月球營地機(jī)器人設(shè)計(jì)

陳子軒

摘要：隨著空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們渴望探索宇宙。而探索月球是我們探索宇宙的第一步。探索月球最重要的一步就是建立月球基地。針對(duì)以上情況，我們制作了一款月球營地機(jī)器人一嘯月號(hào)，它主要由太陽能收集模塊、回轉(zhuǎn)模塊、機(jī)械臂模塊、履帶自適應(yīng)移動(dòng)模塊、斗輪資源采集模塊、資源儲(chǔ)藏模塊、驅(qū)動(dòng)模塊等部分組成。各個(gè)模塊共同運(yùn)行，協(xié)同完成搭建基地和日?；鼐S護(hù)工作。該機(jī)器人除幫助搭建月球基地之外，也可為宇航員提供工作上的便利。

關(guān)鍵詞：月球車月球營地創(chuàng)新機(jī)械力學(xué)分析

中圖分類號(hào)：TB47

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2020）06-0011-03

Abstract： With the development of space science and technology， peopleare eager to explore the universe And exploring the moon is the first step in ourexploration of the universe The most important step in exploring the moon is toestablish a lunar base In view of the above situation， we made a lunar camp robotXiao Yue， which is mainly composed of solar energy collection module， rotarymodule， robotic arm module， crawler adaptive mobile module， bucket wheelresource acquisition module， resource storage module， drive module and otherparts Each module runs together to complete the construction of the base and thedaily maintenance of the base In addition to helping build a lunar base， the robotcould also be useful for astronauts

Keywords：lunarrover Mooncamp Innovation Machinery Mechanicsanalysis

引言

隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)月球有了越來越濃厚的興趣，但開發(fā)程度仍只停留在表面階段。近年來我國航天技術(shù)不斷發(fā)展，在空間領(lǐng)域科學(xué)也加大了研究力度。在各航天大國太空競爭日益激烈的情況下，建立月球基地、進(jìn)行月球探測必將成為我國的重要空間發(fā)展戰(zhàn)略。建立月球基地不但需要依靠宇航員的指引，也免不了需要機(jī)器人的協(xié)助，但月球機(jī)器人較于普通機(jī)器人需要面臨更多更大的難題，比如月球的重力溫差等環(huán)境條件。因此目前的月球機(jī)器人種類依舊較少，大多數(shù)月球機(jī)器人的作用也僅為月球表面勘測，對(duì)宇航員工作并沒有什么幫助。對(duì)于這一問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了月球營地機(jī)器人一嘯月號(hào)，該機(jī)器人除幫助搭建月球基地之外也可為宇航員提供工作上的便利，如圖1。

一、項(xiàng)目意義

針對(duì)月球基地搭建復(fù)雜而困難、宇航員生活不便的問題，我們?cè)O(shè)計(jì)的月球營地機(jī)器人具有移動(dòng)靈活、可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工作、結(jié)構(gòu)緊湊高效等優(yōu)點(diǎn)。

我們的月球營地機(jī)器人能夠完成多項(xiàng)工作，能夠滿足搭建月球基地、維護(hù)保養(yǎng)月球基地以及協(xié)助宇航員日常工作等需求。其特殊性在于：

1.裝配有高效的采礦斗輪機(jī)構(gòu)，可以自主改造適宜居住的地形條件。

2.機(jī)械臂的連接方式能實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的整體協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)與單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，可根據(jù)搭建基地的實(shí)際情況自行調(diào)節(jié)工作模式。

3.整體結(jié)構(gòu)利用回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將底部和上部連接，增大月球車移動(dòng)和搭建工作的協(xié)同調(diào)節(jié)能力，可適應(yīng)不同場合的使用要求。

此月球車的設(shè)計(jì)不僅減小了月球基地的搭建難度，還可以減少宇航員的工作負(fù)擔(dān)，為實(shí)現(xiàn)人類探索居住月球的計(jì)劃提供了有效的實(shí)現(xiàn)手段，為月球營地機(jī)器人設(shè)計(jì)人員提供了新的設(shè)計(jì)思路，促進(jìn)月球營地機(jī)器人的發(fā)展。

二、項(xiàng)目研究內(nèi)容

1.太陽能收集模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：平面展開，能夠最大程度地接收太陽光，多曲柄滑塊機(jī)構(gòu)能夠控制太陽能板的張開與閉合，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能板的保護(hù)，同時(shí)在工作時(shí)收起減少占地。

2.機(jī)械臂轉(zhuǎn)換模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：機(jī)械臂主要有執(zhí)行和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并且由控制模塊進(jìn)行控制。設(shè)計(jì)多自由度使其具有更好的靈活性，便于在不同角度與位置完成工作。巧妙地運(yùn)用半齒輪結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)抓取機(jī)械臂和螺栓裝配機(jī)械臂的轉(zhuǎn)換，在不同的工作需求下保持不同的工作狀態(tài)。

3.機(jī)械臂模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：機(jī)械臂巧妙運(yùn)用電動(dòng)推桿實(shí)現(xiàn)伸縮抓取等功能。有反應(yīng)快，驅(qū)動(dòng)力較大，信號(hào)的檢測處理便捷，控制方式多樣等優(yōu)點(diǎn)。

4.三角履帶模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：三角履帶模塊是為了更好地適應(yīng)近代月球?qū)Ω咄ㄟ^性與高機(jī)動(dòng)性等苛刻性能的要求，融合了輪胎與履帶行走機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，是一種集成式機(jī)械總成。最大的特點(diǎn)是全地形越野、行走。

三、可行性分析

月球營地機(jī)器人一嘯月號(hào)所涉及的原理并不復(fù)雜，主要是一些基本的機(jī)械傳動(dòng)（齒輪傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、絲桿螺母、導(dǎo)軌、曲柄滑塊等）因此從技術(shù)層面上來說，月球營地機(jī)器人一嘯月號(hào)是可以實(shí)現(xiàn)的。

機(jī)器人肢體采用鋁合金，受溫度變化影響小、耐腐蝕性能優(yōu)良，還具有加工難度低、成品穩(wěn)定等特點(diǎn)，還可以在表面進(jìn)行噴鍍、電鍍、焊接等二次加工，可以使成本降低，并且保證強(qiáng)度，使機(jī)器人輕量化，降低能耗。可以很好地適應(yīng)月球環(huán)境的重力輻射等條件。

機(jī)械臂上的機(jī)械手爪采用特殊合成碳化硅，耐磨性極高，不易損壞。在機(jī)械手指上還套了一層合成橡膠，增加手指的摩擦力，便于抓取物體。綜上，設(shè)計(jì)在材料選擇上合理可行，如圖2。

設(shè)計(jì)的月球車整體主要由兩部分組成，兩部分之間由行星輪系組成的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接。實(shí)現(xiàn)在整體協(xié)同工作的前提下上下兩部分有自己的獨(dú)立性，可以做到高效率的工作。

為了滿足搭建基地的功能要求，月球車裝備了多功能可轉(zhuǎn)換式機(jī)械臂。車尾裝置的斗輪可以實(shí)現(xiàn)資源采集和改造地貌的功能。底部的自適應(yīng)三角履帶可以根據(jù)地面條件的不同而改變形狀，對(duì)各種路況都有著高適應(yīng)性。月球車頂部的太陽能收集模塊則為整體工作提供動(dòng)力來源。

（一）太陽能收集模塊設(shè)計(jì)，如圖3

太陽能收集模塊是月球車整體的動(dòng)力來源，是整個(gè)月球車最重要的模塊之一?？紤]到月球表面太陽能的分布特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)的太陽能板能隨著日光移動(dòng)而改變吸收角度，從而實(shí)現(xiàn)更多的能量轉(zhuǎn)換作為動(dòng)力來源。

太陽能收集模塊主要由可折疊機(jī)構(gòu)以及多曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組成，配合工作完成。多曲柄滑塊機(jī)構(gòu)通過中心的螺桿提供動(dòng)力，螺桿升起推動(dòng)滑塊，使曲柄運(yùn)動(dòng)從而使太陽能板展開。在工作時(shí)，太陽能板可以收起，起到對(duì)太陽能板的保護(hù)作用。

（二）機(jī)械臂轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)，如圖4、5

為了滿足搭建基地的工作多樣化需求，能夠在不同工作條件下轉(zhuǎn)換不同的機(jī)械臂，從而完成不同的工作，設(shè)計(jì)了半齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，提高月球車的功能適應(yīng)性。由于搭建基地要考慮到整體的建造要求，機(jī)械臂的整體自由度設(shè)計(jì)為3，便于機(jī)械臂的工作。

1.螺栓裝配機(jī)械臂設(shè)計(jì)，如圖6

月球基地骨架的搭建連接處需要螺釘?shù)墓潭?，所以我們的月球機(jī)器人需要有自主加固螺栓的功能。螺栓的加固要做到牢固精準(zhǔn)，故設(shè)計(jì)了此模塊。

螺栓裝配機(jī)械臂主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。機(jī)械臂的多自由度設(shè)計(jì)使其具有更好的靈活性，便于在不同角度與位置完成復(fù)雜工作。組裝接頭由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，高效穩(wěn)定的加固骨架連接。機(jī)械臂整體由傳感器和無線電控制，保證整體工作的精準(zhǔn)性。

2夾持裝配機(jī)械臂設(shè)計(jì)，如圖7

月球基地的整體骨架搭建完成后，需要將板材安裝固定在合適位置。用夾持機(jī)械臂將板材夾持移動(dòng)到安裝處，為下一步固定做準(zhǔn)備工作。

夾持裝配機(jī)械臂由連桿機(jī)構(gòu)和電機(jī)組成。電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)連桿工作，連桿收縮帶動(dòng)機(jī)械爪夾緊。機(jī)械臂夾持器，支持單夾持、夾持和手腕旋轉(zhuǎn)兩種工作方式。

（三）斗輪資源采集模塊設(shè)計(jì)，如圖8

月球車設(shè)計(jì)有斗輪采礦結(jié)構(gòu)。可以在月球表面收集礦物進(jìn)行化學(xué)分析。也可以用來改造地形，自行挖掘創(chuàng)造出適宜居住的地貌條件，給月球基地提供一定的保護(hù)措施。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)臂架回轉(zhuǎn)或上下運(yùn)行，礦料被切割成整齊的梯形斷面。臂架與斗輪協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)取料功能。礦物經(jīng)卸料板卸至傳送履帶上并且反向運(yùn)行，通過中心漏斗卸至資源儲(chǔ)藏模塊。

1資源儲(chǔ)藏模塊設(shè)計(jì)，如圖9、10

月球車底部設(shè)置有快門結(jié)構(gòu)，可以迅速地儲(chǔ)存斗輪采集的月球礦物資源，便于之后的科學(xué)研究等工作。礦物被傳送履帶運(yùn)輸至中心處下面的漏斗卸至快門機(jī)構(gòu)，快門打開，物料進(jìn)入儲(chǔ)藏空間。

快門機(jī)構(gòu)由類曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組成。基本構(gòu)成有機(jī)架、曲柄、連桿、滑塊。整體機(jī)構(gòu)將連桿的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而完成快門的開閉行為。

（四）回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖11、12

整體結(jié)構(gòu)利用回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將底部和上部連接，增大月球車移動(dòng)和搭建工作的協(xié)同調(diào)節(jié)能力，可適應(yīng)不同場合的使用要求。實(shí)現(xiàn)在整體協(xié)同工作的前提下上下兩部分有自己的獨(dú)立性，可以做到高效率的工作。

在月球車上下部連接處是由行星輪組成的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的外殼被安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，齒輪與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的內(nèi)圈座形成內(nèi)嚙合。小齒輪既可繞自身的軸線自轉(zhuǎn)，又可繞轉(zhuǎn)臺(tái)中心線公轉(zhuǎn)，當(dāng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)作時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)就相對(duì)底架進(jìn)行回轉(zhuǎn)。月球車底盤與上部體可以做相對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)部分可以協(xié)同工作時(shí)又做到獨(dú)立工作，增加了月球車工作性能與效率。

（五）底部設(shè)計(jì)，如圖13

月球車底部采取發(fā)動(dòng)機(jī)前置前驅(qū)的方式，將發(fā)動(dòng)機(jī)橫向布置，與設(shè)計(jì)緊湊的變速驅(qū)動(dòng)橋相連。省略傳動(dòng)軸裝置，減輕了車重，結(jié)構(gòu)比較緊湊;有效地利用了發(fā)動(dòng)機(jī)室的空間，并有利于降低地板高度，動(dòng)力傳遞效率高，提高了月球車行駛時(shí)的操縱穩(wěn)定性和制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性;簡化了后懸架系統(tǒng);在月球表面松軟的土地上行駛時(shí)，靠前輪牽拉車身，有利于保證方向穩(wěn)定性。

差速器可以使兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪能以不一樣的速度進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。該裝置由左右半軸齒輪、兩個(gè)行星齒輪及齒輪架組成。當(dāng)月球車需要轉(zhuǎn)彎或在崎嶇地區(qū)行駛時(shí)，兩側(cè)車輪以不同速度滾動(dòng)，可以調(diào)整兩側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速差，這就確保兩側(cè)驅(qū)動(dòng)車輪作純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

1傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖14、15

月球車采用電機(jī)和定軸齒輪系傳動(dòng)的方式進(jìn)行行駛驅(qū)動(dòng)，簡化了月球車的行駛過程。動(dòng)力利用太陽能和電池中儲(chǔ)存的電能，可以高效完成搭建月球基地工作。

運(yùn)用齒輪傳動(dòng)能保證瞬時(shí)傳動(dòng)比的恒定，傳動(dòng)平穩(wěn)性好，傳遞運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠。傳遞的功率和速度范圍大，其傳動(dòng)時(shí)圓周速度可達(dá)至300m/s。傳動(dòng)效率高，一般傳動(dòng)效率=0.94～0.99。結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，壽命長。月球車采用設(shè)計(jì)正確、制造精良、潤滑維護(hù)良好的齒輪傳動(dòng)，預(yù)計(jì)可使用數(shù)年乃至數(shù)十年。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用Y80M2-2或者Y905-2電機(jī)，馬力以及轉(zhuǎn)速滿足月球車要求，額定電流低于太陽能板的供電上限，可以完成工作，如圖16。

2.三角履帶移動(dòng)模塊設(shè)計(jì)，如圖17

三角履帶機(jī)構(gòu)由輪子，骨架和履帶三部分組成，每部分之間由轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。它是由履帶、三角支架、驅(qū)動(dòng)輪、支撐輪、漲緊輪、還有防側(cè)翻、連接盤裝置組成。本裝置的履帶輪采用橡膠材質(zhì)，橡膠履帶適合高速行駛，質(zhì)量較輕，適用于月球的地貌條件。

月球表面有很多凹凸不平的地貌以及石塊等障礙物，在月球車經(jīng)過這樣的路況時(shí)，三角履帶可以通過自適應(yīng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行一定范圍內(nèi)的適當(dāng)?shù)淖冃?，變形程度隨著障礙物的大小而變化，履帶輪可以調(diào)整一定角度直到適宜月球車行駛。位于上方的為驅(qū)動(dòng)輪，位于下方貼近地面布置的為履帶輪。三角履帶提高了承載能力，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，其對(duì)地形復(fù)雜地區(qū)適應(yīng)能力強(qiáng)，但是變形部分強(qiáng)度要求高，增加變形隨之自由度增加，機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性高，成本低，應(yīng)用廣;其具有可預(yù)期的穩(wěn)定作用。

四、整體創(chuàng)新點(diǎn)

（一）功能創(chuàng)新：

1.設(shè)計(jì)出一種可以在月球?qū)崿F(xiàn)搭建基地、維護(hù)基地以及輔助宇航員日常生活等功能的月球車，為未來探索月球的進(jìn)程提供了新的思路。

2.模塊化思想貫穿本裝置的設(shè)計(jì)，太陽能儲(chǔ)存模塊提供動(dòng)力來源，機(jī)械臂轉(zhuǎn)換模塊可適應(yīng)不同的搭建條件，斗輪模塊可以改造適宜月球地貌條件也可同時(shí)進(jìn)行資源勘探，上部與底部的連接方式與行星輪機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的整體協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)與單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，可根據(jù)使用者的要求自行調(diào)節(jié)工作模式，自適應(yīng)三角履帶模塊可以很好地適應(yīng)月球上的各種地形。即一套裝置即可協(xié)同實(shí)現(xiàn)在月球上搭建基地的任務(wù)。

3.整體運(yùn)動(dòng)采用前置前驅(qū)運(yùn)動(dòng)方式，具有較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)能力。減輕了車重，結(jié)構(gòu)緊湊，動(dòng)力傳遞效率高，提高了月球車的方向穩(wěn)定性。

4.太陽能板完全展開后能夠形成完整的表面，實(shí)現(xiàn)最大化收集太陽輻射能量，為機(jī)器人的日常工作提供充足能源。

5.多功能模塊機(jī)械臂設(shè)計(jì)，便于夾緊工件的同時(shí)可進(jìn)行鉚接操作，提高建造月球基地的效率。

（二）機(jī)構(gòu)創(chuàng)新：

1.類曲柄滑塊機(jī)構(gòu)：利用曲柄和滑塊來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)相互轉(zhuǎn)換，將其用于太陽能板的展開與收攏，能夠更好地保護(hù)太陽能板。

2.多自由度機(jī)械臂：本裝置通過并聯(lián)伸縮機(jī)構(gòu)、擺桿機(jī)構(gòu)等的連動(dòng)組合，機(jī)械臂主要有執(zhí)行和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并且由控制模塊進(jìn)行控制。設(shè)計(jì)了多自由度，便于在不同角度與位置完成復(fù)雜工作。

3.回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：月球車底盤與上部體可以做相對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)部分可以協(xié)同工作時(shí)又做到獨(dú)立工作，增加了月球車工作性能與效率。

4.齒輪組傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：采用電機(jī)和定軸齒輪系傳動(dòng)的方式。簡化了月球車的行駛過程。

5.全地形自適應(yīng)三角履帶機(jī)構(gòu)：自適應(yīng)三角履帶機(jī)構(gòu)兼具輪式機(jī)構(gòu)與履帶機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，既具有穩(wěn)定的行駛性能，同時(shí)具有高效的跨越障礙的能力，適應(yīng)月球崎嶇路面能力強(qiáng)。

續(xù)語

該月球營地機(jī)器人能在搭建月球營地和日常維護(hù)等工作中起到重大作用，可以便捷宇航員的日常工作與生活。裝置原理可行，生產(chǎn)材料易獲取，有利于其廣泛生產(chǎn)使用，在月球探索的科學(xué)研究中可以起到重大助力作用。

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