轮腿混合式探月小车的概念设计

康程鹏,孙银健,王艳坤

（湖北汽车工业学院 汽车工程系，湖北 十堰442002）

随着人类科学技术的不断进步，对月球的探索也逐渐地深入，尤其最近几年中国航天技术更是突飞猛进，探索月球的步伐也不断加快。本文基于Inventor三维设计软件所建立的探月小车模型，介绍了一种轮腿混合式探月小车的创新概念设计。

1 探月小车的总体设计

小车在运输时收紧状态如图1所示。通过结构的巧妙设计和各部件的合理布局，小车在收紧状态下小巧玲珑。太阳能电池板通过10块三角形电池板板组装在一起，收紧时呈顶蓬状，将承载平台上的工作仪器完全包裹，轮腿行驶结构蜷缩，探测机构收紧在车身内。这样大大缩小了运输空间，节省了运输成本。

图1 月球车运输时收紧状态

图2 月球车工作时展开状态结构

小车在工作时展开状态如图2所示。小车由太阳能电池板、指向机构、探测机构和行走机构等主要部件组成。圆形车架作为搭载平台，可根据需要选装工作仪器。如信号雷达、天线、摄像头、岩石打磨机、光谱分析仪，显微镜探测仪等工作部件，满足多种工作需要。小车采用轮腿混合行驶系，可根据实际路况进行轮式或腿式行驶模式的切换。不仅可适应探测区表面多种路况，还能提高小车的行驶稳定性和越障能力。车身车架仿照沙漏结构设计，在小车不慎翻倒时，车身可绕车架主轴180°旋转，完成翻车自救。小车的探测手臂末端装有多功能探测仪，可完成岩石样本取样、土壤成分光谱分析和显微观察等工作，满足了探月的各种工作任务。

2 主要结构的功能设计

2.1 太阳能电池板

太阳能电池板通过10块三角板组装在一起，通过连杆连接到车身。在收紧时可节省空间又可用于车身外壳作用，工作时可以根据太能的位置改变相应的角度，以达到最佳能量收集状态。

2.2 指向机构

指向机构包括360°双视觉桅杆（图3a）和雷达天线（图3b）。主摄像头连接在桅杆上，桅杆可伸缩，提高摄像机的视野范围。雷达可转动方向，天线可升高程度，提高接收信号能力。

2.3 探测机构

在车身上根据具体的探测任务布置了各种用于钻探的机构，如显微镜探测仪（图4a）、光谱分析仪（图4b）、岩石打磨机（图4c）等。探测臂通过两根手臂连接，简化结构的同时完成必要的动作。不工作时收到车身下方，探测仪连接在探测手臂上，当工作时通过探测手臂的转动可转到所需的位置进行探测。探测仪上连有磨石机，光谱探测仪，显微镜探针。磨石机通过探头上的3片钢片转动，可将大块岩石磨碎，以便研究岩石的结构和成分。光谱分析仪可以分析月球土壤的成分。

图3 指向机构

图4 探测机构

2.4 行走机构

月球车的行走机构采用独特的轮腿混合式，轮腿行驶系为仿生结构。图5展示了轮腿转换的过程。小车有六条腿，每条腿都有2个关节，通过靠近车身的关节的运动可以实现腿的前后摆动，通过腿中间的关节，可以实现腿的提起和轮腿的转换。车轮和中间的关节由同一个转动副连接。

当小车位于路况较差的路面时，采用腿式行驶，可以直接跨过较小的障碍物，如小的石块和坑，提高越障能力；遇到大的岩石和陨石时，就采取避让，绕道而行。当在好的路面上行驶的时候，小车可以通过轮腿转换，转换为轮式行驶，提高行驶效率。此外，腿还可以在小车翻倒的时候可以辅助自救。

图5 轮腿转换过程

3 主要设计亮点

3.1 轮腿转换行驶系统

月球重力是地球的 1/6，这意味着，质量为50kg的东西，在地球上所受重力约500N，而到了月球表面则变成约80N。因此，月球表面的土壤非常松软，月球车的行进效率会降低。月球表面崎岖不平的路面，有石块、有陨石坑，还有坡。在这种情况下，设计的轮子需要克服重重障碍，既不能打滑，也不能翻车，必须能前进、后退、转弯、爬坡。

针对月球的复杂地貌，采用了独立驱动的“六轮腿混合”行走系统，可以跨越30°斜坡。当遇到较大的石块或陨石坑的时候，会自动选择绕行。月球车的每个轮子都有自己独立的驱动系统，6条腿可以自行调整高度，既可互相协助，又可独立运动。

月球车在月球上会遇到各种复杂的路况。在较差的路况上采用腿式行走，可以增强小车的越障能力和通过性，当走到较好的路面时转换成轮式行驶模式，提高行驶效率，并且这种轮腿转换的结构还能够起到翻车自救的作用。

如图6所示，此月球车可以根据需要进行轮腿转换，采用仿生设计，摆动腿1可以绕车架左右摆动，升降腿2能绕5轴上下升降，在1、2共同作用下使其能像蜘蛛一样爬行。当遇到良好的路面时，为了提高行驶效率转换成轮式行驶，此时3支撑腿绕6轴顺时针旋转70°，2升降腿绕5轴顺时针旋转70°，再让1绕车架旋转相应的角度，使6个车轮的方向一致，完成转换。

图6 月球车的轮腿结构及转换示意图

3.2 多功能太阳能电池板

月球的自转引起月面的昼夜变化。月球上一天的时间，大约相当于地球上的27 d略多。因此，月球昼夜间隔大约相当于地球上的14 d。也就是说，登上月球以后的月球车，最多可以连续工作14 d，进入月夜以后，它由于无法通过光能发电，进入休眠状态。14 d后，又能自动醒来。

为了尽可能多地吸收太阳能转化为能量，日间月球车会伸展双翼尽量扩大自己与外界的接触面积，但到了寒冷的夜晚，过大的接触面积同样会加快月球车的热量损失，因此，夜晚的月球车将接触面积减到最小。

太阳能是月球上主要的可利用能源，如何能最大限度的收集和利用太阳能一直都是设计月球车的重大课题。采用感光性太阳能电池板作为收集和提供能源的装置，可以根据太阳的位置改变相应的角度，以保证最佳能量收集状态，另外由于月球上昼夜间隔比地球长得多，大概相当于地球的14d，因此感光太阳能电池板也能起到黑夜预警的作用，保证当月球进入黑夜时使月球车停止工作。太阳能电池板的工作过程见图7。为了便于运输，电池板在收缩时还可以起到车身外壳的作用，不但减小了月球车的总体积，而且对车身上的工作仪器起到保护作用。

3.3 车身翻转自救功能

月球上的重力很小，车辆显得很轻，因此很容易翻。重力减小的同时，车辆和月面的摩擦力也减小了，对车辆的控制会变得很困难。加上月面的地形复杂，浮尘又很厚。这些因素都使得车辆在月球上运动时变得十分不稳定。车辆很容易翻倒。很多月球车通过探测扫描等方式避免让月球车翻倒，该车专门设计了车身翻转自救功能。

如图8所示，车身可以绕车架在垂直方向旋转180°，因为采用轮腿混合结构的行驶系统，如果月球车不慎翻倒，如图8所示a，这时小车的6条腿都会朝上，腿可以横摆和升降，通过摄像头的辅助支撑作用，使6腿翻转将车身车架撑起（图8b）。然后再将车上工作仪器收起，包括太阳能电池板，然后开始翻转（图8c）。翻转完成后，打开工作仪器，开始新的工作，完成自救（图8d）。

图7 月球车展开过程及随太阳位置变化角度

图8 月球车翻转自救过程

4 总结

本文基于Inventor软件所建立的探月小车三维模型，对这种轮腿混合式探月小车进行了概念设计。此探月小车概念设计的创新点有3个方面：1）采用轮腿混合行驶系统，增强了越障能力和通过性；2）多功能太阳能电池板，可随着太阳的位置改变相应的角度，增大光照面积，以达到最大采集能量的目的；3）可旋转车身，在小车不慎翻倒的情况下通过车身的翻转进行自救。但本设计仍处于概念设计初级阶段，还需进行更如入的研究。

［1］ 濮良贵,纪名刚.机械设计 ［M］.北京： 高等教育出版社,2006.5.

［2］ 陈家瑞.汽车构造［M］.北京：机械工业出版社,2009.2.

［3］刘淑军,管西强,李遥,杜三虎.松软土壤上月球车仿真驱动能力的研究［J］.机械设计与研究，2010（2）：43－46.