四桿懸架機(jī)構(gòu)月球車行走系統(tǒng)設(shè)計

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摘要：探月工程的推進(jìn)對月球車提出了更高的越障要求，文章基于四桿懸架機(jī)構(gòu)越障能力強(qiáng)的特點，設(shè)計出一款新型月球車行走系統(tǒng)，并使用Adams進(jìn)行運動學(xué)仿真，詳細(xì)分析了其中震蕩、側(cè)滑與橫擺、側(cè)傾與俯仰等問題。該新型月球車行走系統(tǒng)具有較高的地形適應(yīng)能力和通過能力，可以滿足一般要求。

關(guān)鍵詞：月球車；四桿懸架機(jī)構(gòu)；運動學(xué)仿真

月球作為距離地球最近的天體，成為各國宇宙空間探測的重點目標(biāo)之一，相比于載人航天探測，月球探測車的探測成本更低，且消除了載人航天的安全隱患。然而月球表面存在很多行駛障礙，資料顯示，1m～3m大小的月球車會遇到25°的斜坡、0.5m大小的火山口以及15cm～20c高的障礙體，因此對于月球車的越障能力提出了很高的要求[1]。本文自擬參數(shù)，提出了一種新型基于四桿懸架機(jī)構(gòu)的月球車行走系統(tǒng)，進(jìn)行了總體設(shè)計以及運動學(xué)仿真，確定了電機(jī)和減速器的選擇，對實物的制造起到了指導(dǎo)作用。

1總體設(shè)計

本文所設(shè)計的月球車參數(shù)如下：最大外形尺寸為900mm(長)×600mm(寬)×450mm(高)，總質(zhì)量不超過50kg，移動速度不小于0.1m/s。

1.1驅(qū)動設(shè)計

月球上地貌復(fù)雜，需要月球車有較高的靈活度，為了滿足這一要求，本文所設(shè)計的月球車采用六輪獨立驅(qū)動，前后輪設(shè)計牽引電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)實現(xiàn)驅(qū)動和轉(zhuǎn)向，中間輪僅設(shè)計牽引電機(jī)實現(xiàn)驅(qū)動。

1.2懸架設(shè)計

本文所選取四桿懸架系統(tǒng)的越障原理如圖1所示。該系統(tǒng)在接觸到障礙物時，利用障礙物產(chǎn)生向后的推力驅(qū)動平面四桿機(jī)構(gòu)運動，使相應(yīng)的車輪抬起或落下，達(dá)到越過障礙物的目的，由于越障時主搖臂和副搖臂的瞬時轉(zhuǎn)動中心下移至地面以下，因此具有比其他機(jī)構(gòu)更強(qiáng)的越障能力。 預(yù)計月球車需越過最大尺寸為15cm左右高度的障礙物，以此為根據(jù)進(jìn)行多次試算，最終設(shè)計尺寸如圖2所示。利用SolidWorks的推斷約束，計算出前中后輪的極限越障尺寸分別為前輪200.23mm、中間輪216.40mm以及后輪176.17mm，如圖3所示。取其中最小的后輪極限越障尺寸作為月球車整體的極限越障尺寸。事實上，極限越障尺寸應(yīng)略小于該值，因為當(dāng)左桿豎直的時候，車體的重心前移，稍有擾動便會向前翻倒，處于不穩(wěn)定平衡的狀態(tài)，因此真正的極限越障尺寸要略小一些，預(yù)計在15cm左右，滿足預(yù)期。

1.3車輪設(shè)計

常見的石子碎塊高度不超過4cm，在遇到此類小障礙物時，懸架不發(fā)生較大越障變形即可完成越障，減少機(jī)械構(gòu)件的相對移動，延長使用壽命。如圖4所示，若車體給予輪胎的力作用線在障礙物產(chǎn)生的阻力作用線上方，即可做到僅憑輪胎尺寸越障。因此有計算公式如下：解得x>90.5mm，取極限狀態(tài)則車輪直徑為181mm，可以輕松跨過4cm以下的障礙物。對于輪寬，根據(jù)文獻(xiàn)[2-3]，減小車輪的寬度有利于轉(zhuǎn)向的靈活性，但縱向牽引性能會有所下降。綜合考慮牽引與轉(zhuǎn)向性能，半徑90mm的車輪的適合寬度為100mm左右，因此車輪寬度取為100mm。最終整車結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2Adams運動學(xué)仿真

利用Adams軟件進(jìn)行運動學(xué)仿真，進(jìn)一步驗證月球車結(jié)構(gòu)設(shè)計上的合理性，并分析其運動姿態(tài)。

2.1仿真參數(shù)設(shè)置

令x方向為預(yù)設(shè)的行駛方向，y方向為豎直方向，z方向與x、y方向成右手系。仿真模型如圖6所示，各構(gòu)件材質(zhì)均設(shè)置為steel并將車輪與路面間加入接觸，加入月球重力場，六輪的驅(qū)動函數(shù)設(shè)置為step(time,…0,…0,…5,…270d)+step(time,…35,…0,…40,…-270d)。部分仿真結(jié)果如圖7～圖11所示。

2.2仿真結(jié)果分析

對仿真結(jié)果的分析歸為如下幾類：1）震蕩。減震是所有問題中最為關(guān)鍵的，因為月球車載物臺上通常搭載的都是一些實驗儀器，應(yīng)盡量減輕車身振動以保護(hù)儀器并保證整車的平穩(wěn)運行。圖7反映豎直方向的震蕩。由圖可知車身在越障時，位移與速度波動主要出現(xiàn)在獨立凸起處和連續(xù)不對稱凸起處，振蕩位移最大不超過25mm，可以認(rèn)為較為平穩(wěn)，但其加速度曲線表明振動沖擊比較大，因此需要在車輪處設(shè)置合適的阻尼來減緩振動，保護(hù)載物臺上的各儀器以及其他設(shè)備[4-5]。2）側(cè)滑與橫擺。圖8反映車身側(cè)滑，圖10反映車身橫擺。由圖可知車身存在一個朝向前進(jìn)方向左側(cè)的側(cè)滑，且多處有小幅橫擺，側(cè)滑與橫擺集中于連續(xù)不對稱凸起處。推斷原因如下：月球車自身的重力分布不均，導(dǎo)致對各車輪產(chǎn)生力矩，使車輪在啟動時便產(chǎn)生一個橫擺角，并隨著月球車向前行駛導(dǎo)致側(cè)滑與橫擺不斷加劇，而不對稱的障礙使車身扭轉(zhuǎn)加劇，引起更加嚴(yán)重側(cè)滑和橫擺。上述問題可以通過對載物臺的尺寸或負(fù)載質(zhì)量分布進(jìn)行優(yōu)化而緩解。3）側(cè)傾與俯仰。圖9反映車身側(cè)傾，圖11反映車身俯仰。由圖可知側(cè)傾始終存在，均值為5deg/sec左右，在連續(xù)不對稱凸起處最為明顯，最高達(dá)到25deg/sec；車身俯仰在坡道與平地轉(zhuǎn)換時表現(xiàn)出較大的波動，明顯較越障時劇烈。車身側(cè)傾可以通過合理分配整車質(zhì)量的方式緩解，而車身俯仰則可以通過阻尼的加入來削弱。

3結(jié)論

本文對月球車行走系統(tǒng)進(jìn)行了分析，完成了月球車的總體設(shè)計，根據(jù)自擬參數(shù)確定了電機(jī)和減速器的選擇，并將模型導(dǎo)入Adams軟件進(jìn)行運動學(xué)仿真，對月球車穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，提出了改進(jìn)方案與進(jìn)一步研究的建議。

參考文獻(xiàn)：

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[4]劉金生.基于ADAMS六輪懸架式火星車的建模與仿真[D].北京：北京郵電大學(xué)，2019.

[5]汪弘達(dá)，熊小青，陳晟，等.智能物流搬運小車[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019(6)：113-114.

作者：孫萌 單位：東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院