摆臂式转移机构力学特性分析

陈哲吾 卿启湘 文桂林 侯鹏飞

湖南大学汽车车身先进制造技术国家重点实验室，长沙，410082

0 引言

为避免月面巡视器及其携带的有效载荷的损坏，不能将巡视器直接着陆于月面，而是通过带有缓冲腿的着陆器过渡，由转移机构把巡视器从着陆器顶部转移至月面后，巡视器自行行走［1］。月球车转移机构的功能可描述为“把月球车安全地从着陆器转移至月面，然后与月球车相脱离，为月球车启动自主探测提供初始条件”。国外已成功应用的转移机构主要是坡道或坡道变形的转移机构，根据我国月球探测着陆器的结构特点，这种坡道式的转移机构难以满足要求，因此设计了摆臂式转移机构［2-4］。

基于前苏联和美国的成功经验，巡视器转移机构的强度和刚度若能满足转移过程的要求，则转移机构在发射、奔月及着陆过程锁止情况下的发射过载、力学环境条件刚度强度要求亦能满足［5-6］，因此，本文仅就巡视器转移过程的力学特性进行分析，应用运动学和动力学的原理分析转移机构的运动学特性和动力学特性。

1 摆臂式转移机构的物理模型

转移机构能否将月球车安全转移至月面，决定着一次探月计划成功与否，结合我国的技术基础和发展情况，继承已取得的技术经验，设计了摆臂式转移机构。

1.1 转移机构的工作过程

摆臂式转移机构的转移动作分为“举升”和“外推”两个过程，在动力作用下，转移机构载着巡视器先上升300mm，然后沿圆弧轨迹从着陆器上转移至月面。摆臂式转移机构主要由连接分离机构、外展小臂、小臂锁架、举升推臂(包括举升推臂大臂和举升推臂叉)、举升框、下摆臂框、缓释拉索、动力缓释机构、举升框锁止装置等组成，如图1所示。

转移机构工作过程(图2与图3)如下:

(1)解锁释放。转移机构在发射、奔月及着陆过程中，通过压紧释放机构固定在着陆器支座上。着陆器软着陆后，压紧释放机构将巡视器和转移机构分离释放，转移机构与着陆器解锁，转移动作准备就绪。

图1 摆臂式转移机构

图2 摆臂式转移机构工作过程

图3 摆臂式转移机构工作原理

(2)举升。下曲柄AB在位于A点的扭杆作用下驱动转移机构沿上下曲柄组成的平行四边形ABCE上摆，缓释拉索一端连接在外展小臂上的K点，另一端跨过着陆器上位于H点的定滑轮连接到动力缓释机构，拉索HK缓慢释放，转移机构在扭杆作用下带动巡视器，垂直于着陆器顶板向上举升300mm。

(3)上曲柄主动外摆。举升到位后，下曲柄AB锁止，推臂JE解锁，并在位于J点的扭杆作用下外摆，拉索HK缓慢释放，上曲柄EC推动摆臂BCDK带动巡视器以摆臂固定铰链B为圆心作圆弧轨迹外摆运动。

(4)重力作用外摆。转移机构摆臂BCDK摆过74°后与上曲柄EC脱离，转移机构载着巡视器在自身的重力G及拉索HK缓释作用下继续向月面转移。

(5)触月分离。巡视器车轮接触月面，在连接分离机构的作用下巡视器与转移机构实现分离，左右外展小臂分别向外侧展开，为巡视器自主探测让出通道，巡视器驶离着陆器。

摆臂式转移机构的工作过程中，解锁释放阶段是初始准备阶段，触月分离阶段是巡视器与转移机构的分离阶段，可忽略上述两个阶段的载荷影响;转移机构力学承载主要在举升、上曲柄主动外摆与重力作用外摆3个阶段。

1.2 力学模型

由于转移机构工作时的运动很缓慢，转移过程长达8.5min，巡视器移动速度大约为25mm/s，加速度很小(可以忽略)，故将转移过程视为准静态过程。同时，为了计算方便，不考虑转移机构的弹性变形，将转移机构假定为刚性体结构，转移机构的工作过程原理如图3所示。

转移机构的力学载荷包括所承载的巡视器的月面重力、克服巡视器重力时驱动转移机构的驱动力，以及缓释控制拉索的拉力。其中，驱动力由巡视器重力大小与转移机构结构决定，拉索拉力由重力与驱动力共同决定。巡视器月面重力为已知量，巡视器质量m=130kg，月球表面重力加速度g=1.62m/s2，巡视器的月面重力G=mg=210.6N。

分析转移机构所承受的载荷的影响因素可知，着陆器的着陆姿态对转移机构载荷的影响比较大，根据相关指标，月面的坡度角最大为9°，着陆器自身倾角最大为6°，因此着陆器及转移机构相对于月球水平面的姿态倾角θ最大为15°。由于姿态角的方向是任意的，巡视器月面重力作用有可能不在转移机构的运动工作平面内，因此将重力G分解为在工作平面内的重力分力G1和在转移机构运动工作平面垂直方向上的侧向分力G2。令重力与运动工作平面的夹角为φ，在转移机构运动工作平面内的重力分力G1=Gcosφ，其垂直方向上的侧向分力G2=Gsinφ。当运动平面与顶面垂线重合(φ =0°)时，G1=G，G2=0。对转移机构整体来说，驱动力与运动平面上的重力分力相关，而与垂线上的分力无关(垂线上的分力主要传递到转移机构与着陆器的连接铰链上)。因此，对转移机构进行动力学计算时，主要考虑运动工作平面上的受力情况。

2 动力学理论计算

2.1 举升阶段

举升阶段如图3a、图3b所示，下曲柄AB在动力作用下绕A点转动，驱动转移机构沿上下曲柄组成的平行四边形机构ABCE上摆，巡视器在转移机构的带动下，垂直于着陆器顶板向上举升300mm。以下曲柄AB方向为X轴方向，其垂直方向为Y轴方向，设重力分力为G1(与垂线夹角为ψ)，拉索拉力为FL(与顶面夹角为α)，下曲柄AB与顶面夹角为β，绕A点驱动力矩为MA。转移机构第一阶段的受力分析如图4所示，其力学作用可以等效为如图4b所示的重力作用与图4c所示的拉索拉力作用的两个作用力分别单独作用的效果叠加，即有

式中，下标X、Y分别表示X轴方向、Y轴方向;下标1、2分别表示重力单独作用产生的作用力和拉索拉力单独作用产生的作用力;下标 A、B、E、J表示点 A、B、E、J。

图4 举升阶段受力分析

重力G单独作用时，分析摆臂BCKD的受力，将A点受力分解到AB方向(X轴方向)与重力作用方向上，整个摆臂BCKD受力平衡，有

式中，下标G表示重力方向上的分力。

对下曲柄AB，关于A点力矩平衡，有

式中，lAB为下曲柄AB的长度。

同理，分析绳索HK上的拉索力FL单独作用时，将A点受力分解到AB方向(X轴方向)与拉索力作用方向上，有

式中，下标L表示拉索HK方向上的作用力。

下曲柄AB绕A点转动的驱动力矩M必须大于重力作用对A点产生的力矩MA1，即

驱动力矩M大于重力力矩MA1的部分由拉索力产生的力矩平衡，即

下曲柄AB长440mm，工作角度为 －20°～20°，计算得到重力作用对A点产生的力矩MA1，如图5所示。驱动元件为扭杆弹簧，设计预压角度为56°，根据上述分析以及力矩MA1的计算结果，设计的扭杆弹簧的扭矩特性曲线如图5所示，其中安全系数取1.5，安全裕量取10%。

图5 下曲柄扭杆扭矩特性

2.2 上曲柄主动外摆阶段

上曲柄主动外摆阶段如图3b、图3c所示，举升到位后，下曲柄锁止，推臂JE在动力作用下绕J点转动，通过上曲柄EC推动摆臂BCKD带动巡视器以摆臂固定铰链B为圆心作圆弧轨迹外摆运动，由于着陆器与月球水平面之间存在最大15°的姿态角，为了保证转移机构能适应任意可能的姿态角工况，设计主动外摆角度为20°。此阶段作用重力分力为G1，与垂线夹角为ψ;拉索拉力为FL，与垂线夹角为α;绕J点驱动力矩为MJ。转移机构第二阶段的受力分析如图6所示，其力学作用可以等效为如图6b所示的重力作用与图6c所示的拉索拉力作用的两个作用力分别单独作用的效果叠加，有

图6 上曲柄主动外摆阶段受力分析

分析摆臂BCKD在重力和拉索力分别单独作用的受力情况，作用在摆臂BCKD上的作用力关于B点力矩平衡，有

式中，γ为摆杆BCKD的BD两点连线与垂线的夹角;lBC、lBD、lBK分别为摆杆BCKD的BC段、BD段和BK段的长度。

分析上曲柄推臂JE的受力情况，作用在上曲柄推臂JE上的作用力关于J点力矩平衡，有

式中，lJE为推臂JE的长度。

上曲柄推臂JE绕J点转动的驱动力矩MT必须大于重力作用对J点产生的力矩MJ1，即

驱动力矩MT大于重力力矩MJ1的部分由拉索力产生的力矩平衡，即

计算得到重力作用对J点产生的力矩MJ1，如图7所示。上曲柄推臂JE长260mm，驱动元件为扭杆弹簧，设计预压角度为55°，设计的上曲柄扭杆弹簧的扭矩特性曲线如图7所示，其中安全系数取1.5，安全裕量取10%。

2.3 重力作用外摆阶段

重力作用外摆阶段如图3c、图3d所示，上曲柄推臂工作到位后，上曲柄与转移机构摆臂脱离，转移机构载着巡视器在自身的重力作用下继续向月面转移，整个转移的受力分析如图8所示。

拉索拉力与重力作用关于B铰链点转矩平衡，有

图7 上曲柄扭杆扭矩特性

图8 重力作用外摆阶段受力

式中，lBK、lBD分别为BK和BD的连线的长度。

3 仿真分析与实验验证

3.1 仿真分析

随着计算科学的发展，仿真分析成为产品设计很重要的设计与验证手段，为了验证转移机构动力学理论计算的正确性，使用三维软件Solidworks建立各阶段的三维模型，采用ADAMS软件对转移机构进行动力学仿真分析。

3.1.1 举升阶段仿真分析

导入三维模型后建立仿真模型:依据实际情况设置各部件之间的连接关系;在下曲柄与着陆器之间的连接铰链处设置扭转弹簧(扭转刚度为4.85N·m/°，预压角为 55°);拉索在转移过程中始终拉紧保持直线状态，将拉索等效设置为两端铰接的伸缩杆;巡视器简化为质心位置的质量点;月面重力加速度g=1.62m/s2，举升阶段的仿真模型如图9所示。

通过仿真计算得到转移机构举升阶段各工况下的拉索力变化情况，如图10所示，可以看出，拉索力随绳索的释放而减小，最大值出现在工作开始时，且前倾15°工况的载荷最大，因此，对后仰工况各铰链点的最大载荷进行单独计算以便进行结构分析。另外，为了计算转移机构的侧倾刚度，对侧倾工况的载荷也进行了考察，其侧倾时左右两边的载荷不一样，载荷大小见表1。

图9 转移机构举升阶段仿真模型

图10 转移机构举升阶段拉索力变化情况

表1 第一阶段关键铰接点的最大载荷值 N

3.1.2 上曲柄主动外摆阶段仿真分析

第二阶段的仿真模型如图11所示，依据实际情况设置各部件之间的连接关系;在下曲柄与着陆器之间的连接铰链处设置扭转弹簧(扭转刚度为6.00N·m/°，预压角为53°);将拉索等效设置为两端铰接的伸缩杆;巡视器简化为质心位置的质量点;月面重力加速度g=1.62m/s2，拉索释放速度为2mm/s。

图11 上曲柄主动外摆阶段仿真模型

通过仿真计算得到上曲柄主动外摆阶段的拉索力变化情况，如图12所示，可以看出，拉索力随绳索的释放而减小，在巡视器跨过最高点时，由于重力的作用，拉索力有一个增大的过程，第二阶段后仰15°工况开始时的拉索力最大，为了分析转移机构的侧倾刚度，对最大侧倾15°的工况也进行了仿真计算，通过计算得到第二阶段各部件的最大载荷见表2。

图12 转移机构主动外摆阶段拉索力变化情况

表2 第二阶段各工况下各铰接点的最大载荷值 N

3.1.3 重力作用外摆阶段仿真分析

重力作用外摆阶段的仿真模型如图13所示，将拉索等效设置为两端铰接的伸缩杆;巡视器简化为质心位置的质量点;月面重力加速度g=1.62m/s2，依据实际情况设置各部件之间的连接关系。

图13 重力作用外摆阶段仿真模型

通过仿真计算得到转移机构重力作用外摆阶段的拉索力变化情况，如图14所示，可以看出，拉索力随绳索的释放成几何级数增大，巡视器即将着陆前拉索力达到最大，且后仰15°工况的载荷最大，这是因为，后倾工况转移机构外摆角度更大时，巡视器着陆时拉索力的力臂急剧减小，相应的拉索力随之增大。为了分析转移机构的侧倾刚度，对最大侧倾15°的工况也进行仿真计算，通过计算得到第三阶段各部件的最大载荷，见表3。

图14 转移机构重力外摆阶段拉索力变化情况

表3 第三阶段各铰接点的最大载荷值 N

3.2 实验验证

通过转移机构的实验一方面可以验证摆臂式转移机构方案的可行性，另一方面可以检验动力学理论计算与仿真分析的正确性，确定转移机构结构设计的力学特性。

通过动力学理论计算与仿真分析得到转移机构的动力学特性，依此数据对转移机构进行结构设计，并进行现场试验。试验时，转移机构按实际设计参数进行加工制造;现场环境也尽量参照实际月面工作环境进行设置;巡视器采用1∶1的尺寸模型，由于巡视器月面重力只有约210N，为了模拟月球重力载荷，将巡视器总质量配重到21.5kg，从而实现210N的重力载荷。

现场试验直观反映了转移机构方案的可行性，同时转移机构的弹性变形或塑性变形也反映出来各部件的力学特性，摆臂式转移机构基本实现了转移机构的功能要求。另外现场实验还对摆臂式转移机构的拉索力进行了测试并记录，现场试验的拉索释放速度为2.5mm/s，转移时间约510s，各工况拉索力测试结果如图15所示。拉索力的实验测试结果与仿真结果很好地反映了仿真分析的可信度。

4 结论

(1)针对巡视器转移过程典型工况与工作特点，建立了摆臂式转移机构的动力学模型。

图15 三种工况下拉索力变化情况

(2)基于摆臂式转移机构运动学和动力学的原理分析，对其宏观力进行了理论计算，并以此确定了驱动机构扭杆的力学特性曲线。

(3)鉴于理论计算的局限性，基于数值仿真方法，进一步对摆臂式转移机构的动力学进行了仿真计算，完善了巡视器转移过程的力学理论计算。

(4)通过实验方法验证了理论计算与仿真计算的有效性和正确性。

［1］欧阳自远，李春来，邹永廖，等.月球探测的进展与我国的月球探测［J］.中国科学基金，2003，17(4):193-197.

［2］冯立静.气动式月球车着陆梯的结构设计与实验研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2007.

［3］张大鹏.升降式着陆梯结构设计和分析［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2008.

［4］Peng Jing，Liu Zhongyao，Zhang He.Conceptual Design of a Lunar Lander［J］.Spacecraft Engineering，2008，17(1):18-23.

［5］Masahiro N.Modeling For Lunar Lander by Mechanical Dynamics［C］//Modeling and Simulation Technologies Conference and Exhibit.San Francisco，2005:61-68.

［6］Visentin G，van Winnendael M.Robotics Options for Low － cost Planetarymissions［J］.Acta Astronautica，2006，59(8/11):750-756.