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华中科技大学博士学位论文空间探测机器人移动机构及系统研究姓名：申请学位级别：博士专业：机械设计及理论指导教师：20110401华中科技大学博士学位论文摘要未来的空间探测任务要求机器人系统能够在预先未知或非结构化的环境中执行变 化的任务，机器人移动平台应具备良好的几何通过性、越障性、抗倾覆性、行驶平顺 性、牵引控制特性和能耗特性。轮式移动机器人具有结构简单、质量轻、高速高效、 实用等优点，国内外空间探测机器人的研究以轮式机器人为主。论文以轮式空间探测 机器人为研究对象，通过对空间探测机器人移动机构的创新设计、综合评价与优化理 论和方法，双曲柄滑块探测机器人的设计、分析与样机研制，主动自适应悬架机器人 的配置模型和主动配置方法等关键技术的研究，在移动机构创新设计及理论、高性能 月球探测机器人研究方面取得一些进展，为我国月球探测机器人研究提供技术支持和 高性能移动平台。本文的主要工作和成果如下：1、提出了基于构形组合的空间探测机器人设计方法。将轮式空间探测机器人视 为由轮系、悬架和车体三类子构形组合而成的多体系统，提出同构组合和异构组合两 类设计模式。通过分析国内外经典空间探测机器人构形和构形创新，抽象得到 4 种轮 系构形、5 种悬架构形和 5 种车体构形。以四轮、六轮和八轮空间探测机器人为研究 对象，采用基于构形组合的空间探测机器人设计方法，得到 70 种新型同构组合空间 探测机器人移动机构和 165 种新型异构组合空间探测机器人移动机构。2、通过分析空间探测机器人的移动性能需求，建立了空间探测机器人的移动性 能评价模型。移动性能的主要评价指标包括：地面自适应性、行驶平顺性、越障爬坡 性能、抗颠覆能力、转向灵敏度等。该评价模型的提出，可为空间探测机器人的评价 与优化提供依据。3、开展空间探测机器人综合评价与优化方法研究，建立了一个基于虚拟样机的 空间探测机器人综合评价与分析平台。平台通过建立参数化的构形库，支持模块组合、 模块创新和模块替换三种空间探测机器人设计模式，极大地提高了虚拟样机建模效率 和建模精度。平台可从机械系统和控制系统两方面对空间探测机器人进行分析，得到优化的结构参数和控制软件。4、提出了一种六轮月球车双曲柄滑块联动悬架系统，对其结构和原理进行介绍， 并建立了参数化的虚拟样机模型。基于空间探测机器人移动性评价模型，对双曲柄滑 块探测机器人和六轮摇臂探测机器人的各项移动性能分别进行了仿真、分析和优化， 得到了两种探测机器人的优化参数。基于一致性假设条件，采用虚拟样机技术分析比 较了二者的移动性能差异。仿真结果显示：双曲柄滑块探测机器人的平顺性、地面适 应性、转向灵敏度优于六轮摇臂探测机器人，越障性能与六轮摇臂探测机器人相当， 抗倾覆性不如六轮摇臂探测机器人。因此，得到双曲柄滑块探测机器人的总体性能优 于六轮摇臂探测机器人结论。5、研制了双曲柄滑块探测机器人物理样机，样机机电系统采用模块化设计，维 修性和可靠性能得到保证。室内测试和场地试验表明，双曲柄滑块探测机器人的主要 移动性能指标(速度 0.1m/s，越障 0.20m，爬坡 30o)基本满足探月需求。需要进一步研 究和分析的内容是提高月球探测机器人对月球环境的适应能力，包括机械系统的质 量、结构和材料、电子系统的抗辐射和抗干扰等。6、针对双曲柄滑块等自适应悬架机器人的不足，结合主动悬架机器人和自适应 悬架机器人的优点，首次提出了主动自适应悬架机器人的概念和原理样机。以六轮摇 臂主动自适应悬架机器人为对象，进行了虚拟样机分析与仿真。结果表明，主动自适 应悬架机器人的综合移动性能得到极大提高。 主动自适应悬架机器人的提出，为月 球探测机器人的研制提供了一种有效的解决思路。关键词：空间探测机器人月球车机器人移动机构构形组合虚拟样机 移动性优化设计机电控制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, untipover 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 exploring 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-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 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 mechanism 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, were 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 combination,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-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 supporting 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 library, 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 control 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 parameterized 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 assumption 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 equal 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 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 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 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 showed 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,Virtualprototype,Mobolity,Optimizationdesign, Electromechanical control独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密，在 年解密后适用本授权书。本论文属于 不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学博士学位论文1 绪论1.1 课题研究背景及意义据 2000 年中国的航天白皮书介绍，中国根据国家发展的现实需求和长远目 标，正在制定面向二十一世纪的航天发展战略和规划，加快发展航天事业。其中发展 空间科学，开展深空探测，建立新型的科学探测与技术试验卫星系列，加强空间微重 力、空间材料科学、空间生命科学、空间环境和空间天文研究，开展以月球探测为主 的深空探测的预先研究是今后十年或稍后一个时期中国航天事业的发展目标之一。2004年，我国将近期的探月计划明确地分为三期，从而将月球探测提上日程。“嫦 娥”一期是“绕”，即在最近的2到3年，发射月球探测器。探测任务是测量全月面的 三维地形、地貌和地质构造，目的是获取全月面三维影像，高精度立体“地图”将使 我们对月球有更深入的了解；探测月球有可能对人类有用的能源、资源的分布特征和 分布规律，美国曾对月球上的5种资源进行探测，我们将探测14种；探测月壤厚度及 分布，估算氦3及其它气体的资源量；监测地月空间环境。“嫦娥”二期是“落”， 即发射月球探测器软着陆和月球车巡视探测。探测地点将根据第一阶段卫星用1年时 间拍回的精密“地图”来圈定；精细探测对象是着陆区的土壤、岩石和环境，这将为 建设月基天文台，进一步开展月球研究打好基础。“嫦娥”三期是“回”，即发射小型 采样返回舱、月面钻岩机和月球机器人等，通过月球车、机器人等进行现场探测，采 集有关样品，返回地面进行研究，为载人登月和月球基地选址提供有关数据。月球探测机器人是二期“落月工程”中的主角，预计于 2012 年发射。由月球探 测机器人代替宇航员，不仅可降低探测费用、探测风险，而且车载的各种测量仪器可 以收集月球表面的物理属性信息，初步了解月球表面的环境状况和物质构成，为宇航 员登陆作好准备。目前国内已有多家单位开始研制月球探测机器人，特别是“嫦娥工 程”正式启动后，创新研制性能优良的月球探测机器人就显得尤为迫切。月球探测机 器人的研制涉及到多个学科领域，是人工智能、自动控制、机构学、信息技术及计算机技术等高新技术的结晶。月球车能否在未知的恶劣环境中完成任务将直接关系到整个“嫦娥工程”的成败，其中高灵活性、高机动性的移动机构是月球车整个系统的关 键，其性能的优劣、工作的稳定性和可靠性将直接影响月球车的使用性能和作业寿命。未来的空间探测任务要求机器人系统能够在预先未知或非结构化的环境中执行变 化的任务，机器人移动平台应具备良好的几何通过性、越障性、抗倾覆性、行驶平顺 性、牵引控制特性和能耗特性。轮式移动机器人具有结构简单、质量轻、高速高效、 实用等优点，因此，国内外空间探测机器人的研究以轮式机器人为主。本课题以月球探测机器人为研究对象，通过对空间探测机器人移动机构的创新设 计、综合评价与优化理论和方法，双曲柄滑块空间探测机器人的设计、分析与样机研 制，主动自适应悬架机器人的配置模型和主动配置方法等关键技术的研究，争取在移 动机构创新设计及理论、高性能月球探测机器人研究方面取得一些进展，为我国月球 探测机器人研究提供技术支持和高性能移动平台。课题研究得到国家自然科学基金重点项目“未知环境中移动机器人导航控制的理 论与方法研究”(60234030)和国防科学技术大学预先研究项目“月球探测机器人关键 技术研究”资助。1.2 国外空间探测机器人研究概况由于移动机构在空间探测机器人系统中的重要地位，国外许多机构都在研究机器 人移动机构。比较著名的研究机构有：美国卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon University，简称 CMU）1、美国喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，简称 JPL） 2、芬兰赫尔辛基工业大学（Helsinki University of Technology，简称 HUT）3和欧洲 航天局等。各国的研究人员基于不同的原理和性能侧重点提出并试验了多种类型的移 动机构，根据机器人移动机构的特点，基本可分为轮式、腿式、轮腿式和履带式等类 型。轮式移动机器人具有高速高效的性能，但越过壕沟、台阶的能力较低。腿式移动 机器人地形适应能力强，能越过大的壕沟和台阶，其缺点是速度和效率均比较低。履 带式移动机器人地形适应能力很强，动载荷小，设计紧凑，其缺点是重量大，能耗大。 轮腿式移动机器人融合了腿式移动机构的地形适应能力和轮式移动机构的高速高效性能，其缺点是结构相对复杂。1.2.1 轮式机器人轮式移动机器人虽然越过壕沟、台阶的能力较低，但具有高速高效的性能，在一 般地形中具有相当的优势（运动迅速、平稳）。尽管其比较适合平缓的环境，但可以 通过选择合适的悬架系统来使其适应凹凸不平的地形。轮式星球探测机器人因技术成 熟而得以广泛应用，其中有些已经成功地用于实际的行星探测，如：1997 年发射的“索 杰纳”火星车（如图 1-1 所示），2003 年发射的“勇气号”和“机遇号”（如图 1-2 所 示）火星车。图 1-1索杰纳图 1-2勇气号 轮式机器人按车轮的数量可以分为单轮、三轮、四轮、五轮、六轮和多轮等类型。单轮机器人、三轮机器人因其稳定性差，不适于进行行星探测，研究的相对较少。 四轮机器人具有代表性的是芬兰 HUT 的新一代步行机器人 WorkPartner3，美国CMU 开发的 Nomad 机器人等。Nomad45的特色就是采用独特的可变性底盘和均化悬 架系统，四轮驱动，四轮转向。这种推进装置、转向机构和悬架能够提供高效的牵引 和运动的灵活性。Nomad 的底盘在相同转向驱动器作用下，可通过两个四杆机构进行折叠、展开以 改变车轮位置和转动方向。当底盘展开时，四杆机构变成一个菱形；当底盘收缩时， 四杆机构变成一条直线。轮子的直径为 76.2cm，宽为 50.8cm，最大可以爬上 35的斜 坡，最大越障高度是 0.55m，最大行进速度是 0.5m/s，平均速度大约是 0.3m/s，如图1-3 所示。在崎岖地面运动时，底盘展开到 2.2m2.4m 以提高稳定性和推进力，存放时折叠为 1.8m1.8m 大小。均化悬架系统用来缓减车体相对于车轮的运动。每边的两个车轮通过转向连杆机构联接在悬架中，悬架相对于车体中心处的轴可以倾斜，枢 轴装在悬架中间，枢轴的纵向位移是悬架两个车轮纵向位移的平均。漫游车的车体也 同样如此，车体中心处的位移是四个车轮纵向位移的平均，车体的倾斜是两个悬架倾 斜的平均，可以降低崎岖地面对车体和影响。图 1-3Nomad 变形底盘 五轮机器人具有代表性的是由日本航宇中心（ISAS）和梅基大学（Meiji University）等研制开发的 Micro56，它是一种体积小、质量轻、低能耗的行星车。Micro5 质量约 为 5kg，外型尺寸为 55cm53cm25cm，车轮直径为 10cm。可以越过 15cm 的台阶， 爬上 40的斜坡，车速为 1.5cm/s。该车具有一种新的五点悬吊结构PEGASUS（Pentad Grade Assist Suspension）悬架系统，PEGASUS 既有摇臂悬吊结构的高灵活机动性， 又有一点连接的简单结构，使 Micro5 漫游车能够以低耗能爬越阶梯地形。这种新颖 的结构既具有四轮漫游车机械结构的简单轻巧，又具有六轮漫游车的高运动灵活性。图 1-4Micro5 原理图Micro5 由一个常规四轮机构和通过连杆连接的第五个支撑轮组成，四个角轮为驱 动轮，中间轮为被动的支撑轮，整个车体从支撑轮的支点处分为可以相对转动的两部分，如图 1-4 所示。第五个活动轮可以绕横梁的节点自由转动，通过它的转动来调整重力在各个车轮上的分力，从而提高车体的稳定性和越野性能。在爬坡和下坡时，五 个车轮能够平均的承担负载。也就是说，当前轮越过岩石时，第五个车轮承担前轮应 当承担的负载；当后轮越过岩石时，第五个车轮承担后轮应当承担的负载，如图 1-5 所示。图 1-5Micro5越障示意图六轮机器人具有代表性的是美国 JPL 设计的 MFEX （ Microrover Flight Experiment ）、 Rocky 系列 789 和 FIDO10 等小型漫游车，以及前苏联研制的 MARSOKHOD火星探测车11等。表 1-1：美国 JPL 火星车发展历程年3 节式摇臂式4 轮主动悬架3 轮遥控自主遥控自主遥控自主遥控1987BlueRover1990RobbyPantographRockyRocky 319928-WheelerRocky 4Gofor1997LSRRocky3.2 Rocky 4.2Rocky7 SojournerNanoRover1998SRRInflatable1999FIDO2000Rocky82003MER美国JPL是火星探测车主要研制单位，在星球表面科学探测漫游车技术方面，代表了这个领域的最高水平。其发展的火星探测车以轮式为主，主要有三节、摇臂-转向悬挂、四轮主动悬挂和三轮等系列（表1-1），其中六轮摇臂探测机器人是美国重点发展的对象。 六轮摇臂探测机器人采用Rocky系列悬架系统，由车体、左悬架、右悬架和轮系四部分组成，如图1-6所示。六轮摇臂吊杠悬架由主摇臂和副摇臂组成，左、右悬架 的主摇臂与车体差速齿轮的中心轴固联，借助差速轮系相对于车体转动。当在不平路 面上行驶时，通过主摇臂和副摇臂的摆动，能达到地面自适应、增强越障能力和行驶平顺性的目的。副摇臂主摇臂车体图 1-6六轮摇臂悬架结构六轮摇臂探测机器人对地面的自适应和越障主要通过主摇臂相对车体和副摇臂的 转动实现。如图1-7所示，前轮越障时，副摇臂顺时针转动，前轮上升，中轮下降。 中轮越障时，副摇臂逆时针转动，前轮下降，中轮上升。后轮越障时，主摇臂逆时针转动，前轮和中轮下降，后轮上升。车体副摇臂主摇臂(a) 前轮越障( b) 中轮越障(c) 后轮越障图1-7 六轮摇臂探测机器人越障原理 索杰纳采用了六轮摇臂探测机器人的结构，是JPL研制的一辆自主式的机器人车辆，同时又可从地面进行遥控，如图1-1所示。该车尺寸为630mm480mm，车轮直 径130mm，上面装有不锈钢防滑链条，整车重量不超过11.5公斤。索杰纳结构基本上 是按Rocky4设计的。另外，6个车轮均为独立悬挂，其传动比为2000:1，因而能在复 杂的地形上行驶，特别是在软沙地上。车的前后均有独立的转向机构。正常驱动功率 为10w时，最大速度为0.4m/s。索杰纳是由太阳能电池阵列供电，可在 16v 电压下提供最大 16w 的功率。它还装有一个备用的锂电池，可提供 150w/h 的最大功率。当火星车无法由太阳能电池供电 时，可由它获得能量。为使索杰纳能经受住火星上的昼夜温差，它的电子部件装在一 个保温盒中，利用隔热层及电阻加热部件，使小车白天在火星表面工作时，其电子部 件的温度保持在40C+40C 之间。索杰纳的体积小，动作灵活，利用其条形激 光器和摄像机，它可自主判断前进的道路上是否有障碍物，并作出行动的决定。FIDO 是 JPL 研制的一种高度自主控制的火星探测车，是 2003 年火星探测机器人 的原型，如图 1-8 所示。该火星车的质量略大于 60kg，外型尺寸为 100cm80cm50cm。 FIDO 也采用六轮摇杆悬吊式机械结构，带有三对黑白 CCD 立体相机、太阳姿态敏感 器、三个石英陀螺加速计和车轮光学编码器。安装在底盘旁边的四自由度机械臂可以 进行挖掘、倾卸和抓取石块。安装在太阳能帆板狭槽中具有三个自由度的较长机械臂， 可以将一个立体相机和滤光器支起高出地面 1.4m。图 1-8FIDOMARSOKHOD 火星探测车质量为 75kg，装载配置规格为 70 cm95 cm70cm， 操作配置规格为 120 cm95 cm100 cm，底盘为可变底盘，6 个由钛合金制成的圆 锥形车轮可滚动或爬行，直径为 35cm，最高速度为 0.15m/s，移动范围为 100km，能 爬越的最大障碍物高度为 50cm，在土壤松散的地方，最大爬坡角度为 20(车轮模式) 或 35(车轮-爬行器模式)。此机器人准备先探测月球，再探测火星。多轮机器人具有代表性的是前苏联的 Lunokhod 的八轮月球探测车。Lunokhod-21415（如图 1-9 所示）整体尺寸为 170cm160cm135cm，重 840kg。八个车轮均有 独立悬架、电机和刹车装置，车轮不能转向，依靠控制左右车轮不同的速度来实现转向。图 1-9Lunokhod 八轮月球探测车1.2.2 其它类型腿式移动机器人地形适应能力强，能越过大的壕沟和台阶，其缺点是速度和效率 均比较低。此类机器人主要有美国 CMU 的 Ambler 机器人21、Daedalus 机器人、Dante 有缆八腿行走机器人等。其中 Dante22于 1994 年成功地在阿留申山脉完成斯伯山 火山口的采样工作。Dante和 Ambler 分别如图 1-10a、b 所示。此外，日本以 ISAS 和日本宇宙开发事业团（NASDA）为核心也开展了月球漫游 车的一系列研制工作。其中 ISAS 提出一种具有母车和子车结构的月球漫游车方案。 母车由四轮独立驱动，最大速度 1km/h，可跨跃 0.15m 高的障碍，并爬上倾角为 30 的斜坡。子车为六腿式结构，腿不仅能移动，而且能兼作采样的机械臂。这种方案具 有较强的环境适应能力。轮腿式移动机器人融合了腿式移动机构的地形适应能力和轮式移动机构的高速高 效性能，其缺点是结构相对复杂一些。此类机器人主要有美国 JPL 的 Go-For23机器人 和日本 Tohoku 大学的 Chariot24机器人等。履带式移动机器人地形适应能力很强，动载荷小，设计紧凑，其缺点是重量大， 能耗大。履带式移动机器人的结构现在已经比较成熟。这类机器人主要有美军研制 Packbot、Talon 和 Matilda 等系列252627便携式机器人。(a)Dante(b)Ambler(c) Packbot图 1-10其它移动机构Packbot 由美国 iROBOT 实验室研制，具有体积小、重量轻、便于运输等特点， 适合在狭窄地方使用。基本用途是在城区进行机动军事侦察和核生化勘测，将来也可 供警察、紧急事故处理人员和营救人员使用，被美军看作轻型无人侦察、战术用机动 平台的标准模板，并已在阿富汗和伊拉克战争中使用，如图 1-10c 所示。Packbot 有 3 种型号：Packbot-Scout、Packbot-Explorer 和 Packbot-EOD。Packbot 为履带式平台，大小为 27167.14 英寸，重 40 磅，最大有效载荷 25 磅，通讯距离 是 1200 英尺，最大速度 14kmhr，一次充电行驶里程 10km，最大涉水深度 3m，遥 控移动，并有一定的自主移动能力，预留 5 个载荷设施接口，可搭载机械手、小型武 器或其它装备，主要用于侦察和战术实施。由于安装有辅助转臂履带，Packbot 越障 能力极强，能爬 60坡度楼梯，有多种越障方式，能越过比自身高度大许多的障碍， 可以从任何颠覆状态下恢复到正常行驶状态。辅助转臂可拆卸，便于单兵携带。平台 坚固，抗冲击能力强，可经受 400G 的冲击。由于从 3m 高度摔下不会损坏，因此， 可从建筑物的窗户或低空飞行的直升机抛出。1.3 国内空间探测机器人研究概况在国内，以航天科技集团北京控制工程研究所、哈尔滨工业大学、上海交通大学、 西安交通大学、清华大学、北京航空航天大学、国防科学技术大学以及中国科学技术 大学为主的一些科研机构和高等院校，也相继开展了有关月球探测及遥科学方面的研究工作。北京控制工程研究所承担了“月球表面探测机器人方案研究”的“863”项目， 运用虚拟现实技术构造了虚拟月面计算机仿真环境29，对月球表面探测机器人的动力 学特性进行了分析和仿真研究，对机器人的机械结构进行了优化设计，同时对月球表 面探测机器人的关键技术进行了深入的研究，并取得了一些成果。哈尔滨工业大学针对深空探测成立了“深空探测基础研究中心”，积极启动了月 球探测的研究工作，取得了可喜的研究成果，已经研制出了三辆不同类型的月球车的 样车，即行星轮式16、两轮并列式、六轮摇臂转向架式17 ，如图 1-11 所示。图 1-11哈尔滨工业大学研制的月球车 哈尔滨工业大学机电工程学院邓宗全、高海波33 62 63等结合月球表面的复杂环境，设计了一种行星越障轮式月球车，提高了月球车的越障能力。该车主要由车架、 悬架和行星越障轮等三大部分组成。在悬架设计上，考虑到行驶系统的越障性能，采 用了扭杆弹簧和磁弹簧减振器相结合的形式；在车轮设计上，考虑到车轮本身的越障 能力，采用了行星越障轮。为确定行星轮式月球车的垂直越障能力，通过简化力学模 型，研究了两个前轮同时越障、两个后轮同时越障和单个车轮越障三种情况下行星车 轮可以爬过的垂直障碍高度与车辆参数之间的关系，同时计算了该车可以越过的最大 垂直障碍高度，并且用 ADAMS 软件对这三种情况进行了仿真分析。为减小行星轮式 月球车车体在垂直方向的振动加速度，建立了七自由度月球车的振动系统模型，给出 了月球车振动系统的振动微分方程和频率响应函数的计算方法，在确定月球车的路面 输入谱密度的基础上推导了车体在垂直方向位移输出的二阶导数均方根值的计算公 式，用 Matlab 软件编写的计算程序计算了车体在垂直方向位移输出的二阶导数的均方根值，从而确定了悬挂系统的扭杆弹簧刚度和减振器阻尼的合理数值范围。模拟月球表面的温度环境进行了扭杆弹簧的扭转疲劳试验，确定了扭杆弹簧的扭转疲劳次 数。在此基础上，建立了扭杆弹簧悬架的动力学模型，通过此动力学模型及功率谱寿 命预测法推导出了扭杆弹簧疲劳寿命与悬架参数之间的关系式，估算了月球车的安全 行驶里程。哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院蔡则苏、洪炳熔32 64 等为解决轮式移动 机器人在崎岖地形中的运动问题，提出了基于摇杆-转向架的带有弹簧和移动滑块的 月球车运动学分析方法，在此基础上详细分析了 HIT-l 型月球车的 3D 运动机制，推 导了月球车的正向运动和反向运动解。通过使用弹簧和关节滑块改变车体的质心分 布，可加强车体运动重构性，提高车体的牵引力，有效地规划和控制月球车的动作。 为增强月球探测机器人在三维崎岖环境下运动的动态调整能力，采用虚拟样机技术对 HIT-1 月球车进行运动学建模，采用虚拟样机技术从车轮雅可比矩阵导出了月球车六 个车轮的运动学方程。用最小二乘法从六个车轮的单独雅可比矩阵导出了月球车车体 的位置和方向，用加速度计测量车体的俯仰角速度和滚动角速度，得到月球车的运动 速度。哈尔滨工业大学控制科学与工程系王巍、梁斌13 31等在国家 863 项目“月球表面 探测机器人方案研究”的资助下，选择了六轮摇臂悬吊式结构作为研究对象，进行结 构改进和参数优化后，构造了六轮月球漫游车模型。深入讨论了基于虚拟现实预测仿 真技术的漫游车遥操作系统的解决方案，并对漫游车的自主控制系统进行了设计，提 出了基于现场总线技术的自主控制系统结构体系，从而减轻了控制系统的负荷，实现 了功能的分散，提高了系统的可靠性和实时性。同时，建立了月球漫游车的运动学模 型，研究了月球漫游车点到点的运动控制问题。对包括漫游车车体、稳定平台和传感 器在内的位姿运动学进行了分析，给出了一种用于位姿确定的简洁方法。以四轮转向 系统为例，深入研究了转向系统的控制问题。在对比例控制和常规前馈-反馈控制进 行分析的基础上，提出了一种改进的前馈-反馈转向控制方案。针对月面的复杂环境， 提出建立一套智能传感系统的思想，从而实现机器人在复杂、未知的环境中的自主导 航与控制。另外，根据月球探测机器人的任务要求，采用虚拟样机技术，建立一个集 三维实体设计、动力学建模、控制、可视化仿真于一体的虚拟月面计算机仿真环境，对月球机器人的静力学、运动学以及动力学进行仿真研究，为月球探测机器人结构参数、动力学参数及控制算法的优化提供了设计参数和验证场所。 西安交通大学机械工程学院张力平和中科院沈阳自动化研究所机器人学重点实验室李斌等提出了可重构星球探测机器人的概念66，通过设计恰当的子机器人连杆坐标 系，利用 Denavit-Hartenberg 方法完成了子机器人的运动学建模，并直接给出了子机 器人的运动学正解模型。综合利用代数法、几何法原理及空间投影关系，结合子机器 人的结构特殊性推导出了运动学逆解，得到了工作空间内的所有解。并使用 OpenGL 对设计的子机器人系统进行了运动学仿真实验。上海交通大学机械工程学院刘方湖、马培荪181965等提出了一种由两个机器人单 元组成的管道形、轮腿式月球探测机器人（PWLER）。每个机器人单元由管道连接而 成的机体、圆柱形太阳能电池板、6 条可独立运动的轮腿和 1 个探测球组成。机器人 单元之间通过 1 根连接轴和 3 个相互平行的伸缩部件相连。每个伸缩部件由绳子、普 通螺旋弹簧和电动机组成，机器人重 1.6 kg，长 360 mm ，宽 440 mm ，高 392 mm， 球形轮半径 82 mm。PWLER 在结构上的最大特点是采用轮腿和管道结构。PWLER 能越过宽度为前、后轮之间距离 1/3 的壕沟和高度为 1/3 腿长的台阶；爬坡时能保持 机体处于水平状态；通过增加管道，可很容易地进行容积和探测功能的扩展；倾翻对 PWLER 的行驶没有影响。针对月球的微重力特性、地形的不连续性、部分驱动轮打 滑、部分车轮短时间离开地面甚至机器人发生侧翻的复杂情况，用移动机器人在不同 时刻不同斜面上的运动学模型组成机器人在崎岖不平地面上行驶的复合运动学模型的 方法(TPCM)，为 PWLER 建立了正向和逆向运动学模型。运用正向运动学模型，根据 PWLER 各驱动轮的转速可估算出机器人相对于绝对坐标系的位置和姿态。运用逆向 运动学模型，根据 PWLER 期望的前进速度和转弯半径可确定出各驱动轮的速度。从 而为 PWLER 在三维地形上的自主导航和路径跟踪提供了理论依据。上海交通大学机械工程学院刘方湖、陈建平等还提出了一种五轮月球机器人 (FWALR) 20108。FWALR 的车轮 1、 2、 3 均能独立驱动和独立转向，车轮 4、 5 是 从动轮，没有独立驱动和独立转向的能力，所以，如果车轮 1、车轮 2 和 3、车轮 4 和 5 这三组之一出故障，剩下的车轮仍然能组成一个具备驱动和转向功能的底盘，依 然可保证机器人能继续行走。正常行驶时，车轮 2、 3 只作驱动轮，不作转向轮，车轮 1 既作驱动轮又作转向轮。各车轮半径均相等。机器人采用 7 个电机，6 个电机用于驱动车轮 1、 2、 3 及其转向，一个电机用于驱动俯仰齿轮副。俯仰齿轮副用于机 器人越障时使机器人的俯仰车架能够离开地面。电磁铁用于机器人倒退行驶时限制机 器人前、后车架绕垂直于地面的轴的相对转动。前、后车架由两个相互垂直的铰链连 接。这种结构使机器人既能获得很小的转弯半径，又能保证机器人的五个轮子在凹凸 不平的路面上任何时候均能与地面保持接触，还能保证机器人在转弯时车轮 4、5 作 纯滚动，不发生滑动。北京航空航天大学李端玲博士67在张启先教授的指导下，根据变胞机构的对称性 及可组合性的特点，针对月球探测的特殊需要，设计了一种可折叠变轮月球车概念模 型。该模型改进了传统的轮式传动和固定车架结构，既可改变车轮直径大小，又可改 变车体的大小，便于越障、运输及保存。另外，还研究了可折叠变轮月球车概念模型 运动过程中，控制其实现预期的运动及一定状态下的锁紧装置设计等关键问题。清华大学30在月球表面环境及月球车几何建模方面作了大量的工作，并对所采用 的电机进行了一定的研究。此外，中国科学技术大学空间科学研究中心对月球车的总 体方案及关键技术进行了一系列的研究工作。中国科学院沈阳自动化研究所也研制了 “勇士号”核工业作业机器人和 PXJ-排险机器人28等。1.4 空间探测机器人需要进一步研究的问题和发展趋势经过 40 多年的研究与开发，国内外在空间探测机器人领域取得了大量的成果， 尚有以下基础理论问题需要进一步深入研究。（1）空间探测机器人设计理论与方法；（2）新型空间探测机器人移动机构；（3）空间探测机器人轮胎与地面的相互作用；（4）高真空环境下的密封与润滑问题；（5）大时延环境环境下的空间探测机器人导航控制；（6）未知非结构环境下空间探测机器人的牵引控制；（7）太空环境下的 MEMS 技术。空间探测机器人在未来的发展趋势大致为：（1） 具有非结构化环境适应能力的轮腿式等复合型结构的移动机器人；（2） 可重构机器人和仿生机器人；（3） 主动悬架轮式机器人；（4） 子母式空间探测机器人、多机器人协同探测；（5） 由于航天器技术、尺寸、质量和费用的限制，微小型空间探测机器人是发 展的主流；（6） 由于通信时延和微重力作用的缘故，中低速移动机器人是研制的主流。1.5 本文的研究内容与组织1.5.1 研究内容以月球探测机器人为研究对象，主要开展空间探测机器人移动机构的设计及其评 价与优化和高性能空间探测机器人移动平台两个方面的研究工作。前一方面作为理论研究，主要研究空间探测机器人的创新设计理论与方法，建立 机器人移动性能评价的数学模型和基于虚拟样机技术的轮式空间探测机器人的移动性 评价体系，并将其应用于空间探测机器人创新研究方案评估和优化设计。后一方面作 为空间探测机器人研究实践，重点研究了月球探测机器人的创新设计与样机研制，提 出并开展主动自适应悬架机器人的配置模型和主动配置方法研究。(1) 空间探测机器人创新设计及其理论与方法的研究；(2) 研究建立空间探测机器人移动性能评价模型；(3) 基于虚拟样机的空间探测机器人移动性综合评价与优化方法；(4) 双曲柄滑块探测机器人的设计、分析与样机研制；(5) 主动自适应悬架机器人的概念及其主动配置。1.5.2 论文组织论文第一章以国家探月工程为需求牵引，在对国内外空间探测机器人研究现状进 行分析的基础上，指出了空间探测机器人需要进一步研究的问题和发展趋势，并确定了本文研究内容。第二、三章对空间探测机器人创新设计理论与方法开展研究。其中第二章提出了 基于构形组合的空间探测机器人移动机构设计方法，对国内外空间探测机器人的移动 机构进行分析和综合，创新设计多种空间探测机器人方案。第三章则对空间探测机器 人移动性评价及优化开展研究，初步建立空间探测机器人
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