陳哲吾 卿啟湘 文桂林 侯鵬飛

湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)制造技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，長沙，410082

0 引言

為避免月面巡視器及其攜帶的有效載荷的損壞，不能將巡視器直接著陸于月面，而是通過帶有緩沖腿的著陸器過渡，由轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)把巡視器從著陸器頂部轉(zhuǎn)移至月面后，巡視器自行行走［1］。月球車轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的功能可描述為“把月球車安全地從著陸器轉(zhuǎn)移至月面，然后與月球車相脫離，為月球車啟動自主探測提供初始條件”。國外已成功應(yīng)用的轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)主要是坡道或坡道變形的轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，根據(jù)我國月球探測著陸器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，這種坡道式的轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)難以滿足要求，因此設(shè)計了擺臂式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)［2-4］。

基于前蘇聯(lián)和美國的成功經(jīng)驗，巡視器轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度若能滿足轉(zhuǎn)移過程的要求，則轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)在發(fā)射、奔月及著陸過程鎖止情況下的發(fā)射過載、力學(xué)環(huán)境條件剛度強(qiáng)度要求亦能滿足［5-6］，因此，本文僅就巡視器轉(zhuǎn)移過程的力學(xué)特性進(jìn)行分析，應(yīng)用運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的原理分析轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)特性和動力學(xué)特性。

1 擺臂式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的物理模型

轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)能否將月球車安全轉(zhuǎn)移至月面，決定著一次探月計劃成功與否，結(jié)合我國的技術(shù)基礎(chǔ)和發(fā)展情況，繼承已取得的技術(shù)經(jīng)驗，設(shè)計了擺臂式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)。

1.1 轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的工作過程

擺臂式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)移動作分為“舉升”和“外推”兩個過程，在動力作用下，轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)載著巡視器先上升300mm，然后沿圓弧軌跡從著陸器上轉(zhuǎn)移至月面。擺臂式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)主要由連接分離機(jī)構(gòu)、外展小臂、小臂鎖架、舉升推臂(包括舉升推臂大臂和舉升推臂叉)、舉升框、下擺臂框、緩釋拉索、動力緩釋機(jī)構(gòu)、舉升框鎖止裝置等組成，如圖1所示。

轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)工作過程(圖2與圖3)如下:

(1)解鎖釋放。轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)在發(fā)射、奔月及著陸過程中，通過壓緊釋放機(jī)構(gòu)固定在著陸器支座上。著陸器軟著陸后，壓緊釋放機(jī)構(gòu)將巡視器和轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)分離釋放，轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)與著陸器解鎖，轉(zhuǎn)移動作準(zhǔn)備就緒。

圖1 擺臂式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)

圖2 擺臂式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)工作過程

圖3 擺臂式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)工作原理

(2)舉升。下曲柄AB在位于A點(diǎn)的扭桿作用下驅(qū)動轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)沿上下曲柄組成的平行四邊形ABCE上擺，緩釋拉索一端連接在外展小臂上的K點(diǎn)，另一端跨過著陸器上位于H點(diǎn)的定滑輪連接到動力緩釋機(jī)構(gòu)，拉索HK緩慢釋放，轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)在扭桿作用下帶動巡視器，垂直于著陸器頂板向上舉升300mm。

(3)上曲柄主動外擺。舉升到位后，下曲柄AB鎖止，推臂JE解鎖，并在位于J點(diǎn)的扭桿作用下外擺，拉索HK緩慢釋放，上曲柄EC推動擺臂BCDK帶動巡視器以擺臂固定鉸鏈B為圓心作圓弧軌跡外擺運(yùn)動。

(4)重力作用外擺。轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)擺臂BCDK擺過74°后與上曲柄EC脫離，轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)載著巡視器在自身的重力G及拉索HK緩釋作用下繼續(xù)向月面轉(zhuǎn)移。

(5)觸月分離。巡視器車輪接觸月面，在連接分離機(jī)構(gòu)的作用下巡視器與轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)實現(xiàn)分離，左右外展小臂分別向外側(cè)展開，為巡視器自主探測讓出通道，巡視器駛離著陸器。

擺臂式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的工作過程中，解鎖釋放階段是初始準(zhǔn)備階段，觸月分離階段是巡視器與轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的分離階段，可忽略上述兩個階段的載荷影響;轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)力學(xué)承載主要在舉升、上曲柄主動外擺與重力作用外擺3個階段。

1.2 力學(xué)模型

由于轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)工作時的運(yùn)動很緩慢，轉(zhuǎn)移過程長達(dá)8.5min，巡視器移動速度大約為25mm/s，加速度很小(可以忽略)，故將轉(zhuǎn)移過程視為準(zhǔn)靜態(tài)過程。同時，為了計算方便，不考慮轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的彈性變形，將轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)假定為剛性體結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的工作過程原理如圖3所示。

轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的力學(xué)載荷包括所承載的巡視器的月面重力、克服巡視器重力時驅(qū)動轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的驅(qū)動力，以及緩釋控制拉索的拉力。其中，驅(qū)動力由巡視器重力大小與轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)決定，拉索拉力由重力與驅(qū)動力共同決定。巡視器月面重力為已知量，巡視器質(zhì)量m=130kg，月球表面重力加速度g=1.62m/s2，巡視器的月面重力G=mg=210.6N。

分析轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)所承受的載荷的影響因素可知，著陸器的著陸姿態(tài)對轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)載荷的影響比較大，根據(jù)相關(guān)指標(biāo)，月面的坡度角最大為9°，著陸器自身傾角最大為6°，因此著陸器及轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)相對于月球水平面的姿態(tài)傾角θ最大為15°。由于姿態(tài)角的方向是任意的，巡視器月面重力作用有可能不在轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的運(yùn)動工作平面內(nèi)，因此將重力G分解為在工作平面內(nèi)的重力分力G1和在轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)運(yùn)動工作平面垂直方向上的側(cè)向分力G2。令重力與運(yùn)動工作平面的夾角為φ，在轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)運(yùn)動工作平面內(nèi)的重力分力G1=Gcosφ，其垂直方向上的側(cè)向分力G2=Gsinφ。當(dāng)運(yùn)動平面與頂面垂線重合(φ =0°)時，G1=G，G2=0。對轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)整體來說，驅(qū)動力與運(yùn)動平面上的重力分力相關(guān)，而與垂線上的分力無關(guān)(垂線上的分力主要傳遞到轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)與著陸器的連接鉸鏈上)。因此，對轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)計算時，主要考慮運(yùn)動工作平面上的受力情況。

2 動力學(xué)理論計算

2.1 舉升階段

舉升階段如圖3a、圖3b所示，下曲柄AB在動力作用下繞A點(diǎn)轉(zhuǎn)動，驅(qū)動轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)沿上下曲柄組成的平行四邊形機(jī)構(gòu)ABCE上擺，巡視器在轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的帶動下，垂直于著陸器頂板向上舉升300mm。以下曲柄AB方向為X軸方向，其垂直方向為Y軸方向，設(shè)重力分力為G1(與垂線夾角為ψ)，拉索拉力為FL(與頂面夾角為α)，下曲柄AB與頂面夾角為β，繞A點(diǎn)驅(qū)動力矩為MA。轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)第一階段的受力分析如圖4所示，其力學(xué)作用可以等效為如圖4b所示的重力作用與圖4c所示的拉索拉力作用的兩個作用力分別單獨(dú)作用的效果疊加，即有

式中，下標(biāo)X、Y分別表示X軸方向、Y軸方向;下標(biāo)1、2分別表示重力單獨(dú)作用產(chǎn)生的作用力和拉索拉力單獨(dú)作用產(chǎn)生的作用力;下標(biāo) A、B、E、J表示點(diǎn) A、B、E、J。

圖4 舉升階段受力分析

重力G單獨(dú)作用時，分析擺臂BCKD的受力，將A點(diǎn)受力分解到AB方向(X軸方向)與重力作用方向上，整個擺臂BCKD受力平衡，有

式中，下標(biāo)G表示重力方向上的分力。

對下曲柄AB，關(guān)于A點(diǎn)力矩平衡，有

式中，lAB為下曲柄AB的長度。

同理，分析繩索HK上的拉索力FL單獨(dú)作用時，將A點(diǎn)受力分解到AB方向(X軸方向)與拉索力作用方向上，有

式中，下標(biāo)L表示拉索HK方向上的作用力。

下曲柄AB繞A點(diǎn)轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩M必須大于重力作用對A點(diǎn)產(chǎn)生的力矩MA1，即

驅(qū)動力矩M大于重力力矩MA1的部分由拉索力產(chǎn)生的力矩平衡，即

下曲柄AB長440mm，工作角度為 －20°～20°，計算得到重力作用對A點(diǎn)產(chǎn)生的力矩MA1，如圖5所示。驅(qū)動元件為扭桿彈簧，設(shè)計預(yù)壓角度為56°，根據(jù)上述分析以及力矩MA1的計算結(jié)果，設(shè)計的扭桿彈簧的扭矩特性曲線如圖5所示，其中安全系數(shù)取1.5，安全裕量取10%。

圖5 下曲柄扭桿扭矩特性

2.2 上曲柄主動外擺階段

上曲柄主動外擺階段如圖3b、圖3c所示，舉升到位后，下曲柄鎖止，推臂JE在動力作用下繞J點(diǎn)轉(zhuǎn)動，通過上曲柄EC推動擺臂BCKD帶動巡視器以擺臂固定鉸鏈B為圓心作圓弧軌跡外擺運(yùn)動，由于著陸器與月球水平面之間存在最大15°的姿態(tài)角，為了保證轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)能適應(yīng)任意可能的姿態(tài)角工況，設(shè)計主動外擺角度為20°。此階段作用重力分力為G1，與垂線夾角為ψ;拉索拉力為FL，與垂線夾角為α;繞J點(diǎn)驅(qū)動力矩為MJ。轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)第二階段的受力分析如圖6所示，其力學(xué)作用可以等效為如圖6b所示的重力作用與圖6c所示的拉索拉力作用的兩個作用力分別單獨(dú)作用的效果疊加，有

圖6 上曲柄主動外擺階段受力分析

分析擺臂BCKD在重力和拉索力分別單獨(dú)作用的受力情況，作用在擺臂BCKD上的作用力關(guān)于B點(diǎn)力矩平衡，有

式中，γ為擺桿BCKD的BD兩點(diǎn)連線與垂線的夾角;lBC、lBD、lBK分別為擺桿BCKD的BC段、BD段和BK段的長度。

分析上曲柄推臂JE的受力情況，作用在上曲柄推臂JE上的作用力關(guān)于J點(diǎn)力矩平衡，有

式中，lJE為推臂JE的長度。

上曲柄推臂JE繞J點(diǎn)轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩MT必須大于重力作用對J點(diǎn)產(chǎn)生的力矩MJ1，即

驅(qū)動力矩MT大于重力力矩MJ1的部分由拉索力產(chǎn)生的力矩平衡，即

計算得到重力作用對J點(diǎn)產(chǎn)生的力矩MJ1，如圖7所示。上曲柄推臂JE長260mm，驅(qū)動元件為扭桿彈簧，設(shè)計預(yù)壓角度為55°，設(shè)計的上曲柄扭桿彈簧的扭矩特性曲線如圖7所示，其中安全系數(shù)取1.5，安全裕量取10%。

2.3 重力作用外擺階段

重力作用外擺階段如圖3c、圖3d所示，上曲柄推臂工作到位后，上曲柄與轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)擺臂脫離，轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)載著巡視器在自身的重力作用下繼續(xù)向月面轉(zhuǎn)移，整個轉(zhuǎn)移的受力分析如圖8所示。

拉索拉力與重力作用關(guān)于B鉸鏈點(diǎn)轉(zhuǎn)矩平衡，有

圖7 上曲柄扭桿扭矩特性

圖8 重力作用外擺階段受力

式中，lBK、lBD分別為BK和BD的連線的長度。

3 仿真分析與實驗驗證

3.1 仿真分析

隨著計算科學(xué)的發(fā)展，仿真分析成為產(chǎn)品設(shè)計很重要的設(shè)計與驗證手段，為了驗證轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)動力學(xué)理論計算的正確性，使用三維軟件Solidworks建立各階段的三維模型，采用ADAMS軟件對轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)仿真分析。

3.1.1 舉升階段仿真分析

導(dǎo)入三維模型后建立仿真模型:依據(jù)實際情況設(shè)置各部件之間的連接關(guān)系;在下曲柄與著陸器之間的連接鉸鏈處設(shè)置扭轉(zhuǎn)彈簧(扭轉(zhuǎn)剛度為4.85N·m/°，預(yù)壓角為 55°);拉索在轉(zhuǎn)移過程中始終拉緊保持直線狀態(tài)，將拉索等效設(shè)置為兩端鉸接的伸縮桿;巡視器簡化為質(zhì)心位置的質(zhì)量點(diǎn);月面重力加速度g=1.62m/s2，舉升階段的仿真模型如圖9所示。

通過仿真計算得到轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)舉升階段各工況下的拉索力變化情況，如圖10所示，可以看出，拉索力隨繩索的釋放而減小，最大值出現(xiàn)在工作開始時，且前傾15°工況的載荷最大，因此，對后仰工況各鉸鏈點(diǎn)的最大載荷進(jìn)行單獨(dú)計算以便進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。另外，為了計算轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的側(cè)傾剛度，對側(cè)傾工況的載荷也進(jìn)行了考察，其側(cè)傾時左右兩邊的載荷不一樣，載荷大小見表1。

圖9 轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)舉升階段仿真模型

圖10 轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)舉升階段拉索力變化情況

表1 第一階段關(guān)鍵鉸接點(diǎn)的最大載荷值 N

3.1.2 上曲柄主動外擺階段仿真分析

第二階段的仿真模型如圖11所示，依據(jù)實際情況設(shè)置各部件之間的連接關(guān)系;在下曲柄與著陸器之間的連接鉸鏈處設(shè)置扭轉(zhuǎn)彈簧(扭轉(zhuǎn)剛度為6.00N·m/°，預(yù)壓角為53°);將拉索等效設(shè)置為兩端鉸接的伸縮桿;巡視器簡化為質(zhì)心位置的質(zhì)量點(diǎn);月面重力加速度g=1.62m/s2，拉索釋放速度為2mm/s。

圖11 上曲柄主動外擺階段仿真模型

通過仿真計算得到上曲柄主動外擺階段的拉索力變化情況，如圖12所示，可以看出，拉索力隨繩索的釋放而減小，在巡視器跨過最高點(diǎn)時，由于重力的作用，拉索力有一個增大的過程，第二階段后仰15°工況開始時的拉索力最大，為了分析轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的側(cè)傾剛度，對最大側(cè)傾15°的工況也進(jìn)行了仿真計算，通過計算得到第二階段各部件的最大載荷見表2。

圖12 轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)主動外擺階段拉索力變化情況

表2 第二階段各工況下各鉸接點(diǎn)的最大載荷值 N

3.1.3 重力作用外擺階段仿真分析

重力作用外擺階段的仿真模型如圖13所示，將拉索等效設(shè)置為兩端鉸接的伸縮桿;巡視器簡化為質(zhì)心位置的質(zhì)量點(diǎn);月面重力加速度g=1.62m/s2，依據(jù)實際情況設(shè)置各部件之間的連接關(guān)系。

圖13 重力作用外擺階段仿真模型

通過仿真計算得到轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)重力作用外擺階段的拉索力變化情況，如圖14所示，可以看出，拉索力隨繩索的釋放成幾何級數(shù)增大，巡視器即將著陸前拉索力達(dá)到最大，且后仰15°工況的載荷最大，這是因為，后傾工況轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)外擺角度更大時，巡視器著陸時拉索力的力臂急劇減小，相應(yīng)的拉索力隨之增大。為了分析轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的側(cè)傾剛度，對最大側(cè)傾15°的工況也進(jìn)行仿真計算，通過計算得到第三階段各部件的最大載荷，見表3。

圖14 轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)重力外擺階段拉索力變化情況

表3 第三階段各鉸接點(diǎn)的最大載荷值 N

3.2 實驗驗證

通過轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的實驗一方面可以驗證擺臂式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)方案的可行性，另一方面可以檢驗動力學(xué)理論計算與仿真分析的正確性，確定轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計的力學(xué)特性。

通過動力學(xué)理論計算與仿真分析得到轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的動力學(xué)特性，依此數(shù)據(jù)對轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并進(jìn)行現(xiàn)場試驗。試驗時，轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)按實際設(shè)計參數(shù)進(jìn)行加工制造;現(xiàn)場環(huán)境也盡量參照實際月面工作環(huán)境進(jìn)行設(shè)置;巡視器采用1∶1的尺寸模型，由于巡視器月面重力只有約210N，為了模擬月球重力載荷，將巡視器總質(zhì)量配重到21.5kg，從而實現(xiàn)210N的重力載荷。

現(xiàn)場試驗直觀反映了轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)方案的可行性，同時轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的彈性變形或塑性變形也反映出來各部件的力學(xué)特性，擺臂式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)基本實現(xiàn)了轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的功能要求。另外現(xiàn)場實驗還對擺臂式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的拉索力進(jìn)行了測試并記錄，現(xiàn)場試驗的拉索釋放速度為2.5mm/s，轉(zhuǎn)移時間約510s，各工況拉索力測試結(jié)果如圖15所示。拉索力的實驗測試結(jié)果與仿真結(jié)果很好地反映了仿真分析的可信度。

4 結(jié)論

(1)針對巡視器轉(zhuǎn)移過程典型工況與工作特點(diǎn)，建立了擺臂式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的動力學(xué)模型。

圖15 三種工況下拉索力變化情況

(2)基于擺臂式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的原理分析，對其宏觀力進(jìn)行了理論計算，并以此確定了驅(qū)動機(jī)構(gòu)扭桿的力學(xué)特性曲線。

(3)鑒于理論計算的局限性，基于數(shù)值仿真方法，進(jìn)一步對擺臂式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的動力學(xué)進(jìn)行了仿真計算，完善了巡視器轉(zhuǎn)移過程的力學(xué)理論計算。

(4)通過實驗方法驗證了理論計算與仿真計算的有效性和正確性。

［1］歐陽自遠(yuǎn)，李春來，鄒永廖，等.月球探測的進(jìn)展與我國的月球探測［J］.中國科學(xué)基金，2003，17(4):193-197.

［2］馮立靜.氣動式月球車著陸梯的結(jié)構(gòu)設(shè)計與實驗研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.

［3］張大鵬.升降式著陸梯結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，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.