轮-步复合式火星车移动系统设计及分析丨JME文章推荐

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火星车是完成地面巡视任务的主体，火星车的活动范围直接影响到探测任务的成败。火星地形、地质和地表环境与月球相差很大，由于火星大气环流、陨石撞击和物化作用导致土壤性质十分复杂。恶劣的行驶条件对传统星球车的移动系统提出挑战，火星车需要比月球车更强、更可靠性的行走能力。截至目前，美国已经向火星部署了四辆火星车，分别为“索杰娜号”、“勇气号”、“机遇号”、“好奇号”，并计划在2020 年部署下一代火星车；前苏联也曾发射两辆火星车，但最终在其着陆时失去联系；日本、加拿大、德国等深度参与了美国的火星探测车项目；欧空局开展了火星车研究，并预计在2020 年前将其送至火星；中国公布了火星2020 探测任务，将在一次任务中实现环绕器、着陆器和巡视器(探测车)的发射。

火星车移动系统构型繁多，悬架构型和车轮构型是主要研究热点，两者均可提高行驶平顺性和通过性。通过性又可分为几何通过性和牵引通过性。本文主要关注悬架构型和牵引通过性问题。已在地外星体上运行过的星球车悬架主要包括两类：弹簧-阻尼独立悬架(苏联“月球1 号、2 号”，美国“阿波罗15 号，16 号，17 号”)和摇臂-转向架式悬架(中国“月兔号”，美国的四辆火星车)。根据我国和美国星球车运行经验，摇臂-转向架式悬架是较好的无人探测车方案，其具有较好的低速平顺性和越障能力。DAVID 等阐述了摇臂-转向架式悬架在崎岖地面行驶时的平顺性优势。JEFFREY给出了摇臂-转向架式悬架几何参数和越障性能的关系。李所军等针对移动系统通过性给出了基于通过性指标的悬架参数优化设计方法。差动器和副摇臂的存在使得摇臂-转向架式悬架具有三个自由度，保证了六个车轮均与地面保持接触。当探测车的车轮数量减少为四个时，悬架中可不再设置副摇臂。

目前的摇臂-转向架式探测车只具有轮式行走能力，其最大牵引性能受到车轮-土壤作用机制的限制，车轮滑转率过大时驱动效率很低，无法通过十分松软的火星沙滩和陡坡。很多具有重要价值的探测目标分布在沙滩中和陡坡上，如果探测车只具有轮式移动能力，其只能冒险尝试，小心谨慎地寻找路线，或是放弃一些探测目标。强行靠近目标，探测车将面临丧失行走能力的风险。“勇气号”经历了两次较大的软土困境；“机遇号”经历了一次软土困境和一次坡面困境。六轮探测车对车轮故障的安全裕度比四轮车高，一般可允许两侧各有一个车轮出现故障，而不是去移动能力。长时间的沉陷状态下运行，导致勇气号的右前轮和右后轮出现故障，最终陷落在“特洛伊”沙丘。从行驶安全的角度看，应从根本上避免大规模的车轮滑转-沉陷。

车轮-土壤作用机制是车辆地面力学的核心理论，经过众多科学家的努力，其理论模型和试验修正模型的研究已经较为成熟。BEKKER给出了基于沉陷指数的牵引力计算方法，该方法主要考虑车轮-土壤接近区的土壤应力在车轮表面的分布。REECE 等在BEKKER 模型的基础上引入车轮滑转率，考虑了车轮-土壤离去区的土壤应力对牵引力的贡献。NATORE 等通过试验方法获得了土壤法向应力分布和车轮-土壤接触角度间的关系。HIRAI 等利用轮内应力传感器获得了较为精确的车轮-土壤接触面上应力分布规律。SHIBLY 等给出了一种牵引力计算的简化公式，并将其与BEKKER 和REECE 公式的计算精度进行了比较。DING 等使用数值计算方法和单轮试验对车轮滑移、车轮滑转和转向过程中的车轮受力模型进行了研究，给出了基于参数拟合的改进计算公式。邹猛等对车轮在不同土壤上的牵引性能进行了测试，获得了牵引力和土壤参数的对应关系。上述研究揭示了车轮-土壤相互的作用力学机理，给出了车轮挂钩牵引力和驱动力矩的计算公式，牵引力可通过轮下土壤正应力和切应力在车轮与土壤接触面上的积分表示。牵引力的增加和车轮滑转-沉陷相关，牵引力需求增加会导致车轮需要沉陷更多，牺牲更多的行驶速度。同时，通过分析他们的试验数据和计算公式可知轮式移动的车轮牵引力存在上限。

当轮式车辆在沙地或陡坡上受困时，轮下土壤的强度储备已经被完全利用，车轮滑转-沉陷对牵引力的贡献已达到最大。探测车应该从轮式行走模式切换到新的行走模式，避免继续以轮式行驶造成沉陷的加剧和驱动机构的损耗。新的行走模式是轮-步复合行走模式，车轮具有两种状态，一种是和轮式移动车辆相同的驱动模式，另一种是和轮式移动车辆不同的制动模式。轮-步复合式移动系统，轮式模式下具有轮式行走的效率，轮-步复合模式下具备步式行走的高通过性。对轮-步复合式移动系统的研究很多，具有代表性，可为本文提供借鉴的有：加拿大麦吉尔大学的PAW Robot、法国皮埃尔和玛丽居里大学的Hylos Robot、美国卡内基梅隆大学Scarab Rover、美国圣迭戈大学的SRR Robot和Multi-tasking Rover。对这些构型方案分析可知，为了减小改变轴距时车厢姿态的变化，每个步行腿上应至少含两个自由度，可以是两个平行的转动副，也可以是一个在转动副法面上的移动副。

限制上述轮-步复合移动机构在航天领域实施的最主要的因素是机构和控制复杂度。在设计机械结构时应尽量减少电动机数量，不同关节应共用部分减速机构。哈尔滨工业大学的高海波、郑军强、刘振、王亚彬、于海涛和邓宗全提出了一种将两个旋转副相关联的方法，设计了双摆杆轮-步复合移送机构，增强了轮-步复合移动系统在空间探测任务中的可用性。该项研究成果已发表在《机械工程学报》2019年第1期。对本文内容感兴趣的朋友请点击屏幕下方的“阅读原文”

移动系统的收缩

移动系统的伸展

改变车厢与底盘的相对位置

双摆杆折臂的布置

原理样机

(1) 基于地面力学数值计算方法对制动轮的附着力、驱动轮的挂钩牵引力与沉陷的关系分别进行了预测，并给出了相同沉陷状态时附着力和牵引力的比值。明确使用轮-步复合移动的地面力学基础。

(2) 提出了一种基于双摆杆折臂的轮-步复合移动系统悬架结构。确定轮-步复合移动系统动力传递路线，使用行星轮系、带传动、电动机、制动器实现了车轮驱动、步行驱动、轮-步复合移动。

(3) 以爬坡工况为设计目标，给出了车轮驱动传递路线总传动比的计算方法。从本文轮-步移动执行机构特性出发，给出了车轮移送对地面附着的最低需求，进而给出了步行总传动比的计算方法。

(4) 对四轮车的行走步态进行分析，并利用多体动力学仿真软件获得了采用轮-步复合移动方式时需要的电动机驱动力矩。

(5) 给出了轮-步复合移动机构的简图，确定了各级行星、谐波、带传动的传动比。完成了原理样机的设计制造，从尺寸和重量上进行了评估。

(6) 后续研究中将进行整车地面试验，探索整车控制策略和方法。

高海波，男，1970 年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为宇航空间机构与控制、特种移动机器人。

郑军强，男，1986 年出生，博士研究生。主要研究方向为宇航空间机构与控制、轮式移动机器人。

刘振(通信作者)，男，1983 年出生，博士，副教授，硕士研究生导师。主要研究方向为宇航空间机构与控制、星球车低重力模拟。

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