為基礎(chǔ)，在探月車成功登陸后，3D打印機(jī)器人將展開自動(dòng)化建造工作，堆疊出類似骨骼的高強(qiáng)度多孔結(jié)構(gòu)。

月球場地的特殊性使得傳統(tǒng)月球機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)部分很難在不影響正常行走的情況下對宇航員進(jìn)行輔助，無法在保障機(jī)器人安全性的同時(shí)高效、快速地采集樣品。因此可以看出，設(shè)計(jì)針對搭建營地的機(jī)器人具有十分重要的價(jià)值。

2 技術(shù)方案

2.1 總體設(shè)計(jì)

多功能月球營地機(jī)器人依據(jù)月球地形、月球重力、月球基地設(shè)想進(jìn)行有針對性的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，該機(jī)器人主要實(shí)現(xiàn)對月球營地的輔助搭建、樣品的采集、情況的勘測等功能，其整體模型如圖1所示。

圖1 多功能月球營地機(jī)器人

該機(jī)器人主要包括太陽能板展開模塊、輪腿結(jié)合行走模塊、多功能機(jī)械爪模塊、全方位監(jiān)控模塊以及仿太空船造型設(shè)計(jì)的外艙。太陽能板展開模塊由皮帶輪驅(qū)動(dòng)齒輪帶動(dòng)剪叉機(jī)構(gòu)完成太陽能板的上下運(yùn)動(dòng)，再由傘狀推桿將太陽能板展開拼接；輪爪結(jié)合行走模塊主要完成輪腿部分的切換，通過行星輪內(nèi)輪、輪轂嚙合行星輪外輪與輪胎外齒結(jié)合，并通過行星輪內(nèi)外的差速驅(qū)動(dòng)快門機(jī)構(gòu)，快門機(jī)構(gòu)將抓地爪推出，增大與地面的摩擦力，之后輪胎被摩擦片鎖死，由連桿驅(qū)動(dòng)四腿行走；多功能機(jī)械爪模塊由1個(gè)六自由度的機(jī)械臂、三爪機(jī)械爪和換刀盤組成，主要由電機(jī)帶動(dòng)齒輪的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)械臂三軸方向的運(yùn)動(dòng)，由不完全齒輪控制機(jī)械爪的抓取模式，機(jī)械爪可以抓取換刀盤上的各個(gè)工具進(jìn)行不同功能（推土、采樣、勘測等）的切換；全方位監(jiān)控模塊主要為裝在機(jī)器人頭部透明玻璃罩內(nèi)的攝像頭，可以全方位地檢測機(jī)器人周圍的情況并向地面?zhèn)骰刭Y料；機(jī)器各個(gè)部位都可以折疊或展開，折疊時(shí)體積縮至最小，呈現(xiàn)太空船的造型，對內(nèi)部各個(gè)模塊進(jìn)行保護(hù)，展開時(shí)實(shí)現(xiàn)各種功能，呈現(xiàn)月球車的外形，提高了工作效率。

2.2 太陽能板展開模塊

如圖1所示，太陽能板展開模塊主要由皮帶輪驅(qū)動(dòng)、升降驅(qū)動(dòng)齒輪組、剪叉升降機(jī)構(gòu)、太陽能板、傘狀推桿電機(jī)組成。由于探月飛船的空間利用率要求極高，對于太陽能板，展開面積與能量提供能力成正比，所以本機(jī)器人的太陽能板設(shè)計(jì)應(yīng)具有折疊的能力，以較小的空間獲得更多的能量。

當(dāng)機(jī)器人仍在飛船中時(shí)，太陽能板模塊剪叉機(jī)構(gòu)處于收縮狀態(tài)，傘狀推桿未撐開，整個(gè)模塊處于機(jī)器人外殼兩側(cè)的空間中。當(dāng)機(jī)器人檢測到已經(jīng)落地后，開始收集太陽能提供運(yùn)行能量，電機(jī)利用預(yù)備能量驅(qū)動(dòng)皮帶輪旋轉(zhuǎn)，皮帶輪帶動(dòng)剪叉機(jī)構(gòu)中的齒輪旋轉(zhuǎn)，齒輪通過鍵與剪叉機(jī)構(gòu)的下支撐桿配合，帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)剪叉梁，使剪叉機(jī)構(gòu)伸長，太陽能板整體上升至外部。剪叉升降機(jī)構(gòu)的上支撐桿與中間支撐塊固定，利用剪叉機(jī)構(gòu)的直線運(yùn)動(dòng)特性實(shí)現(xiàn)了太陽能板模塊的升降，上升至最高點(diǎn)后，傘狀推桿中的推桿伸長，通過連桿機(jī)構(gòu)將太陽能板展開至最大，完成太陽能板的升降與展開。

2.3 多功能機(jī)械爪模塊

多功能機(jī)械爪模塊主要由機(jī)械爪、換刀盤等部分組成，機(jī)械爪采用六自由度機(jī)械爪，折疊時(shí)可以緊貼車體底面，減少機(jī)械爪所占體積；機(jī)械爪前端采用仿車床三爪卡盤設(shè)計(jì)，適應(yīng)性強(qiáng)，同時(shí)每個(gè)機(jī)械爪個(gè)體可以單獨(dú)旋轉(zhuǎn)，可操作性增強(qiáng)；換刀盤部分采用斜齒輪錐形減速器驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，換刀盤有針對不同情況的各種刀具，用于適應(yīng)多種工作所需。

多功能機(jī)械爪模塊主要實(shí)現(xiàn)月球車的采樣及月球搭建功能，采樣功能主要由機(jī)械抓手與換刀盤部分實(shí)現(xiàn)，遇到需要采集的樣本時(shí)，首先由控制部分判斷如何采集樣品，如果樣品可直接采集，則采用機(jī)械爪將其采集；如果樣品不可直接采集，則通過月球車內(nèi)電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速器旋轉(zhuǎn)換刀盤使用鉆頭等工具對樣品進(jìn)行輔助采集，通過鉆頭鉆開樣品表面覆蓋物后，使用機(jī)械爪取出樣品。

2.4 全方位監(jiān)控模塊

全方位監(jiān)控模塊主要由透明保護(hù)罩、全方位攝像頭兩部分組成，透明玻璃罩主要防止在飛行時(shí)攝像頭被撞擊，攝像頭底采用齒輪轉(zhuǎn)盤完成對月球周圍任意角度的監(jiān)控和探測。攝像頭的作用為對月球環(huán)境進(jìn)行觀察并傳輸回系統(tǒng)中，所以攝像頭采用兩自由度設(shè)計(jì)，可在一定高度內(nèi)進(jìn)行180°的觀察。由于攝像頭對環(huán)境要求較高，所以攝像頭外設(shè)有透明玻璃層，其具有保護(hù)內(nèi)攝像頭的作用，同時(shí)透明玻璃層采用特種玻璃材料，具有有效抵擋各種射線的功能，提高了攝像頭的畫面?zhèn)鬏斈芰Α?/p>

2.5 行走模塊

驅(qū)動(dòng)模塊主要由底盤支架、輪腿驅(qū)動(dòng)模塊組成，底盤支架較高，可以有效避障。由于月球沒有大氣層，導(dǎo)致隕石直接撞擊月球表面，月球表面坑洞極多，同時(shí)碎石地等各種復(fù)雜地形大大增大了行走模塊的壓力，所以本項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了輪腿驅(qū)動(dòng)模塊。該模塊具有輪式和腿式兩種模式，輪式在適應(yīng)普通地形上具有一定優(yōu)勢，當(dāng)改變地形時(shí)，輪式變形，抓地爪伸出，以提高抓地力，可以用于適應(yīng)一般的地形模式；在遇到極其復(fù)雜的地形時(shí)，剎車片將車輪鎖死，采用推桿驅(qū)動(dòng)車輪腿式行走，適應(yīng)地形能力增強(qiáng)。

輪腿驅(qū)動(dòng)模塊由越野式車輪、行星輪組、快門機(jī)構(gòu)組成，越野式車輪的使用提高了月球車的適應(yīng)能力，車輪的驅(qū)動(dòng)依靠電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，車輪的換向主要通過左、右輪的差速實(shí)現(xiàn)。當(dāng)車體檢測到地形過于復(fù)雜時(shí)，車輪內(nèi)的行星輪內(nèi)圈通過電磁鐵吸引與輪轂配合，行星輪外圈一直與輪胎外圈配合，當(dāng)行星輪內(nèi)圈與輪轂內(nèi)圈配合時(shí)內(nèi)外輪形成差速，差速驅(qū)動(dòng)快門機(jī)構(gòu)推出著地爪，增加了抓地力，提高了越障能力。

2.6 樣品整理模塊

樣品整理模塊主要由兩個(gè)部分組成，分別為單向開合機(jī)構(gòu)與整理機(jī)構(gòu)。當(dāng)機(jī)械臂將機(jī)械爪伸入單向開合機(jī)構(gòu)中時(shí)，機(jī)械爪向內(nèi)松開樣品，樣品在單向開合機(jī)構(gòu)中留下，同時(shí)整理模塊旋轉(zhuǎn)，將樣品轉(zhuǎn)至收集盒中，隨后再次旋轉(zhuǎn)，將樣品集中。

2.7 控制模塊

機(jī)電一體化和智能控制已經(jīng)成為現(xiàn)今機(jī)械行業(yè)的發(fā)展趨勢，為實(shí)現(xiàn)撿球機(jī)器人各部分的正常有序工作，在機(jī)器人內(nèi)部安裝了控制模塊，其主要控制流程如圖2所示。

圖2 控制流程圖

3 結(jié)論

該機(jī)器人能取代目前的月球車，多種功能的結(jié)合減少了其他設(shè)備的投入，節(jié)省了資金成本。在實(shí)現(xiàn)功能的同時(shí)，提升了宇航員的舒適度。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高了機(jī)器人的適應(yīng)性，滿足了在月球表面行走、搭建營地、監(jiān)控勘測需求。該機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，各項(xiàng)數(shù)據(jù)分析均符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，安全可靠；機(jī)器人造型美觀，實(shí)用性強(qiáng)，在月球營地設(shè)想越來越被人們關(guān)注的今天，該機(jī)器人具有較為廣闊的應(yīng)用前景。