八輪星球探測車可展開移動系統(tǒng)設(shè)計(jì)開題報(bào)告.doc

浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告班級09機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化（4）班姓名程欣禹課題名稱八輪星球探測車可展開移動系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄1選題的背景與意義1.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.2星球車可展開移動系統(tǒng)概述1.3星球車空間可展開機(jī)構(gòu)概述1.4八輪星球探測車研究意義2研究的基本內(nèi)容2.1八輪星球探測車整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.2八輪星球探測車可展開移動系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)2.3八輪星球探測車可展開移動系統(tǒng)三維仿真3研究方案、可行性分析及預(yù)期研究成果3.1研究思路方案3.2可行性分析3.3預(yù)期研究成果4研究工作計(jì)劃參考文獻(xiàn)成績：答辯意見答辯組長簽名：年月日系主任審核意見簽名：年月日八輪星球探測車移動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析程欣禹(機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化09(4)班A09160119)1選題的背景與意義月球是距離地球最近的自然天體，蘊(yùn)藏大量的礦產(chǎn)資源，是人類飛離地球進(jìn)行深空探測的第一站，也是理想的天然空間中轉(zhuǎn)站。月球所具有的巨大經(jīng)濟(jì)、政治和軍事價值使得月球探測成為人類一直關(guān)注的焦點(diǎn)1。星球車是月球探測中的重要媒介之一，已經(jīng)成為全世界廣泛研究的熱點(diǎn)。移動系統(tǒng)作為星球車整體系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其性能的好壞直接影響整個探測任務(wù)的成敗2。20世紀(jì)90年代產(chǎn)生的以空間機(jī)構(gòu)的折疊、伸展、組合為主要研究內(nèi)容的“變胞機(jī)構(gòu)”等機(jī)構(gòu)學(xué)研究最新成果，為星球車可展開移動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究奠定了理論基礎(chǔ)，但這方面的理論研究尤其是工程應(yīng)用還有待于完善和發(fā)展3。由于航天器運(yùn)載技術(shù)和發(fā)射費(fèi)用的限制，在具有良好的環(huán)境自適應(yīng)能力的前提下，體積小、質(zhì)量輕成為星球車研制的主要技術(shù)指標(biāo)。因?yàn)闇p小星球車的體積，不僅可以減小其運(yùn)載火箭的體積和質(zhì)量，節(jié)省推動力，降低發(fā)射成本，而且對提高發(fā)射的可靠性意義重大。而星球車體積小卻意味著其所搭載的儀器設(shè)備數(shù)量將減少，其直接效果是降低星球車的探測能力。因此，如何使星球車在滿足預(yù)期的探測功能的前提下，盡可能少的占用運(yùn)載器的有效載荷空間是一個很值得研究的課題。1.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢自20世紀(jì)60年代以來，以美國、俄羅斯、法國、日本等發(fā)達(dá)國家為首，各國科研機(jī)構(gòu)紛紛進(jìn)行各種類型行星車的研制，有的甚至已進(jìn)入實(shí)用化、商品化階段，如“勇氣號”火星車。在國內(nèi)，清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)4、國防科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)、華中科技大學(xué)和航天科技集團(tuán)502所等高等院校及科研院所相繼開展了這方面的研究工作5。迄今為止，國內(nèi)外研究人員從行星車移動系統(tǒng)的越障性能、地形適應(yīng)能力、能耗等要求出發(fā)，研制出各類行星車移動系統(tǒng)產(chǎn)品及樣機(jī)多達(dá)四十余種。根據(jù)移動系統(tǒng)的體積大小不同，可分為微型、超小型、中型及大型等四類。根據(jù)操縱控制方式不同，可分為有人駕駛、無人駕駛遠(yuǎn)程遙控兩類。根據(jù)移動方式不同，可分為履帶式、腿式、輪式、輪腿式等幾類6，由于輪式移動系統(tǒng)具有運(yùn)動速度快的優(yōu)點(diǎn)，故得到了廣泛研究。隨著各種懸架的出現(xiàn)，其越野能力已大大增強(qiáng)，可以與腿式移動系統(tǒng)相媲美27。以下根據(jù)不同部位可展開輪式移動系統(tǒng)進(jìn)一步分類。1.2星球車可展開移動系統(tǒng)概述1.2.1整體可展開移動系統(tǒng)整體可展開移動系統(tǒng)以三輪移動系統(tǒng)為主，由于三個車輪聯(lián)接于同一個懸架，移動系統(tǒng)的折疊與展開需整體進(jìn)行。具有代表性的有日本NASDA和東京工業(yè)大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的Tri-star2，它采用軸環(huán)和可壓縮輪結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的機(jī)動性，其體積折疊比可達(dá)到373%。移動系統(tǒng)整體展開的還有美國國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)局(NIST)研制的索纜并聯(lián)機(jī)器人RoboCrane9。該移動系統(tǒng)由三組索桿鉸接在一個Stewart平臺上形成，索桿可代替動力源驅(qū)動形成移動框架。通過索纜的順序張緊與釋放，改變索桿和車輪間相對位置，可最終完成折疊與展開功能。1.2.2底盤可展開移動系統(tǒng)美國CMU研制的Nomad10是一種底盤可變形的四輪行星車。它采用前蘇聯(lián)的自包含電動輪模塊概念、Rocky系列的轉(zhuǎn)向節(jié)懸掛機(jī)構(gòu)、顯式轉(zhuǎn)向連桿機(jī)構(gòu)和LRV的自動輪距擴(kuò)展概念，利用均化懸掛系統(tǒng)平滑車體相對于車輪的運(yùn)動，保證在各種地形情況下四輪都能同時著地。當(dāng)?shù)妆P完全展開時所占的包絡(luò)空間可比其折疊狀態(tài)時增加35%，這種展開功能使底盤具備超越其裝載結(jié)構(gòu)20%的靜穩(wěn)定性。其底盤主要通過兩個四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行變形，當(dāng)?shù)妆P展開時四桿機(jī)構(gòu)變成一個菱形，當(dāng)?shù)妆P收縮時四桿機(jī)構(gòu)則變成一條直線，每組四桿機(jī)構(gòu)具有獨(dú)立的驅(qū)動裝置。1.2.3懸架可展開移動系統(tǒng)懸架可展開移動系統(tǒng)通過獨(dú)立懸架機(jī)構(gòu)的折疊與展開實(shí)現(xiàn)體積變化，具有結(jié)構(gòu)相對簡單的特點(diǎn)。該類型移動系統(tǒng)在美國JPL研制的“Sojourner”及“Spirit”上得到了成功應(yīng)用11。其中“Sojourner”折疊收攏時采用蹲坐的方式，通過將搖臂桿在與車體連接的樞軸處分為兩部分實(shí)現(xiàn)。車體站起時，其它車輪不動，后輪被驅(qū)動向前，車體被拱起達(dá)到要求高度時，彈簧捕捉機(jī)構(gòu)將其鎖定，使整車處于可工作狀態(tài)?！癝pirit”火星車的折疊、展開與“Sojourner”有很多不同，它可實(shí)現(xiàn)長、寬、高三方向的折疊與展開?！癝pirit”懸架的折疊主要通過懸架各構(gòu)件間相對位置的改變來實(shí)現(xiàn)，參與折疊的構(gòu)件包括后副搖臂(AftBogie)、前副搖臂(ForwardBogie)、副搖臂鉸軸(BogiePivot)、后主搖臂(AftRocker)、主搖臂轉(zhuǎn)動副(Rocker-BridgeJoint)、前主搖臂(ForwardRocker)、主搖臂展開驅(qū)動電機(jī)(RockerDeploymentActuator)七部分。當(dāng)“Spirit”折疊時，后副搖臂沿著滑道縮入前副搖臂，使中輪與后輪的輪距縮小，從而減小整車長度尺寸；后主搖臂通過副搖臂鉸軸及主搖臂轉(zhuǎn)動副分別與副搖臂及前主搖臂發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)車體的蹲伏，縮小整車高度尺寸；前主搖臂繞主搖臂轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動，使車輪轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)，減小車體前端寬度尺寸。1.2.4車輪可展開移動系統(tǒng)可展開車輪在國內(nèi)外的研究均較少，60年代美國設(shè)計(jì)了一種圓規(guī)腿步行輪12，它通過多種傳感器獲得車輛的位姿信息，由計(jì)算機(jī)控制參數(shù)的變化，能完全補(bǔ)償步行輪的多邊形效應(yīng)，并能在步行輪和普通輪之間轉(zhuǎn)換以適應(yīng)地面的坡度、越過障礙并保持行駛平順性。在國內(nèi)，北航研制出一種可重復(fù)展開式車輪，與圓規(guī)腿步行輪工作方式相仿，這種車輪在星球車移動過程中可根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)出的指令展開與折疊。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院在可展開式車輪上，進(jìn)行了初步的研究，研制出幾種可展開式車輪。1.3星球車空間可展開機(jī)構(gòu)概述可展開式星球車在地面上被收攏成折疊狀態(tài)，固定于運(yùn)載工具的有效載荷艙內(nèi)，隨著陸器降落到月面后，根據(jù)地面的控制指令逐步完成展開動作，然后鎖定并保持為移動系統(tǒng)工作狀態(tài)，屬于一種特殊的空間可展開機(jī)構(gòu)。1.3.1空間可展開機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀20世紀(jì)60年代可展開機(jī)構(gòu)的概念最初在建筑領(lǐng)域被提出，并得到成功應(yīng)用。隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，以太空應(yīng)用為背景的空間可展開機(jī)構(gòu)得到廣泛的研究與應(yīng)用?？臻g可展開機(jī)構(gòu)的主要形式包括太陽帆板、伸展臂、空間可展開天線、空間操作平臺、雷達(dá)定位桿、空間望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦機(jī)構(gòu)、空間望遠(yuǎn)鏡展開鏡面機(jī)構(gòu)等，其中大型展開天線和太陽帆是大型空間可展開機(jī)構(gòu)研究最活躍、深入的領(lǐng)域。20世紀(jì)70年代后期美國航天局(NationalAeronauticsandSpaceAdministration)在其近期、遠(yuǎn)期發(fā)展規(guī)劃中提出了各種形式的展開天線13，并對其概念設(shè)計(jì)、分析理論方法、具體應(yīng)用設(shè)計(jì)技術(shù)開發(fā)進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。俄羅斯宇航局也在可展開機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展應(yīng)用上做出了卓越貢獻(xiàn)，尤其在“和平號”空間站上。劍橋大學(xué)與歐空局共同建立了可展開機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室，對可展開機(jī)構(gòu)進(jìn)行理論研究及應(yīng)用。同時歐空局在其衛(wèi)星發(fā)展計(jì)劃中也對可展開機(jī)構(gòu)技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。日本宇宙科學(xué)研究所（ISAS）和日本宇航中心（NASDA）以及加拿大和印度等國在展開折疊技術(shù)研究應(yīng)用上紛紛發(fā)展了自己的技術(shù)。我國對空間可展開機(jī)構(gòu)的研究起步較晚，具有代表性的是浙江大學(xué)關(guān)富玲教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組，對伸展臂及空間可展天線等在設(shè)計(jì)原理、運(yùn)動規(guī)劃、靜力分析、動力分析、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了研究及實(shí)驗(yàn)14。1.3.2空間可展開機(jī)構(gòu)的分類目前空間可展開機(jī)構(gòu)還沒有統(tǒng)一的分類原則，可以按展開動力、結(jié)構(gòu)型式、展開順序等多種方式進(jìn)行分類。如按照折疊機(jī)構(gòu)組成單元類型可分為桿系單元、板系單元，而桿系單元又可分為剪式鉸單元與伸縮式單元；依照機(jī)構(gòu)展開成型后的穩(wěn)定平衡方式可分為自穩(wěn)定可展開機(jī)構(gòu)與附加支承可展開機(jī)構(gòu)；而按展開驅(qū)動方式進(jìn)行分類最為詳細(xì)，包括下面五種情況15。1.3.2.1微電機(jī)驅(qū)動利用電機(jī)驅(qū)動主動件或者是通過傳動使機(jī)構(gòu)展開。根據(jù)機(jī)構(gòu)的要求和形式的不同，電機(jī)的分布方式也不盡相同，主要有分散布置和集中布置兩種方式。采用微電機(jī)驅(qū)動時，在設(shè)計(jì)中要考慮是使機(jī)構(gòu)整體展開還是使其逐級展開。如環(huán)柱狀天線(HoopColumnDeployableAntenna)采用整體展開，通過中心電機(jī)驅(qū)動環(huán)向索帶動各個肋支座轉(zhuǎn)動從而使機(jī)構(gòu)整體展開。1.3.2.2彈簧驅(qū)動彈簧種類很多，包括拉壓簧、扭簧、蝶簧、塔簧等。在可伸展機(jī)構(gòu)中，主要使用拉壓簧和扭簧。如果在機(jī)構(gòu)接點(diǎn)或桿件中點(diǎn)安放彈簧，在折疊過程中，彈簧存儲了一定的應(yīng)變能，當(dāng)機(jī)構(gòu)解鎖后，應(yīng)變能釋放，驅(qū)動機(jī)構(gòu)整體展開。美國ABLE公司的Coilable天線屬于彈簧驅(qū)動。對于拉壓簧驅(qū)動，在需要變化長度的桿件中間設(shè)置拉伸彈簧，機(jī)構(gòu)處于收納狀態(tài)時