基于四杆悬架机构的月球车行走系统设计

2021-05-07孙萌

南方农机 2021年8期

孙萌

（东南大学机械工程学院，江苏南京 211189）

月球作为距离地球最近的天体，成为各国宇宙空间探测的重点目标之一，相比于载人航天探测，月球探测车的探测成本更低，且消除了载人航天的安全隐患。然而月球表面存在很多行驶障碍，资料显示，1m～3m大小的月球车会遇到25°的斜坡、0.5m大小的火山口以及15cm～20cm高的障碍体，因此对于月球车的越障能力提出了很高的要求[1]。

本文自拟参数，提出了一种新型基于四杆悬架机构的月球车行走系统，进行了总体设计以及运动学仿真，确定了电机和减速器的选择，对实物的制造起到了指导作用。

1 总体设计

本文所设计的月球车参数如下：最大外形尺寸为900mm(长)×600mm(宽)×450mm(高)，总质量不超过50kg，移动速度不小于0.1m/s。

1.1 驱动设计

月球上地貌复杂，需要月球车有较高的灵活度，为了满足这一要求，本文所设计的月球车采用六轮独立驱动，前后轮设计牵引电机和转向电机实现驱动和转向，中间轮仅设计牵引电机实现驱动。

1.2 悬架设计

本文所选取四杆悬架系统的越障原理如图1所示。该系统在接触到障碍物时，利用障碍物产生向后的推力驱动平面四杆机构运动，使相应的车轮抬起或落下，达到越过障碍物的目的，由于越障时主摇臂和副摇臂的瞬时转动中心下移至地面以下，因此具有比其他机构更强的越障能力。

图1 四杆悬架系统越障原理

预计月球车需越过最大尺寸为15cm左右高度的障碍物，以此为根据进行多次试算，最终设计尺寸如图2所示。

利用SolidWorks的推断约束，计算出前中后轮的极限越障尺寸分别为前轮200.23mm、中间轮216.40mm以及后轮176.17mm，如图3所示。

图2 四杆悬架尺寸

图3 极限越障状态

取其中最小的后轮极限越障尺寸作为月球车整体的极限越障尺寸。事实上，极限越障尺寸应略小于该值，因为当左杆竖直的时候，车体的重心前移，稍有扰动便会向前翻倒，处于不稳定平衡的状态，因此真正的极限越障尺寸要略小一些，预计在15cm左右，满足预期。

1.3 车轮设计

常见的石子碎块高度不超过4cm，在遇到此类小障碍物时，悬架不发生较大越障变形即可完成越障，减少机械构件的相对移动，延长使用寿命。如图4所示，若车体给予轮胎的力作用线在障碍物产生的阻力作用线上方，即可做到仅凭轮胎尺寸越障。因此有计算公式如下：

图4 车轮尺寸

解得x>90.5mm，取极限状态则车轮直径为181mm，可以轻松跨过4cm以下的障碍物。

对于轮宽，根据文献[2-3]，减小车轮的宽度有利于转向的灵活性，但纵向牵引性能会有所下降。综合考虑牵引与转向性能，半径90mm的车轮的适合宽度为100mm左右，因此车轮宽度取为100mm。

最终整车结构如图5所示。

图5 结构示意图

2 Adams运动学仿真

利用Adams软件进行运动学仿真，进一步验证月球车结构设计上的合理性，并分析其运动姿态。

2.1 仿真参数设置

令x方向为预设的行驶方向，y方向为竖直方向，z方向与x、y方向成右手系。仿真模型如图6所示，各构件材质均设置为steel并将车轮与路面间加入接触，加入月球重力场，六轮的驱动函数设置为step(time, 0, 0, 5, 270d)+step(time, 35,0, 40, -270d)。

图6 月球车（左）与月面（右）仿真模型

部分仿真结果如图7～图11所示。

图7 车体y方向位移、速度、加速度曲线

图8 车体z方向位移、速度、加速度曲线

图9 车体x方向角速度、角加速度曲线

图10 车体y方向角速度、角加速度曲线

图11 车体z方向角速度、角加速度曲线

2.2 仿真结果分析

对仿真结果的分析归为如下几类：

1）震荡。减震是所有问题中最为关键的，因为月球车载物台上通常搭载的都是一些实验仪器，应尽量减轻车身振动以保护仪器并保证整车的平稳运行。图7反映竖直方向的震荡。由图可知车身在越障时，位移与速度波动主要出现在独立凸起处和连续不对称凸起处，振荡位移最大不超过25mm，可以认为较为平稳，但其加速度曲线表明振动冲击比较大，因此需要在车轮处设置合适的阻尼来减缓振动，保护载物台上的各仪器以及其他设备[4-5]。

2）侧滑与横摆。图8反映车身侧滑，图10反映车身横摆。由图可知车身存在一个朝向前进方向左侧的侧滑，且多处有小幅横摆，侧滑与横摆集中于连续不对称凸起处。推断原因如下：月球车自身的重力分布不均，导致对各车轮产生力矩，使车轮在启动时便产生一个横摆角，并随着月球车向前行驶导致侧滑与横摆不断加剧，而不对称的障碍使车身扭转加剧，引起更加严重侧滑和横摆。上述问题可以通过对载物台的尺寸或负载质量分布进行优化而缓解。

3）侧倾与俯仰。图9反映车身侧倾，图11反映车身俯仰。由图可知侧倾始终存在，均值为5deg/sec左右，在连续不对称凸起处最为明显，最高达到25deg/sec；车身俯仰在坡道与平地转换时表现出较大的波动，明显较越障时剧烈。车身侧倾可以通过合理分配整车质量的方式缓解，而车身俯仰则可以通过阻尼的加入来削弱。