月球车模型机构创新设计

第一章概述1.1 探月工程概述1958—1976年：美国与前苏联一共发射了83个无人月球探测器。

1969年：“阿波罗11号”实现了人类登月之梦，在月球探测中取得最辉煌成果。

这一年，先后有12名宇航员踏上月球，并向地面带回440公斤的月岩样品。

1972年：美国“阿波罗计划”结束。

此后，月球探测有所降温，因为探月活动耗资巨大。

美国：美国总统布什曾发表讲话，提议最早在2015年，最晚不超过2020年，美国宇航员将重返月球，在月球上建立科研基地。

欧空局：其第一个月球探测器“智慧1号”（SMART-1）2005年1月进入绕月轨飞行，开始探月，该探测器采用了多项新技术。

印度：将于2007年发射无人宇宙飞船，对月球进行首次科学探测，2015年之前实现宇航员登月。

日本：计划于2006年首次发送月球探测卫星，练习和掌握月球软着陆技术。

1.2 国外月球/行星车研究现状世界各国开发和研制星球探测车系统已经有多年的历史，特别是美国在这方面已有成熟的经验。

由于星球探测车在任务、功能、结构、控制方法和主要问题等方面有很多类似之处，因此对其它星球探测车系统的分析也将有助于月球车系统的研制。

1)“索杰纳”由美国喷气推进实验室在原有“洛基”系列车的基础上改进而成。

它于1997年7月发射到火星表面上，在“火星探路者”的可视范围之内，进行科学和技术实验。

其质量为11.5kg，外型尺寸为60cm×40cm×35cm。

2)“洛基”7由美国喷气推进实验室研制，用于在地面完成一段长距离(约50km)的自主控制旅行实验，其目的是验证2010年发射自主控制的火星漫游车的可行性。

其质量为15.7kg，外型尺寸为60cm×40cm×33cm。

除此之外还有：“现场集成设计与运行车”（FIDO），“流浪者”，“纳漫游车”，“微”5等一系列行星车。

在日本以日本宇宙科学研究所(ISAS)和NASDA为核心也开展了月球车的一系列研制工作。

其中，ISAS提出了一种具有子母结构的月球车方案。

1.3 国内月球车研究现状为了迎接国际航天科技的挑战，在国内，以航天科技集团公司北京控制工程研究所、清华大学、哈尔滨工业大学、国防科学技术大学以及中国科学技术大学为主的一些高等院校和科研机构，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”863项目，运用“虚拟样机”技术构造了虚拟月面计算机仿真环境，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。

目前，本课题研究已经做了大量的工作，并取得了很好的成果。

清华大学在月球表面环境及月球车几何建模方面做了大量的工作，并对所采用的电机进行了一定的研究。

国防科学技术大学贺汉根教授领导的研究小组以“索杰纳”为蓝本，研制了KDR－1试验样车，对自主导航及路径规划技术进行了研究。

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，并取得了可喜的研究成果。

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。

1.4 模型机构设计目标及要求1.4.1 目标模仿月球车的基本功能和设计思路，设计可完成规定动作的月球车，完成理论方案的设计，运用PRO/E等软件进行实体造型和对所设计月球车进行模拟装配，运用AUTOCAD对某些重要零件进行二维零件图的绘制和一些主要机构块的虚拟装配。

1.4.2 月球车机械设计要求（1）月球车以收起机械臂计，其长度小于或等于300mm、宽度小于或等于300mm、高度小于或等于300mm。

（2）月球车的驱动可采用各种形式的原动机，不允许使用人力直接驱动，若使用电动机驱动，其电源应为安全电源。

（3）月球车前进方式不限，拾取木块的方式和每次拾取木块的数量不限。

（4）月球车的控制可采用有线或无线遥控方式。

1.4.3 工作场地及用品规格（1）本月球车工作场地采用木质地板，场地尺寸： 4000mm × 2000mm，四周围板高200mm。

（2）场地细节见图2-1，图中障碍管采用市售Ø50、Ø90、Ø110及Ø160PVC塑料管。

（3）木块尺寸：Ø40×40，漆成蓝色和黄色，其中蓝色木块的另一端底面漆成红色。

（4）红旗尺寸：120×200直角三角形。

（5）红旗旗杆尺寸：Ø5×300。

图2-1 场地1.4.4 月球车包括下列动作动作1：月球车携带红旗翻越障碍；动作2：月球车将红旗插在指定地点（C点）的旗桩上并站立；动作3：月球车拾取蓝色木块并将其翻转使红色面朝上放入指定基地区（D点）。

第二章月球车原理方案的构思和拟定2.1月球车原理方案的构思根据月球车的设计目标和要求，首先要完成的动作是携带红旗翻越障碍:这一动作中主要有两部分：1. 携带红旗；2. 翻越障碍。

第一部分需要一个机械手装置，第二部分需要一个行走机构。

机械手要有一定的抓紧力，灵活动作。

行走机构完成的动作包括能越过障碍和准确地到达场地指定地点，这里要考虑行走的转向和定位等问题。

第二个动作是将红旗插在指定地点（C点）的旗桩上并站立，这里对月球车要求与第一个动作相似。

第三个动作是拾取蓝色木块并将其翻转使红色面朝上放入指定基地区（D点）。

这里就比较复杂了，拾取蓝色木块，可以和携带红旗共用一个机械手，但考虑抓取的物品是不同的直径的，就需要对机械手有更高的要求，机械手就要有足够的张合度，抓紧力也要加强。

因为是在一堆不同的木块中抓取指定的蓝色木块，为了提高效率，机械手要有定位装置。

同时，抓取木块后还要将木块翻转使红色的一面朝上，放入指定的位置，这要求有提升机构和翻转机构，翻转又要求刚好是180度，因此翻转机构中需要辅助的装置。

综合考虑，经过研究，设计的月球车应该实现以下功能：月球车行走，越障，夹持（松开）不同直径物品（旗帜、木块）并翻转木块，放入指定点。

2.2月球车原理方案的拟定2.2.1 行走机构的设计首先想到的是像汽车那样的轮子式的，但那是只适合在平地行使，翻越障碍能力较差，后又想到了机械腿，但结构复杂。

最后采用了履带式，因为这个结构简单，容易达到设计要求。

履带可以使同侧的轮子同时运动，就像坦克那样子，同时采用履带式容易实现转向，转向半径小，且控制易实现。

1.履带，2.箱盖，3.电机套，4.减速电机，5.后轮,6.辅助轮，7.后轮，8.底板图2-2行走机构如图2-2是月球车的行走机构，由于用的是减速电机，所以不用再装减速齿轮箱了，进而减轻了车子的重量，改善了车子内部机构。

两个减速电机安装在底板的前端,由电机直接驱动后轮。

两个电机同时通电使其正转，可以使车子笔直前进，当只有一侧电机通电时，车子可以实现转向，也可以使一个电机正转另一个反转来实现转向功能。

由于这两只电机是同一规格的，所以前进时比较平稳，转向较为容易。

1）前轮：前轮的固定主要采用连接轴.固定端和轴承连接，然后通过螺栓把固定轴6与连接轴1相固定。

为了保证履带在前进中不至于往车轮两边滑出，就在前后轮两边增加挡圈，厚度2mm.高3mm大致和履带的高度相等。

1.旋转轴；2.紧固螺栓；3.固定挡块；4.轴承5.连接轴；6.固定螺栓；7.前轮图2-3前轮机构从图2-3中可以看到连接轴1与固定轴6之间是通过螺栓螺母连接的，所以能够保证后轮轴的轴向与径向的固定，连接轴1与轴承3配合（轴承内径与连接轴有孔端是过盈配合）可稳定传递扭矩，使行走系统工作可靠。

2）后轮：从下图2-4中可以看出后轮8与连接轴6之间通过四个螺栓固定，连接轴6的一端装入箱体内，由于连接轴6的设计主要是为了防止后轮在前进中往外的轴向偏移（右端有长为3mm直径为16mm的靠肩），如果它与内径为16mm的轴承配合则其外径必然无法保证箱体的尺寸，所以最后只能使整个连接轴6与箱体之间都成间隙配合且配合表面的光洁度应较高，电机的转动轴与连接轴1之间通过两个螺钉坚固。

为了保证前进中的稳定性但转速又不能太慢，所以后轮减速电机的转速大致定在30rad/min左右。

1.后轮减速电机；2.后轮固定挡块；3.连接轴；4.上箱盖；5.前轮；6.下箱盖；7.螺栓；图2-4后轮驱动机构3)辅助轮：在一般的履带传动机械中如坦克在前后轮之间会有辅助轮，在此设计中，由于车身长230mm为了保证车子在越障碍时履带中间不会弯曲卡在圆管的最大直径处和加强车子的稳定性,采取在小车的中间处增加一个辅助轮。

整个行走机构结构紧凑、安装精度高、运行可靠。

能达到设计要求，行走平稳，转向灵活，顺利完成行走、越障等动作。

2.2.2 越障框选机构设计1）越障：下图为小车越障的整体机构：1.后轮机构；2.辅助臂；3.齿轮对；4.减速电机；5.轴承；6.传动轴；7.框选臂图2-5越障整体机构越障是小车前进过程中第一要碰到的问题,我们在这儿主要采用辅助抬升机构将小车两前轮抬起加上两后轮采用大功率大扭矩的电机。

在这里我们暂定翻直径110mm 的PVC管。

其翻越大致分为以下三个动作：动作一：先将框选臂放在PVC管上，危然后通过框选机构的减速电机使两个前轮抬升。

并且将机械手臂一真转到碰地面为止。

动作二：由于机械手臂的转动臂较长，所以当碰到地面后其还可以转动的，继续转动可以使后轮也抬起一定高度，而后轮电机一直保持正转前进。

动作三：当小车大体在PVC管上时由于小车中间有辅助轮，所以小车不会因为履带弯曲而卡在最上面的，这时慢慢转动机械臂使小车的重心一点点靠前，同时让框选臂先碰地面以防小车翻车。

经过计算校核三个动作完成后小车能够平安稳定的翻越PVC管。

2)框选：为了提高效率特别设计成使越障机构能起到框选作用，由于木块方阵是以200mm ×200mm放置的，而整个框选机构比方阵要略微大点，所以能够保证顺利的框选。

（如图2-7所示：）图2-7框选机构由于整个方阵木块相互间靠的比较近，机械手张开后没有足够的下移空间去夹木块，所以只好加长框选臂通过小车的前进后退使木块间相互产生空间以使机械爪手有下移的空间。

最后定为长：258mm，单臂宽：102mm，最外沿高：20mm。

2.2.3 机械夹紧机构设计本装置的原理相对简单，以电机为动力源带动两啮合齿轮（如图2-9），通过齿轮间的相互啮合来控制机械钳口的张合。

钳口是两个半圆形，内径与木块的直径保持一致，为了增大钳口与木块间的摩擦力，我们在实际车模中可以在钳口内侧贴一层橡胶，再加上我们的电机是经过减速的，电机内部有齿轮，所以钳口张合就会有一个自锁，因此，我们的这一设计就显得比较可靠。

为了使我们的车子结构紧凑，我们将夹旗杆与木块由一个机械手来统一完成，为此，我们便在机械手上做了两个分别适合旗杆与木块的钳口，利用一个电机与两个齿轮来完成这两项任务。