空間探索機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)及其系統(tǒng)研究

1、華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文空間探測機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)及系統(tǒng)研究姓名：申請學(xué)位級別：博士專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論指導(dǎo)教師：摘要未來的空間探測任務(wù)要求機(jī)器人系統(tǒng)能夠在預(yù)先未知或非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中執(zhí)行變 化的任務(wù)，機(jī)器人移動平臺應(yīng)具備良好的幾何通過性、越障性、抗傾覆性、行駛平順 性、牽引控制特性和能耗特性。輪式移動機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、高速高效、 實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外空間探測機(jī)器人的研究以輪式機(jī)器人為主。論文以輪式空間探測 機(jī)器人為研究對象，通過對空間探測機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、綜合評價(jià)與優(yōu)化理 論和方法，雙曲柄滑塊探測機(jī)器人的設(shè)計(jì)、分析與樣機(jī)研制，主動自適應(yīng)懸架機(jī)器人 的配置模型和主動配置方法等關(guān)鍵技術(shù)

2、的研究，在移動機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)及理論、高性能 月球探測機(jī)器人研究方面取得一些進(jìn)展，為我國月球探測機(jī)器人研究提供技術(shù)支持和 高性能移動平臺。本文的主要工作和成果如下：1、提出了基于構(gòu)形組合的空間探測機(jī)器人設(shè)計(jì)方法。將輪式空間探測機(jī)器人視 為由輪系、懸架和車體三類子構(gòu)形組合而成的多體系統(tǒng)，提出同構(gòu)組合和異構(gòu)組合兩 類設(shè)計(jì)模式。通過分析國內(nèi)外經(jīng)典空間探測機(jī)器人構(gòu)形和構(gòu)形創(chuàng)新，抽象得到 4 種輪 系構(gòu)形、5 種懸架構(gòu)形和 5 種車體構(gòu)形。以四輪、六輪和八輪空間探測機(jī)器人為研究 對象，采用基于構(gòu)形組合的空間探測機(jī)器人設(shè)計(jì)方法，得到 70 種新型同構(gòu)組合空間 探測機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)和 165 種新型異構(gòu)組合空間探

3、測機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)。2、通過分析空間探測機(jī)器人的移動性能需求，建立了空間探測機(jī)器人的移動性 能評價(jià)模型。移動性能的主要評價(jià)指標(biāo)包括：地面自適應(yīng)性、行駛平順性、越障爬坡 性能、抗顛覆能力、轉(zhuǎn)向靈敏度等。該評價(jià)模型的提出，可為空間探測機(jī)器人的評價(jià) 與優(yōu)化提供依據(jù)。3、開展空間探測機(jī)器人綜合評價(jià)與優(yōu)化方法研究，建立了一個(gè)基于虛擬樣機(jī)的 空間探測機(jī)器人綜合評價(jià)與分析平臺。平臺通過建立參數(shù)化的構(gòu)形庫，支持模塊組合、 模塊創(chuàng)新和模塊替換三種空間探測機(jī)器人設(shè)計(jì)模式，極大地提高了虛擬樣機(jī)建模效率 和建模精度。平臺可從機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩方面對空間探測機(jī)器人進(jìn)行分析，得到優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制軟件。4、提出了一種六

4、輪月球車雙曲柄滑塊聯(lián)動懸架系統(tǒng)，對其結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行介紹， 并建立了參數(shù)化的虛擬樣機(jī)模型?；诳臻g探測機(jī)器人移動性評價(jià)模型，對雙曲柄滑 塊探測機(jī)器人和六輪搖臂探測機(jī)器人的各項(xiàng)移動性能分別進(jìn)行了仿真、分析和優(yōu)化， 得到了兩種探測機(jī)器人的優(yōu)化參數(shù)。基于一致性假設(shè)條件，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)分析比 較了二者的移動性能差異。仿真結(jié)果顯示：雙曲柄滑塊探測機(jī)器人的平順性、地面適 應(yīng)性、轉(zhuǎn)向靈敏度優(yōu)于六輪搖臂探測機(jī)器人，越障性能與六輪搖臂探測機(jī)器人相當(dāng)， 抗傾覆性不如六輪搖臂探測機(jī)器人。因此，得到雙曲柄滑塊探測機(jī)器人的總體性能優(yōu) 于六輪搖臂探測機(jī)器人結(jié)論。5、研制了雙曲柄滑塊探測機(jī)器人物理樣機(jī)，樣機(jī)機(jī)電系統(tǒng)采用模塊

5、化設(shè)計(jì)，維 修性和可靠性能得到保證。室內(nèi)測試和場地試驗(yàn)表明，雙曲柄滑塊探測機(jī)器人的主要 移動性能指標(biāo)(速度 0.1m/s，越障 0.20m，爬坡 30o)基本滿足探月需求。需要進(jìn)一步研 究和分析的內(nèi)容是提高月球探測機(jī)器人對月球環(huán)境的適應(yīng)能力，包括機(jī)械系統(tǒng)的質(zhì) 量、結(jié)構(gòu)和材料、電子系統(tǒng)的抗輻射和抗干擾等。6、針對雙曲柄滑塊等自適應(yīng)懸架機(jī)器人的不足，結(jié)合主動懸架機(jī)器人和自適應(yīng) 懸架機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，首次提出了主動自適應(yīng)懸架機(jī)器人的概念和原理樣機(jī)。以六輪搖 臂主動自適應(yīng)懸架機(jī)器人為對象，進(jìn)行了虛擬樣機(jī)分析與仿真。結(jié)果表明，主動自適 應(yīng)懸架機(jī)器人的綜合移動性能得到極大提高。 主動自適應(yīng)懸架機(jī)器人的提出，為

6、月 球探測機(jī)器人的研制提供了一種有效的解決思路。關(guān)鍵詞：空間探測機(jī)器人月球車機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)構(gòu)形組合虛擬樣機(jī) 移動性優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)電控制AbstractIn the future, the space exploring robot should accomplish variational missions inun- known or non-structure enviroments, which repuires the robots localmotion platform own excellent terrainability, over-obstacle ability, untip

7、over stability, driving placidity, traction controllability and power-saving characteristics. The wheeled robot , owing to its simplestructure, low weight, high speed, high efficiency, pratical etc. advantages，has been the mainresearch choice for space-exploring around the world.Taken wheeled explor

8、ing robot as research object, the dissertation focuses on the sever key technolgies of the wheeled exploring robot, including innovation design of locomotion mechanism, comprehensive evaluation and optimization of the space-exploring robot , andthe design ，analysis and construction of the two-crank-

9、slider suspension lunar rover. Theconfiguring model and active configure methods of active adaptive suspension robot has also been proposed and studied. Some progresses in the aspects of the innovation design theories of locomotion mechanism and the innovation design of high-performance lunar rover

10、has been made. These propgress may provide technology supportting and high-performance locomotion platforms for our countrys lunar exploring robot research.The main contents and original achievements are as follows:1) Proposed a method for space-exploring robots innovation design based on the mechan

11、ism combination. Since the wheeled space-exploring robot can be seen as a multibody system, any wheeled rover can be composed of the wheel mechanism, suspensionmechanism and body mechanism. Therefore, two kinds of innovative design mode ，isomorphic combination mode and isomerous combination mode, we

12、re proposed. By analysing the mechanism of domestic and foreign classic space-exploring robots and mechanism innovation, four kinds of wheel mechansim, five kinds of suspention mechansim and five kinds of body mechansim were abstracted. Using the innovative design methodbased on mechanism combinatio

13、n,taken four-wheeled, six-wheeled and eight-wheeled space-exploring robot as research object,we have got as many as sventy new kinds of isomorphic combination localmotion platforms and one hundred and sixty five new kinds of isomerous combination locomotion platforms.2) The evaluation model of space

14、-exploring robots was constructed by analyzing the requirements of mobility. The main evaluation parameter of locomotion performance includes terrain-adaptability, driving placidity, over-obstacle ability, untipover stability, steering sensitivity etc. The evaluation model provides theoretical suppo

15、rting for the space exploring robots evaluation and optimization.3) The comprehensive method of evaluation and optimization for space-exploring robots has been studied, and an evaluation and optimization platform based on virtual prototype was constructed. By building up a parameterized mechanism li

16、brary, the platform can surpport three kinds of innovative design mode, which includes modular combination, modular innovation and modular replacement etc. The platform significantly increases the efficiency and precision of virtual prototype modeling.Both the optimized structure parameters and cont

17、rol software can be obtained from the platform by optimizing the mechanical system and the control system of the space-exploring robot.4) Proposed a six-wheel lunar rover with the two-crank-slider suspension system by innovation. Its structure and working principle were introduced and its parameteri

18、zed virtual prototype was built. Based on the evaluation model of space exploring robots mobility, two- crank-slider mechanic lunar rover and six-wheel- rocker-bogie lunar rover were simulated, analyzed and optimized respectively to obtain their optimal parameters. Based on the consistency assumptio

19、n and virtual prototype techniques, the two robots mobility was compared. The simulation results show that the driving placidity, terrain-adaptability, steering sensitivity of the two-crank-slider lunar rover is better than that of six-wheel- rocker-bogie lunar rover, the over-obstacle ability is eq

20、ual to and the untipover stability is inferior to that of six-wheel- rocker-bogie lunar rover. A conclusion can be drawn that thetwo-crank-slider lunar rover has superior mobility than the six-wheel- rocker-bogie lunar rover in the mass.5) A physical prototype of two-crank-slider lunar rover, whose

21、electromechanical system was modularization designed, was developed. Its maintainability and reliability was guaranteed. According to indoors and outdoors tests, the mobility of two-crank-slidermechanic lunar rover (speed: 0.1m/s, over-obstacle: 0.20m, slope-climbing: 30 o) canapproximately satisfy

22、the requireements of lunar exploring. How to improve the rovers adaptability to the lunars environment, which includes the weight, structure and materials of the mechanical system, the tanti-radiation and the anti-jamming abilities of the electronic system need further research.6) By combination the

23、 virtue of the active suspension robot and the adaptive suspension robot, the concept and prototype of active adaptive suspension robot is creatively proposed. The virtual prototype of the six-wheel- rocker active adaptive suspension robot has been analyzed and simulated. The simulation results show

24、ed that the mobolity of active adaptive suspension robot improved greatly. The active adaptive suspension robot provides an effective solution for the development of the lunar exploring robots.Keywords: Space exploring robot, Lunar rover, Robot locomotion mechanism, Mehansim combination,Virtualproto

25、type,Mobolity,Optimizationdesign, Electromechanical control獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工 作及取得的研究成果。盡我所知，除文中已經(jīng)標(biāo)明引用的內(nèi)容外，本 論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本 文的研究做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人 完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名：日期：年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定， 即：學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子 版，允許論文被查閱

26、和借閱。本人授權(quán)華中科技大學(xué)可以將本學(xué)位論 文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印 或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。保密，在 年解密后適用本授權(quán)書。本論文屬于 不保密。（請?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打“”）學(xué)位論文作者簽名：指導(dǎo)教師簽名：日期：年月日日期：年月日1 緒論1.1 課題研究背景及意義據(jù) 2000 年中國的航天白皮書介紹，中國根據(jù)國家發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求和長遠(yuǎn)目 標(biāo)，正在制定面向二十一世紀(jì)的航天發(fā)展戰(zhàn)略和規(guī)劃，加快發(fā)展航天事業(yè)。其中發(fā)展 空間科學(xué)，開展深空探測，建立新型的科學(xué)探測與技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星系列，加強(qiáng)空間微重 力、空間材料科學(xué)、空間生命科學(xué)、空間環(huán)境和空間天文研究，開展以月

27、球探測為主 的深空探測的預(yù)先研究是今后十年或稍后一個(gè)時(shí)期中國航天事業(yè)的發(fā)展目標(biāo)之一。2004年，我國將近期的探月計(jì)劃明確地分為三期，從而將月球探測提上日程。“嫦 娥”一期是“繞”，即在最近的2到3年，發(fā)射月球探測器。探測任務(wù)是測量全月面的 三維地形、地貌和地質(zhì)構(gòu)造，目的是獲取全月面三維影像，高精度立體“地圖”將使 我們對月球有更深入的了解；探測月球有可能對人類有用的能源、資源的分布特征和 分布規(guī)律，美國曾對月球上的5種資源進(jìn)行探測，我們將探測14種；探測月壤厚度及 分布，估算氦3及其它氣體的資源量；監(jiān)測地月空間環(huán)境?！版隙稹倍谑恰奥洹保?即發(fā)射月球探測器軟著陸和月球車巡視探測。探測地點(diǎn)將根據(jù)

28、第一階段衛(wèi)星用1年時(shí) 間拍回的精密“地圖”來圈定；精細(xì)探測對象是著陸區(qū)的土壤、巖石和環(huán)境，這將為 建設(shè)月基天文臺，進(jìn)一步開展月球研究打好基礎(chǔ)。“嫦娥”三期是“回”，即發(fā)射小型 采樣返回艙、月面鉆巖機(jī)和月球機(jī)器人等，通過月球車、機(jī)器人等進(jìn)行現(xiàn)場探測，采 集有關(guān)樣品，返回地面進(jìn)行研究，為載人登月和月球基地選址提供有關(guān)數(shù)據(jù)。月球探測機(jī)器人是二期“落月工程”中的主角，預(yù)計(jì)于 2012 年發(fā)射。由月球探 測機(jī)器人代替宇航員，不僅可降低探測費(fèi)用、探測風(fēng)險(xiǎn)，而且車載的各種測量儀器可 以收集月球表面的物理屬性信息，初步了解月球表面的環(huán)境狀況和物質(zhì)構(gòu)成，為宇航 員登陸作好準(zhǔn)備。目前國內(nèi)已有多家單位開始研制月球探

29、測機(jī)器人，特別是“嫦娥工 程”正式啟動后，創(chuàng)新研制性能優(yōu)良的月球探測機(jī)器人就顯得尤為迫切。月球探測機(jī) 器人的研制涉及到多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，是人工智能、自動控制、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等高新技術(shù)的結(jié)晶。月球車能否在未知的惡劣環(huán)境中完成任務(wù)將直接關(guān)系到整個(gè)“嫦娥工程”的成敗，其中高靈活性、高機(jī)動性的移動機(jī)構(gòu)是月球車整個(gè)系統(tǒng)的關(guān) 鍵，其性能的優(yōu)劣、工作的穩(wěn)定性和可靠性將直接影響月球車的使用性能和作業(yè)壽命。未來的空間探測任務(wù)要求機(jī)器人系統(tǒng)能夠在預(yù)先未知或非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中執(zhí)行變 化的任務(wù)，機(jī)器人移動平臺應(yīng)具備良好的幾何通過性、越障性、抗傾覆性、行駛平順 性、牽引控制特性和能耗特性。輪式移動機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)

30、簡單、質(zhì)量輕、高速高效、 實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，因此，國內(nèi)外空間探測機(jī)器人的研究以輪式機(jī)器人為主。本課題以月球探測機(jī)器人為研究對象，通過對空間探測機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè) 計(jì)、綜合評價(jià)與優(yōu)化理論和方法，雙曲柄滑塊空間探測機(jī)器人的設(shè)計(jì)、分析與樣機(jī)研 制，主動自適應(yīng)懸架機(jī)器人的配置模型和主動配置方法等關(guān)鍵技術(shù)的研究，爭取在移 動機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)及理論、高性能月球探測機(jī)器人研究方面取得一些進(jìn)展，為我國月球 探測機(jī)器人研究提供技術(shù)支持和高性能移動平臺。課題研究得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“未知環(huán)境中移動機(jī)器人導(dǎo)航控制的理 論與方法研究”()和國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)預(yù)先研究項(xiàng)目“月球探測機(jī)器人關(guān)鍵 技術(shù)研究”資助。1.2 國

31、外空間探測機(jī)器人研究概況由于移動機(jī)構(gòu)在空間探測機(jī)器人系統(tǒng)中的重要地位，國外許多機(jī)構(gòu)都在研究機(jī)器 人移動機(jī)構(gòu)。比較著名的研究機(jī)構(gòu)有：美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon University，簡稱 CMU）1、美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory，簡稱 JPL） 2、芬蘭赫爾辛基工業(yè)大學(xué)（Helsinki University of Technology，簡稱 HUT）3和歐洲 航天局等。各國的研究人員基于不同的原理和性能側(cè)重點(diǎn)提出并試驗(yàn)了多種類型的移 動機(jī)構(gòu)，根據(jù)機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，基本可分為輪式、腿式、輪腿式和履帶式等類 型。輪式移動機(jī)器人具

32、有高速高效的性能，但越過壕溝、臺階的能力較低。腿式移動 機(jī)器人地形適應(yīng)能力強(qiáng)，能越過大的壕溝和臺階，其缺點(diǎn)是速度和效率均比較低。履 帶式移動機(jī)器人地形適應(yīng)能力很強(qiáng)，動載荷小，設(shè)計(jì)緊湊，其缺點(diǎn)是重量大，能耗大。 輪腿式移動機(jī)器人融合了腿式移動機(jī)構(gòu)的地形適應(yīng)能力和輪式移動機(jī)構(gòu)的高速高效性能，其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。1.2.1 輪式機(jī)器人輪式移動機(jī)器人雖然越過壕溝、臺階的能力較低，但具有高速高效的性能，在一 般地形中具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢（運(yùn)動迅速、平穩(wěn)）。盡管其比較適合平緩的環(huán)境，但可以 通過選擇合適的懸架系統(tǒng)來使其適應(yīng)凹凸不平的地形。輪式星球探測機(jī)器人因技術(shù)成 熟而得以廣泛應(yīng)用，其中有些已經(jīng)成功地用于實(shí)際

33、的行星探測，如：1997 年發(fā)射的“索 杰納”火星車（如圖 1-1 所示），2003 年發(fā)射的“勇氣號”和“機(jī)遇號”（如圖 1-2 所 示）火星車。圖 1-1索杰納圖 1-2勇氣號 輪式機(jī)器人按車輪的數(shù)量可以分為單輪、三輪、四輪、五輪、六輪和多輪等類型。單輪機(jī)器人、三輪機(jī)器人因其穩(wěn)定性差，不適于進(jìn)行行星探測，研究的相對較少。 四輪機(jī)器人具有代表性的是芬蘭 HUT 的新一代步行機(jī)器人 WorkPartner3，美國CMU 開發(fā)的 Nomad 機(jī)器人等。Nomad45的特色就是采用獨(dú)特的可變性底盤和均化懸 架系統(tǒng)，四輪驅(qū)動，四輪轉(zhuǎn)向。這種推進(jìn)裝置、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和懸架能夠提供高效的牽引 和運(yùn)動的靈活性。

34、Nomad 的底盤在相同轉(zhuǎn)向驅(qū)動器作用下，可通過兩個(gè)四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行折疊、展開以 改變車輪位置和轉(zhuǎn)動方向。當(dāng)?shù)妆P展開時(shí)，四桿機(jī)構(gòu)變成一個(gè)菱形；當(dāng)?shù)妆P收縮時(shí)， 四桿機(jī)構(gòu)變成一條直線。輪子的直徑為 76.2cm，寬為 50.8cm，最大可以爬上 35的斜 坡，最大越障高度是 0.55m，最大行進(jìn)速度是 0.5m/s，平均速度大約是 0.3m/s，如圖1-3 所示。在崎嶇地面運(yùn)動時(shí)，底盤展開到 2.2m2.4m 以提高穩(wěn)定性和推進(jìn)力，存放時(shí)折疊為 1.8m1.8m 大小。均化懸架系統(tǒng)用來緩減車體相對于車輪的運(yùn)動。每邊的兩個(gè)車輪通過轉(zhuǎn)向連桿機(jī)構(gòu)聯(lián)接在懸架中，懸架相對于車體中心處的軸可以傾斜，樞 軸裝在懸架

35、中間，樞軸的縱向位移是懸架兩個(gè)車輪縱向位移的平均。漫游車的車體也 同樣如此，車體中心處的位移是四個(gè)車輪縱向位移的平均，車體的傾斜是兩個(gè)懸架傾 斜的平均，可以降低崎嶇地面對車體和影響。圖 1-3Nomad 變形底盤 五輪機(jī)器人具有代表性的是由日本航宇中心（ISAS）和梅基大學(xué)（Meiji University）等研制開發(fā)的 Micro56，它是一種體積小、質(zhì)量輕、低能耗的行星車。Micro5 質(zhì)量約 為 5kg，外型尺寸為 55cm53cm25cm，車輪直徑為 10cm?？梢栽竭^ 15cm 的臺階， 爬上 40的斜坡，車速為 1.5cm/s。該車具有一種新的五點(diǎn)懸吊結(jié)構(gòu)PEGASUS（Penta

36、d Grade Assist Suspension）懸架系統(tǒng)，PEGASUS 既有搖臂懸吊結(jié)構(gòu)的高靈活機(jī)動性， 又有一點(diǎn)連接的簡單結(jié)構(gòu)，使 Micro5 漫游車能夠以低耗能爬越階梯地形。這種新穎 的結(jié)構(gòu)既具有四輪漫游車機(jī)械結(jié)構(gòu)的簡單輕巧，又具有六輪漫游車的高運(yùn)動靈活性。圖 1-4Micro5 原理圖Micro5 由一個(gè)常規(guī)四輪機(jī)構(gòu)和通過連桿連接的第五個(gè)支撐輪組成，四個(gè)角輪為驅(qū) 動輪，中間輪為被動的支撐輪，整個(gè)車體從支撐輪的支點(diǎn)處分為可以相對轉(zhuǎn)動的兩部分，如圖 1-4 所示。第五個(gè)活動輪可以繞橫梁的節(jié)點(diǎn)自由轉(zhuǎn)動，通過它的轉(zhuǎn)動來調(diào)整重力在各個(gè)車輪上的分力，從而提高車體的穩(wěn)定性和越野性能。在爬坡和下

37、坡時(shí)，五 個(gè)車輪能夠平均的承擔(dān)負(fù)載。也就是說，當(dāng)前輪越過巖石時(shí)，第五個(gè)車輪承擔(dān)前輪應(yīng) 當(dāng)承擔(dān)的負(fù)載；當(dāng)后輪越過巖石時(shí)，第五個(gè)車輪承擔(dān)后輪應(yīng)當(dāng)承擔(dān)的負(fù)載，如圖 1-5 所示。圖 1-5Micro5越障示意圖六輪機(jī)器人具有代表性的是美國 JPL 設(shè)計(jì)的 MFEX （ Microrover Flight Experiment ）、 Rocky 系列 789 和 FIDO10 等小型漫游車，以及前蘇聯(lián)研制的 MARSOKHOD火星探測車11等。表 1-1：美國 JPL 火星車發(fā)展歷程年3 節(jié)式搖臂式4 輪主動懸架3 輪遙控自主遙控自主遙控自主遙控1987BlueRover1990RobbyPantog

38、raphRockyRocky 319928-WheelerRocky 4Gofor1997LSRRocky3.2 Rocky 4.2Rocky7 SojournerNanoRover1998SRRInflatable1999FIDO2000Rocky82003MER美國JPL是火星探測車主要研制單位，在星球表面科學(xué)探測漫游車技術(shù)方面，代表了這個(gè)領(lǐng)域的最高水平。其發(fā)展的火星探測車以輪式為主，主要有三節(jié)、搖臂-轉(zhuǎn)向懸掛、四輪主動懸掛和三輪等系列（表1-1），其中六輪搖臂探測機(jī)器人是美國重點(diǎn)發(fā)展的對象。 六輪搖臂探測機(jī)器人采用Rocky系列懸架系統(tǒng)，由車體、左懸架、右懸架和輪系四部分組成，如圖1-6

39、所示。六輪搖臂吊杠懸架由主搖臂和副搖臂組成，左、右懸架 的主搖臂與車體差速齒輪的中心軸固聯(lián)，借助差速輪系相對于車體轉(zhuǎn)動。當(dāng)在不平路 面上行駛時(shí)，通過主搖臂和副搖臂的擺動，能達(dá)到地面自適應(yīng)、增強(qiáng)越障能力和行駛平順性的目的。副搖臂主搖臂車體圖 1-6六輪搖臂懸架結(jié)構(gòu)六輪搖臂探測機(jī)器人對地面的自適應(yīng)和越障主要通過主搖臂相對車體和副搖臂的 轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)。如圖1-7所示，前輪越障時(shí)，副搖臂順時(shí)針轉(zhuǎn)動，前輪上升，中輪下降。 中輪越障時(shí)，副搖臂逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，前輪下降，中輪上升。后輪越障時(shí)，主搖臂逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，前輪和中輪下降，后輪上升。車體副搖臂主搖臂(a) 前輪越障( b) 中輪越障(c) 后輪越障圖1-7 六輪搖

40、臂探測機(jī)器人越障原理 索杰納采用了六輪搖臂探測機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，是JPL研制的一輛自主式的機(jī)器人車輛，同時(shí)又可從地面進(jìn)行遙控，如圖1-1所示。該車尺寸為630mm480mm，車輪直 徑130mm，上面裝有不銹鋼防滑鏈條，整車重量不超過11.5公斤。索杰納結(jié)構(gòu)基本上 是按Rocky4設(shè)計(jì)的。另外，6個(gè)車輪均為獨(dú)立懸掛，其傳動比為2000:1，因而能在復(fù) 雜的地形上行駛，特別是在軟沙地上。車的前后均有獨(dú)立的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。正常驅(qū)動功率 為10w時(shí)，最大速度為0.4m/s。索杰納是由太陽能電池陣列供電，可在 16v 電壓下提供最大 16w 的功率。它還裝有一個(gè)備用的鋰電池，可提供 150w/h 的最大功率。當(dāng)

41、火星車無法由太陽能電池供電 時(shí)，可由它獲得能量。為使索杰納能經(jīng)受住火星上的晝夜溫差，它的電子部件裝在一 個(gè)保溫盒中，利用隔熱層及電阻加熱部件，使小車白天在火星表面工作時(shí)，其電子部 件的溫度保持在40C+40C 之間。索杰納的體積小，動作靈活，利用其條形激 光器和攝像機(jī)，它可自主判斷前進(jìn)的道路上是否有障礙物，并作出行動的決定。FIDO 是 JPL 研制的一種高度自主控制的火星探測車，是 2003 年火星探測機(jī)器人 的原型，如圖 1-8 所示。該火星車的質(zhì)量略大于 60kg，外型尺寸為 100cm80cm50cm。 FIDO 也采用六輪搖桿懸吊式機(jī)械結(jié)構(gòu)，帶有三對黑白 CCD 立體相機(jī)、太陽姿態(tài)敏

42、感 器、三個(gè)石英陀螺加速計(jì)和車輪光學(xué)編碼器。安裝在底盤旁邊的四自由度機(jī)械臂可以 進(jìn)行挖掘、傾卸和抓取石塊。安裝在太陽能帆板狹槽中具有三個(gè)自由度的較長機(jī)械臂， 可以將一個(gè)立體相機(jī)和濾光器支起高出地面 1.4m。圖 1-8FIDOMARSOKHOD 火星探測車質(zhì)量為 75kg，裝載配置規(guī)格為 70 cm95 cm70cm， 操作配置規(guī)格為 120 cm95 cm100 cm，底盤為可變底盤，6 個(gè)由鈦合金制成的圓 錐形車輪可滾動或爬行，直徑為 35cm，最高速度為 0.15m/s，移動范圍為 100km，能 爬越的最大障礙物高度為 50cm，在土壤松散的地方，最大爬坡角度為 20(車輪模式) 或

43、35(車輪-爬行器模式)。此機(jī)器人準(zhǔn)備先探測月球，再探測火星。多輪機(jī)器人具有代表性的是前蘇聯(lián)的 Lunokhod 的八輪月球探測車。Lunokhod-21415（如圖 1-9 所示）整體尺寸為 170cm160cm135cm，重 840kg。八個(gè)車輪均有 獨(dú)立懸架、電機(jī)和剎車裝置，車輪不能轉(zhuǎn)向，依靠控制左右車輪不同的速度來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。圖 1-9Lunokhod 八輪月球探測車1.2.2 其它類型腿式移動機(jī)器人地形適應(yīng)能力強(qiáng)，能越過大的壕溝和臺階，其缺點(diǎn)是速度和效率 均比較低。此類機(jī)器人主要有美國 CMU 的 Ambler 機(jī)器人21、Daedalus 機(jī)器人、Dante 有纜八腿行走機(jī)器人等。其

44、中 Dante22于 1994 年成功地在阿留申山脈完成斯伯山 火山口的采樣工作。Dante和 Ambler 分別如圖 1-10a、b 所示。此外，日本以 ISAS 和日本宇宙開發(fā)事業(yè)團(tuán)（NASDA）為核心也開展了月球漫游 車的一系列研制工作。其中 ISAS 提出一種具有母車和子車結(jié)構(gòu)的月球漫游車方案。 母車由四輪獨(dú)立驅(qū)動，最大速度 1km/h，可跨躍 0.15m 高的障礙，并爬上傾角為 30 的斜坡。子車為六腿式結(jié)構(gòu)，腿不僅能移動，而且能兼作采樣的機(jī)械臂。這種方案具 有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。輪腿式移動機(jī)器人融合了腿式移動機(jī)構(gòu)的地形適應(yīng)能力和輪式移動機(jī)構(gòu)的高速高 效性能，其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜一些

45、。此類機(jī)器人主要有美國 JPL 的 Go-For23機(jī)器人 和日本 Tohoku 大學(xué)的 Chariot24機(jī)器人等。履帶式移動機(jī)器人地形適應(yīng)能力很強(qiáng)，動載荷小，設(shè)計(jì)緊湊，其缺點(diǎn)是重量大， 能耗大。履帶式移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟。這類機(jī)器人主要有美軍研制 Packbot、Talon 和 Matilda 等系列252627便攜式機(jī)器人。(a)Dante(b)Ambler(c) Packbot圖 1-10其它移動機(jī)構(gòu)Packbot 由美國 iROBOT 實(shí)驗(yàn)室研制，具有體積小、重量輕、便于運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)， 適合在狹窄地方使用。基本用途是在城區(qū)進(jìn)行機(jī)動軍事偵察和核生化勘測，將來也可 供警察、緊急

46、事故處理人員和營救人員使用，被美軍看作輕型無人偵察、戰(zhàn)術(shù)用機(jī)動 平臺的標(biāo)準(zhǔn)模板，并已在阿富汗和伊拉克戰(zhàn)爭中使用，如圖 1-10c 所示。Packbot 有 3 種型號：Packbot-Scout、Packbot-Explorer 和 Packbot-EOD。Packbot 為履帶式平臺，大小為 27167.14 英寸，重 40 磅，最大有效載荷 25 磅，通訊距離 是 1200 英尺，最大速度 14kmhr，一次充電行駛里程 10km，最大涉水深度 3m，遙 控移動，并有一定的自主移動能力，預(yù)留 5 個(gè)載荷設(shè)施接口，可搭載機(jī)械手、小型武 器或其它裝備，主要用于偵察和戰(zhàn)術(shù)實(shí)施。由于安裝有輔助轉(zhuǎn)臂

47、履帶，Packbot 越障 能力極強(qiáng)，能爬 60坡度樓梯，有多種越障方式，能越過比自身高度大許多的障礙， 可以從任何顛覆狀態(tài)下恢復(fù)到正常行駛狀態(tài)。輔助轉(zhuǎn)臂可拆卸，便于單兵攜帶。平臺 堅(jiān)固，抗沖擊能力強(qiáng)，可經(jīng)受 400G 的沖擊。由于從 3m 高度摔下不會損壞，因此， 可從建筑物的窗戶或低空飛行的直升機(jī)拋出。1.3 國內(nèi)空間探測機(jī)器人研究概況在國內(nèi)，以航天科技集團(tuán)北京控制工程研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、 西安交通大學(xué)、清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)以及中國科學(xué)技術(shù) 大學(xué)為主的一些科研機(jī)構(gòu)和高等院校，也相繼開展了有關(guān)月球探測及遙科學(xué)方面的研究工作。北京控制工程研究所承擔(dān)了“

48、月球表面探測機(jī)器人方案研究”的“863”項(xiàng)目， 運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)造了虛擬月面計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境29，對月球表面探測機(jī)器人的動力 學(xué)特性進(jìn)行了分析和仿真研究，對機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)對月球表 面探測機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，并取得了一些成果。哈爾濱工業(yè)大學(xué)針對深空探測成立了“深空探測基礎(chǔ)研究中心”，積極啟動了月 球探測的研究工作，取得了可喜的研究成果，已經(jīng)研制出了三輛不同類型的月球車的 樣車，即行星輪式16、兩輪并列式、六輪搖臂轉(zhuǎn)向架式17 ，如圖 1-11 所示。圖 1-11哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的月球車 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院鄧宗全、高海波33 62 63等結(jié)合月球表面的

49、復(fù)雜環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種行星越障輪式月球車，提高了月球車的越障能力。該車主要由車架、 懸架和行星越障輪等三大部分組成。在懸架設(shè)計(jì)上，考慮到行駛系統(tǒng)的越障性能，采 用了扭桿彈簧和磁彈簧減振器相結(jié)合的形式；在車輪設(shè)計(jì)上，考慮到車輪本身的越障 能力，采用了行星越障輪。為確定行星輪式月球車的垂直越障能力，通過簡化力學(xué)模 型，研究了兩個(gè)前輪同時(shí)越障、兩個(gè)后輪同時(shí)越障和單個(gè)車輪越障三種情況下行星車 輪可以爬過的垂直障礙高度與車輛參數(shù)之間的關(guān)系，同時(shí)計(jì)算了該車可以越過的最大 垂直障礙高度，并且用 ADAMS 軟件對這三種情況進(jìn)行了仿真分析。為減小行星輪式 月球車車體在垂直方向的振動加速度，建立了七自由度月球車的

50、振動系統(tǒng)模型，給出 了月球車振動系統(tǒng)的振動微分方程和頻率響應(yīng)函數(shù)的計(jì)算方法，在確定月球車的路面 輸入譜密度的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了車體在垂直方向位移輸出的二階導(dǎo)數(shù)均方根值的計(jì)算公 式，用 Matlab 軟件編寫的計(jì)算程序計(jì)算了車體在垂直方向位移輸出的二階導(dǎo)數(shù)的均方根值，從而確定了懸掛系統(tǒng)的扭桿彈簧剛度和減振器阻尼的合理數(shù)值范圍。模擬月球表面的溫度環(huán)境進(jìn)行了扭桿彈簧的扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)，確定了扭桿彈簧的扭轉(zhuǎn)疲勞次 數(shù)。在此基礎(chǔ)上，建立了扭桿彈簧懸架的動力學(xué)模型，通過此動力學(xué)模型及功率譜壽 命預(yù)測法推導(dǎo)出了扭桿彈簧疲勞壽命與懸架參數(shù)之間的關(guān)系式，估算了月球車的安全 行駛里程。哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院蔡則

51、蘇、洪炳熔32 64 等為解決輪式移動 機(jī)器人在崎嶇地形中的運(yùn)動問題，提出了基于搖桿-轉(zhuǎn)向架的帶有彈簧和移動滑塊的 月球車運(yùn)動學(xué)分析方法，在此基礎(chǔ)上詳細(xì)分析了 HIT-l 型月球車的 3D 運(yùn)動機(jī)制，推 導(dǎo)了月球車的正向運(yùn)動和反向運(yùn)動解。通過使用彈簧和關(guān)節(jié)滑塊改變車體的質(zhì)心分 布，可加強(qiáng)車體運(yùn)動重構(gòu)性，提高車體的牽引力，有效地規(guī)劃和控制月球車的動作。 為增強(qiáng)月球探測機(jī)器人在三維崎嶇環(huán)境下運(yùn)動的動態(tài)調(diào)整能力，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對 HIT-1 月球車進(jìn)行運(yùn)動學(xué)建模，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)從車輪雅可比矩陣導(dǎo)出了月球車六 個(gè)車輪的運(yùn)動學(xué)方程。用最小二乘法從六個(gè)車輪的單獨(dú)雅可比矩陣導(dǎo)出了月球車車體 的位置和方向

52、，用加速度計(jì)測量車體的俯仰角速度和滾動角速度，得到月球車的運(yùn)動 速度。哈爾濱工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程系王巍、梁斌13 31等在國家 863 項(xiàng)目“月球表面 探測機(jī)器人方案研究”的資助下，選擇了六輪搖臂懸吊式結(jié)構(gòu)作為研究對象，進(jìn)行結(jié) 構(gòu)改進(jìn)和參數(shù)優(yōu)化后，構(gòu)造了六輪月球漫游車模型。深入討論了基于虛擬現(xiàn)實(shí)預(yù)測仿 真技術(shù)的漫游車遙操作系統(tǒng)的解決方案，并對漫游車的自主控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，提 出了基于現(xiàn)場總線技術(shù)的自主控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系，從而減輕了控制系統(tǒng)的負(fù)荷，實(shí)現(xiàn) 了功能的分散，提高了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。同時(shí)，建立了月球漫游車的運(yùn)動學(xué)模 型，研究了月球漫游車點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)動控制問題。對包括漫游車車體、穩(wěn)定平

53、臺和傳感 器在內(nèi)的位姿運(yùn)動學(xué)進(jìn)行了分析，給出了一種用于位姿確定的簡潔方法。以四輪轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)為例，深入研究了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制問題。在對比例控制和常規(guī)前饋-反饋控制進(jìn) 行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的前饋-反饋轉(zhuǎn)向控制方案。針對月面的復(fù)雜環(huán)境， 提出建立一套智能傳感系統(tǒng)的思想，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在復(fù)雜、未知的環(huán)境中的自主導(dǎo) 航與控制。另外，根據(jù)月球探測機(jī)器人的任務(wù)要求，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，建立一個(gè)集 三維實(shí)體設(shè)計(jì)、動力學(xué)建模、控制、可視化仿真于一體的虛擬月面計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境，對月球機(jī)器人的靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)以及動力學(xué)進(jìn)行仿真研究，為月球探測機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)、動力學(xué)參數(shù)及控制算法的優(yōu)化提供了設(shè)計(jì)參數(shù)和驗(yàn)證場所。 西

54、安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院張力平和中科院沈陽自動化研究所機(jī)器人學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李斌等提出了可重構(gòu)星球探測機(jī)器人的概念66，通過設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)淖訖C(jī)器人連桿坐標(biāo) 系，利用 Denavit-Hartenberg 方法完成了子機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)建模，并直接給出了子機(jī) 器人的運(yùn)動學(xué)正解模型。綜合利用代數(shù)法、幾何法原理及空間投影關(guān)系，結(jié)合子機(jī)器 人的結(jié)構(gòu)特殊性推導(dǎo)出了運(yùn)動學(xué)逆解，得到了工作空間內(nèi)的所有解。并使用 OpenGL 對設(shè)計(jì)的子機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)。上海交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院劉方湖、馬培蓀181965等提出了一種由兩個(gè)機(jī)器人單 元組成的管道形、輪腿式月球探測機(jī)器人（PWLER）。每個(gè)機(jī)器人單元由管道連接而

55、 成的機(jī)體、圓柱形太陽能電池板、6 條可獨(dú)立運(yùn)動的輪腿和 1 個(gè)探測球組成。機(jī)器人 單元之間通過 1 根連接軸和 3 個(gè)相互平行的伸縮部件相連。每個(gè)伸縮部件由繩子、普 通螺旋彈簧和電動機(jī)組成，機(jī)器人重 1.6 kg，長 360 mm ，寬 440 mm ，高 392 mm， 球形輪半徑 82 mm。PWLER 在結(jié)構(gòu)上的最大特點(diǎn)是采用輪腿和管道結(jié)構(gòu)。PWLER 能越過寬度為前、后輪之間距離 1/3 的壕溝和高度為 1/3 腿長的臺階；爬坡時(shí)能保持 機(jī)體處于水平狀態(tài)；通過增加管道，可很容易地進(jìn)行容積和探測功能的擴(kuò)展；傾翻對 PWLER 的行駛沒有影響。針對月球的微重力特性、地形的不連續(xù)性、部分驅(qū)

56、動輪打 滑、部分車輪短時(shí)間離開地面甚至機(jī)器人發(fā)生側(cè)翻的復(fù)雜情況，用移動機(jī)器人在不同 時(shí)刻不同斜面上的運(yùn)動學(xué)模型組成機(jī)器人在崎嶇不平地面上行駛的復(fù)合運(yùn)動學(xué)模型的 方法(TPCM)，為 PWLER 建立了正向和逆向運(yùn)動學(xué)模型。運(yùn)用正向運(yùn)動學(xué)模型，根據(jù) PWLER 各驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速可估算出機(jī)器人相對于絕對坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)。運(yùn)用逆向 運(yùn)動學(xué)模型，根據(jù) PWLER 期望的前進(jìn)速度和轉(zhuǎn)彎半徑可確定出各驅(qū)動輪的速度。從 而為 PWLER 在三維地形上的自主導(dǎo)航和路徑跟蹤提供了理論依據(jù)。上海交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院劉方湖、陳建平等還提出了一種五輪月球機(jī)器人 (FWALR) 20108。FWALR 的車輪 1、 2、 3 均能獨(dú)立驅(qū)動和獨(dú)立轉(zhuǎn)向，車輪 4、 5 是 從動輪，沒有獨(dú)立驅(qū)動和獨(dú)立轉(zhuǎn)向的能力，所以，如果車輪 1、車輪