一種可跳躍的月面移動機器人系統(tǒng)設(shè)計

李 賀，王 禹，杜小振，曾慶良

（山東科技大學 機械電子工程學院，青島 266590）

引 言

月球蘊藏著許多人類所需要的資源和未解的秘密。通過對月球的探測和開發(fā)可以深化人類對月球及宇宙空間的認識，有利于推動國家航天技術(shù)的發(fā)展。但受到科學技術(shù)水平的限制一直未能進行大規(guī)模的探測、開發(fā)和利用，所以月球一直是各個航天大國開展深空探測的首要目標。

月面移動機器人是進行深空探測的重要工具。20世紀60年代起，人類開始利用月球車對月面巡視探測，例如前蘇聯(lián)的Lunokhod和美國“阿波羅”系列月球車[1-2]。美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Agency，NASA）提出的ATHLETE探測車采用運動足與車輪相結(jié)合的設(shè)計，既能實現(xiàn)月球車的升降，又能實現(xiàn)各個方位的運動，具有較強的靈活性[3]。哈爾濱工業(yè)大學學者基于自平衡能力與翻越障礙物能力等要求，設(shè)計了一種八輪式月球車，可應用于月面地形復雜的探測區(qū)域[4-5]。2000年，美國明尼蘇達大學研制了一款名為UMN Scout的輪式移動跳躍機器人，該機器人同時具有通過輪子運動和通過跳躍系統(tǒng)跳躍兩種功能，基本可以滿足月球探測的要求，但存在跳躍能力不夠高，不能自由調(diào)整跳躍姿態(tài)等不足[6]。日本東京工業(yè)大學Hideyuki Tsukagoshi等研制的Leg-in-Rotor機器人，同時具有輪式移動和氣動跳躍的功能，且運動靈活、機動性較高[5]。除此之外，載人月球車因其可搭載宇航員進行大范圍人工探測采樣活動，可完成高速移動、物資運轉(zhuǎn)與應急救援等重要工作，也成為深空探測活動的重要研究內(nèi)容[8-9]

由于月球表面地勢凹凸不平，傳統(tǒng)的月面機器人在月球表面工作時會遇到難以跨越的障礙，行動能力較差，給探測任務帶來了極大的挑戰(zhàn)[10]。而可跳躍的月面移動機器人對變形輪結(jié)構(gòu)以及越障性能進行了設(shè)計、分析和研究，使其同時具有移動和跳躍的能力[11-12]。其優(yōu)勢在于控制簡單、行動機構(gòu)簡潔，可以更好適應月面的地勢環(huán)境，比傳統(tǒng)的月面機器人具有更強的通行能力。其中變形輪和跳躍系統(tǒng)的結(jié)合是一種全新的設(shè)計方式，變形輪用于平地行走和跨越較為低矮的障礙，而跳躍系統(tǒng)則用于跨越使用變形輪也難以跨越的障礙，在遇到大小不一的障礙物時可以根據(jù)需要自行調(diào)整跨越方式。同時具備高速移動、爬坡和跳躍的功能，這使得該機器人的越障能力大大加強。該月面機器人的質(zhì)量和體積比較小巧，起跳角度和起跳高度可調(diào)節(jié)，空中穩(wěn)定性和落地后的穩(wěn)定性比較好，傾倒后可通過變形輪上的彈性緩沖架實現(xiàn)自動復位，在月面機器人領(lǐng)域具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 月面移動機器人總體設(shè)計方案

基于越障能力、輕量化、小型化、穩(wěn)定性和能源利用率等方面的要求，對機器人的整體機械結(jié)構(gòu)進行了分析與設(shè)計，使機器人同時具備移動與越障功能，使其具有運動靈活、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高的優(yōu)勢。機器人整體結(jié)構(gòu)呈對稱分布，如圖1所示，主要分為3個模塊：變形輪式行走機構(gòu)、起跳角度調(diào)節(jié)機構(gòu)和氣動跳躍機構(gòu)。變形輪式行走機構(gòu)主要由2個與車架相連的變形輪和安裝在內(nèi)軸車架上的驅(qū)動裝置組成。驅(qū)動裝置采用了直流伺服電機，通過兩組齒輪傳動系統(tǒng)驅(qū)動變形輪實現(xiàn)行走和變形，利用2個電機的正反轉(zhuǎn)可實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。由于只有一對輪轂，可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向更加靈活。安裝在外盤上的彈性緩沖架可避免機器人跳躍落地時，側(cè)面著地引起的剛性沖擊，可容易使傾倒后的機器人調(diào)整至水平狀態(tài)。起跳角度調(diào)節(jié)機構(gòu)通過角度調(diào)節(jié)電機控制曲柄連桿機構(gòu)，使氣缸轉(zhuǎn)動至合適的角度，改變跳躍方向，跨越障礙。氣動跳躍機構(gòu)中的儲氣瓶通過電磁閥控制給氣缸充氣，氣缸內(nèi)的氣體膨脹將氣缸桿推出，氣缸桿撞向月面，月面對氣缸桿產(chǎn)生反作用力使月面機器人跳起，通過改變電磁閥的工作狀態(tài)可控制跳躍高度[13-14]。

圖1 整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Overall structure diagram

鑒于月面地形環(huán)境的復雜性和多樣性，要想成功越過障礙則需要實時調(diào)節(jié)月面機器人的運動狀態(tài)，使其適應地形的變化。月面機器人共有3種運動狀態(tài)，如表1所示。

表1 月面機器人的三種運動狀態(tài)Table 1 Three motion states of the lunar robot

在地勢比較平坦的路面工作時，跳躍機器人的運動狀態(tài)與常規(guī)輪式越障機器人一致，具有移動速度快、承載能力強、運動穩(wěn)定性好的特點。在遇到小障礙物時，車輪由原先的整圓結(jié)構(gòu)變形為異形輪結(jié)構(gòu)。變形輪內(nèi)的行星齒輪組，通過控制輪轂轉(zhuǎn)動不同的角度從而使車輪直徑變大，來實現(xiàn)不同高度障礙物的爬越，使得月面機器人的越障能力大大提升。當遇到異形輪無法越過的大障礙物時，月面機器人通過啟動跳躍機構(gòu)越障。該月面機器人重心低于車輪中心軸線，保證機器人在跳躍落地后的穩(wěn)定性。輪轂上裝有彈性車圈，在機器人跳躍落地時起到一定的緩沖減振作用。

2 月面移動機器人移動系統(tǒng)

月面機器人依靠移動系統(tǒng)來完成大部分工作，所以其在整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計中顯得尤為重要。移動系統(tǒng)的設(shè)計目前趨向于以輪式、仿生腿式移動系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以復合式越障系統(tǒng)作為發(fā)展的重點。綜合分析現(xiàn)有的幾種移動系統(tǒng)的優(yōu)缺點（如表2所示），設(shè)計符合月面復雜地形的移動系統(tǒng)。

表2 典型移動系統(tǒng)的性能對比Table 2 Performance comparisons for typical mobile systems

2.1 機器人變形輪結(jié)構(gòu)設(shè)計

該機器人移動系統(tǒng)基于齒輪傳動方式，采用軸中軸和行星輪系傳動設(shè)計方法，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動效率高、傳動平穩(wěn)及工作壽命長等特點。移動系統(tǒng)采用軸中軸和行星輪系傳動設(shè)計，其基本原理如圖2所示，（a）（b）分別表示變形前和變形后車輪的兩種狀態(tài)。外盤與內(nèi)盤通過行星輪軸連接并固定在一起，內(nèi)盤與驅(qū)動軸的外軸采用一體化設(shè)計，外軸與齒輪傳動系統(tǒng)采用鍵連接。內(nèi)軸和外軸之間只有軸向固定，通過兩個電機分別控制，使兩軸可以相對轉(zhuǎn)動。電機通過齒輪傳動系統(tǒng)驅(qū)動外軸轉(zhuǎn)動，使內(nèi)盤轉(zhuǎn)動，進而控制變形輪移動實現(xiàn)越障功能。外盤通過軸承與驅(qū)動軸的內(nèi)軸連接，內(nèi)軸與中心齒輪和齒輪傳動系統(tǒng)都采用鍵連接，3個輪轂通過行星齒輪與中心齒輪連接，并通過軸承連接到行星輪軸上。電機通過齒輪傳動系統(tǒng)驅(qū)動內(nèi)軸轉(zhuǎn)動，進而使中心齒輪轉(zhuǎn)動。中心齒輪轉(zhuǎn)動時，3個輪轂會旋轉(zhuǎn)相同的角度，直到與外盤相接觸，此時電機持續(xù)提供轉(zhuǎn)矩，輪轂就會保持在變形狀態(tài)，實現(xiàn)車輪變形的功能。

圖2 變形輪結(jié)構(gòu)原理圖Fig. 2 Deformation wheel structure schematic diagram

2.2 變形輪強度仿真

由于該月面機器人工作環(huán)境的特殊性，必須保證其主要受力部件的強度，以保證工作正常進行。該月面機器人設(shè)計中變形輪是主要受力部件，為實現(xiàn)輕量化采用鋁合金材料，輪轂設(shè)計尤為關(guān)鍵。本文使用仿真分析軟件對車輪進行強度分析。車輪工作時與地面接觸，其受力情況較為復雜，結(jié)合機器人自身重量、變形輪結(jié)構(gòu)特征與月面弱引力場環(huán)境，利用SolidWorks Simulation對車輪連接桿和輪轂進行靜應力分析。分析結(jié)果如圖3所示，（a）（b）分別表示連接桿和輪轂的應力圖。從分析結(jié)果可以得出，輪轂的屈服應力為27.57 MPa，從圖3中可以看到連接桿的最大應力為17.07 MPa，輪轂的最大應力為0.125 MPa。設(shè)計時，考慮到月面環(huán)境的復雜工況和苛刻的環(huán)境要求，預留充足的安全裕度，以保證輪轂的強度和剛度滿足實際工作要求。

2.3 機器人變形輪越障能力分析

要提高機器人的越障能力，則需要從增加機器人的動力輸入和優(yōu)化機器人越障結(jié)構(gòu)兩方面出發(fā)。該月面機器人是通過優(yōu)化越障結(jié)構(gòu)以提高越障能力。對基于變形輪設(shè)計的越障設(shè)計方案進行了分析和討論，通過對單級臺階此類典型障礙翻越過程的分析[5]，對月面機器人的越障機理進行闡述。輪子的直徑越大，其越障能力就越強，其體積會更大、質(zhì)量更大，但結(jié)構(gòu)不允許，經(jīng)濟上也不允許。變形輪之所以能夠爬越障礙，就是因為車輪的變形使得爬越障礙的效果跟直徑大的車輪效果相當。變形輪在爬越障礙時的受力如圖4所示。

圖3 變形輪輪轂分析結(jié)果Fig. 3 Analysis result of deformation wheel’s hub

圖4 變形輪的受力分析圖Fig. 4 Stress analysis diagram of deformation wheel

在變形輪爬越障礙的靜態(tài)過程中列平衡方程為

其中：M0為總力矩；G為變形輪重力；L為變形輪中心到臺階的水平距離；FX與FY分別表示水平和垂直方向的力；Fnr為變形輪法向力；Fnt為變形輪切向力。

根據(jù)平衡方程式（1），可求得變形輪的法向力和切向力分別為

該月面機器人的輪轂和障礙物接觸面的摩擦力設(shè)置為f= 0.6。當Fnr×f≥Fnt時，變形輪依靠摩擦力越過障礙，此時θ≤ 31°。而在實際情況下，輪轂上的橡膠輪有紋理，使變形輪和障礙物的摩擦力大于計算值，故實際中變形輪可以爬越傾斜度稍大于31°的障礙物。在變形后車輪的直徑D= 600 mm，形成的葉輪角θ小于30°滿足越障要求。通過計算可知，在理想情況下，可以爬越最高300 mm的障礙物。

3 月面移動機器人跳躍系統(tǒng)

通過分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀得知，月面機器人跳躍系統(tǒng)的整體方案設(shè)計應符合以下要求：具有優(yōu)良的跳躍能力，在月球表面的跳躍高度應在0.5 m以上；可實現(xiàn)0 ～ 60°起跳角度調(diào)節(jié)范圍；保證騰空和落地時的穩(wěn)定性；月面機器人傾倒后可自動復位等[15-16]。

3.1 機器人跳躍機構(gòu)設(shè)計

月面機器人在巡視探測過程中，將會面對各種各樣的月面地表特征，這就需要改變起跳角度和跳躍高度以跨越不同高度、不同大小的障礙物與隕石坑。表3綜合分析了現(xiàn)有儲能彈簧式、燃爆式及氣動式3種跳躍系統(tǒng)的優(yōu)缺點。儲能彈簧式跳躍系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單且便于控制，但對機器人的整體質(zhì)量與體積有一定的要求，當整體質(zhì)量過大時彈跳性能較差。燃爆式跳躍系統(tǒng)通過點燃氣體產(chǎn)生巨大的氣壓驅(qū)動機器人完成跳躍動作，具有爆發(fā)性強、可復位且功率較大的特點。但考慮到月面環(huán)境沒有氧氣助燃且燃爆具有一定危險性，所以不適用于月面環(huán)境。氣動式跳躍系統(tǒng)具有能量利用率高、反應靈敏及廢氣處理方便等優(yōu)點。與前兩種方案相比氣動驅(qū)動更加方便輕巧，適合應用于月球車驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域。結(jié)合月球表面特殊的地形地質(zhì)及環(huán)境特點，選擇氣動驅(qū)動方式作為月面機器人的跳躍系統(tǒng)具有較高的可行性。如圖5所示，跳躍機構(gòu)固定在主車架上，儲氣瓶是動力源，氣缸為執(zhí)行元件。在越障的過程中會遇到大小不同的障礙物，需要電機控制曲柄連桿使氣缸傾斜一定的角度越障?？紤]到三角形穩(wěn)定性該機器人采用3個氣缸設(shè)計，使其在跳躍過程中具有良好的起跳穩(wěn)定性。但每次跳躍都會損失一部分氣體，由于月球表面沒有空氣無法為儲氣瓶補充氣體，跳躍次數(shù)是有限的。所以需要使用變形輪越過較為平坦的地形，只有出現(xiàn)極限工況或遇到極端情況時，才啟動使用跳躍系統(tǒng)。

表3 典型跳躍系統(tǒng)的性能對比Table 3 Performance comparisons for typical jump systems

圖5 跳躍機構(gòu)示意圖Fig. 5 Jumping mechanism diagram

月面機器人整個跳躍過程如圖6所示，總體分為準備起跳階段、飛行階段、落地階段3部分。準備起跳階段（圖6中A所示）：電機驅(qū)動曲柄連桿機構(gòu)帶動氣缸，使氣缸傾斜合適的角度以適應不同的障礙物。電磁閥打開通過儲氣瓶給氣缸充氣，氣體膨脹將氣缸桿推出，氣缸桿撞向月面，月面對機器人產(chǎn)生反作用力，使月面機器人跳起，跳躍高度可通過電磁閥的工作時間控制。電磁閥工作時間越長，氣缸內(nèi)儲存的氣體越多，則跳躍高度越高（如圖7所示）。飛行過程（圖6中B、C和D所示）：起跳完成后，電機再次驅(qū)動曲柄連桿機構(gòu)使氣缸傾斜一定的角度復位，避免機器人落地時與地面接觸損壞氣缸桿，同時打開氣缸排氣口，由于月球表面沒有空氣，氣缸內(nèi)的氣體會由于氣壓高于外界而自動排出，氣缸桿收回氣缸內(nèi)。落地過程（圖6中E所示）：落地時，兩個變形輪接觸地面，變形輪表面有減震材料，減震材料接觸月面時產(chǎn)生緩沖效果，避免機器人整體結(jié)構(gòu)的損壞，保護機器人中的精密電子元件和科研設(shè)備。變形輪兩邊的彈性緩沖架結(jié)構(gòu)可以使月面機器人在側(cè)面傾斜落地時自動恢復至水平位置。由于該月面機器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的重心較低，使其在落地時也可保持較好的穩(wěn)定性。

圖6 跳躍過程示意圖Fig. 6 Jump process diagram

圖7 氣缸內(nèi)部受力簡圖Fig. 7 Diagram of the internal forces in cylinder

3.2 機器人跳躍能力計算評估

綜合考慮該月面機器人的工作環(huán)境、剛度強度與質(zhì)量要求等特征，主體材料選用的是經(jīng)熱處理預拉伸工藝生產(chǎn)的高品質(zhì)6061鋁合金，該月面機器人主體材料選用6061鋁合金，經(jīng)計算可得跳躍系統(tǒng)的質(zhì)量為5.926 kg，變形輪的質(zhì)量為6.822 kg，因為需要為安裝攝像頭、太陽能電池、電機等工具預留出5 kg質(zhì)量，所以月面機器人的總體質(zhì)量約為18 kg。由于氣缸是產(chǎn)生跳躍的基本裝置，需對其進行計算分析。氣缸桿受到壓縮氣體的壓力大小為

其中：F為氣缸桿受到的壓力大??；P1為氣缸上部分的氣壓；P2為氣缸下部分的氣壓；S為氣缸桿活塞的有效面積。

月球表面沒有空氣，所以氣缸桿下部分的壓強P2為0。跳躍時與地面的沖擊忽略不計，氣缸桿與地面接觸前后，動能和勢能相互轉(zhuǎn)換且能量是守恒的，可列出方程為

其中：l為氣缸的有效長度；m為月面機器人的總重量；v為碰撞瞬間的最大速度；g為月球表面的重力加速度；h為月面機器人最大跳躍高度；Ek為月面機器人落地時的最大動能。

通過計算可得最大的跳躍高度h= 0.96 m，跳躍后落地時的最大速度v=5.66 m/s，相當于在地球上從0.16 m的高度落下，變形輪上的減震裝置完全可以使月面機器人內(nèi)零部件不受損害。代入相關(guān)的參數(shù)，計算可得最大的跳躍高度h= 0.96 m。

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于變形輪越障與氣動跳躍相結(jié)合的月面移動機器人系統(tǒng)設(shè)計方案，此機器人在高效行走巡視探測的同時，兼顧了優(yōu)異的越障性能。機器人的變形輪不但可以用于平坦地形的高效行走，跨越月球巖塊等較為低矮的障礙物，其跳躍系統(tǒng)還可用于跨越使用變形輪也無法通過的障礙，最大跳躍高度可達0.96 m，可跨越諸如小隕石坑等大多數(shù)的月面障礙物。

本文提出的月面移動機器人不僅具有輪式機器人移動速度快、穩(wěn)定性好的特點，而且有著很強的爬坡和越障能力，可適應地形復雜的月面環(huán)境。如果搭載上攝像機、傳感器等功能模塊，可成為進行月面巡視探測的重要工具，在月面探測領(lǐng)域具有良好的應用前景。