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《哈尔滨工业大学》 2009年 博士论文
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串联多关节悬架六轮月球车移动系统及其关键技术研究

陶建国  
【摘要】:月球探测车(简称月球车)移动系统是月球着陆探测必不可少的设备,是月面巡视勘察和取样返回的主要实施工具,其运动学和动力学性能的优劣,直接关系到探测任务的完成与否。本文提出并深入研究了具有串联多关节悬架的六轮月球车移动系统,主要开展了以下几方面的工作。 对月球车移动系统总体设计中的关键技术进行了深入研究。在对移动系统构型综合和分析的基础上,提出了兼有被动和主动两种地形适应方式的混合适应型六轮移动系统,总体方案采用六轮独立驱动以及通过连杆差动平衡机构连接的串联多关节悬架,以保障各车轮均载及良好的牵引性能。在总体设计的基础上,以外包络尺寸最小为目标函数,将运动能力保障条件转化为几何约束条件,进行了移动系统机构尺寸的优化设计计算,确定了移动系统的技术参数。在此基础上,进行了移动系统本体结构设计,采用了带有轮刺的圆柱—圆锥形薄壁轮体、陶瓷轴承以及金属橡胶减振器等技术,以解决月面环境适应性设计问题。根据结构设计,建立了移动系统Pro/E三维实体模型和ADAMS仿真模型,为样机研制和仿真分析奠定了基础。 本文对所设计的移动系统的运动性能进行了深入研究。为了充分发挥该六轮移动系统混合适应型的优点,根据系统的特点设计了几种不同的运动模式,并阐述了各运动模式的运动原理,为移动系统的地形通过性分析提供了依据。在归纳分析了移动系统失去地形通过性的几种常见类型基础上,确定了系统地形纵向通过性和横向通过性的几何条件。对于移动系统的障碍通过性能力,根据月球车运动速度低的特点,采用了准静力学方法进行研究,建立系统的准静力学平衡一般方程,研究系统越障时的临界状态和通过能力;鉴于两轮同时越障难度最大,利用准静力学平衡方程,并确定出运动约束几何条件。对移动系统在被动适应和主动适应两种方式下,两轮同时爬越垂直障碍、穿越壕沟和爬坡的通过性条件分别进行了推导和计算,获得了越障能力与轮地牵引系数的关系曲线和极限条件。此外,建立相应的ADAMS越障模型,对移动系统各种运动模式下的越障通过性进行了仿真分析,并与理论计算结果进行了比较,验证了理论计算值的可信性。 本文对移动系统进行运动学建模和仿真分析。应用考虑车轮滑移的轮地接触变换矩阵,并结合悬架的D—H变换矩阵,建立了该系统在三维地形中存在滑移运动的正运动学模型,进而推导了考虑滑移影响的运动速度雅克比矩阵,建立起车轮与主车体之间的运动速度关系。此外,给出了系统的逆运动学方程求解方法,建立了描述崎岖地形的路径模型,并利用ADAMS软件对崎岖月面运行的移动系统进行运动学仿真,以获得各车轮和主车体运动变化的规律。 为分析移动系统的动力学特性,基于车辆——地面力学理论,通过引入和定义当量牵引系数概念,推导了松软地面环境下的轮地作用简化模型;并以此为基础,应用多体系统动力学中的凯恩方程法,建立了移动系统在崎岖地形下的动力学模型,推导出其动力学矢量方程式。对于移动系统的运动平顺性研究,鉴于系统振动理论模型及求解的复杂性,利用弹簧和阻尼模型模拟金属橡胶减振器,在ADAMS软件中构建了前轮装有减振器的移动系统运动仿真模型,对移动系统被动适应模式下,在水平硬地面和越障时的前、后车轮平台的运动平顺性进行了仿真对比,验证了所设计的金属橡胶减振器的减振效果。 本文研制了具有串联多关节悬架的六轮月球车移动系统原理样机和车轮牵引特性多功能测试装置,对移动系统的圆柱——圆锥形车轮在松软沙土上的牵引特性进行了测试和分析,获得了车轮牵引特性各种指标的参数曲线,并给出了移动系统运动时车轮较适宜的滑转率范围。在构建的不同模拟月面地形环境下,对原理样机的移动速度和可控性、被动适应与主动适应两种方式的越障通过性、金属橡胶减振器的减振性能进行了重点测试,验证了理论计算和仿真分析结果的有效性;同时,为便于给移动系统的运动性能测试和分析提供比较基准,提出了综合考虑整机牵引特性的均一当量牵引系数概念,并给出了相应的测定方法。试验表明本文研制的移动系统原理样机能够在复杂、非结构化地形环境中成功运行,且具有较强的地形适应性和越障通过性。


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